火电厂混煤掺烧配煤软件的开发和应用.pdf

第 3 5卷第 1 1期 2 0 1 3年 1 1月 华 电技 术 Hua d i a n Te c hn o l o g y V0 1 ． 3 5 No ． 1 1 NO V ． 2 01 3 火 电厂 混煤掺烧配煤软件 的开发 和应用 方占正 ， 黄孝彬 ， 梁龙飞。 ， 张培超 ， 王雪茹。 1 ． 河北大唐国际新能源有限公司， 河北 承德0 6 7 0 0 0； 2 ． 华北电力大学控制与计算机工程学院， 北京1 0 2 2 0 6 摘要 针对火电厂在实际燃烧过程中需要燃烧一定 比例的非设计煤种的问题， 以山西某电厂多煤种混煤为研究对象 ， 分析了不同配比下混煤燃烧对单位发电成本的影响， 以枚举法作为寻优方法 ， 计算得到多煤种掺烧的最佳配比方案。在 此基础上， 开发了 I 套实用的混煤掺烧配煤软件 ， 可减少燃料成本， 以保证电厂的经济效益。 关键词 火电厂 ； 多煤种掺烧； 发电成本 ； 最佳配比 中图分类号 T K 2 2 7 ． 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 1 3 1 1 0 0 2 60 4 0 引言 当前我国电力工业 已经步入“ 大 电网、 高 电压 、 大机组 、 高参数 和高 自动化 ” 的发展新 阶段 。随着 我 国国内煤炭供应形势 的 日益紧张， 煤炭价格不断 上升 ， 煤种繁多 ， 煤质多变且有逐年下降的趋势。火 电厂燃煤锅炉是根据特定煤种进行设计 的， 设计锅 炉时依据的煤种为设计煤种， 是最佳的“ 适炉” 煤 种 。设计煤种不 同， 锅炉的炉型、 结构 、 燃烧器 、 制粉 系统的选择 以及锅炉的运行方式也不 同。绝大多数 电厂在生产运行时很难只燃用设计煤种 ， 而是选择 掺烧多种非 设计煤 种。如河 南省某 电厂 22 1 0 M w 机组容量 2 0 1 0年累计消耗 电煤约 1 2 6万 t ， 当 年该厂煤炭供货商达到 2 0多家 ， 进厂煤种达 1 6种 ， 散户煤 占2 5 ％ ， 且主要煤质指标参数偏离设计值 的 人厂煤达到总量的 7 4 ％ 。由此可见， 我国电厂燃用 煤种与设计煤种不符的现象十分普遍。大量掺烧非 设计煤种可能会给锅炉运行带来一系列问题 燃烧 不稳 定、 锅 炉效 率 降低 、 发 电煤 耗增 加 和锅 炉 结 渣等。 近年来煤炭价格不断上升， 一些 电厂经营压力 较大 ， 亏损严重。为了减少亏损 ， 火 电厂大量掺烧劣 质煤种 ， 虽然在一定情况下可以缓解火电厂的压力 。 但一些电厂由于缺少系统的掺烧指导， 随机掺烧其 他煤种 ， 造成发电煤耗增加 ， 燃烧 不稳定 ， 结渣停炉 等现象 J 。不仅没有扭转火 电厂亏损局面 ， 反而 严重影响电厂的安全 与经济性 ， 故对混煤掺烧技术 进行研究十分必要。 发电厂煤质综合经济性分析是研究当煤质发生 变化时发电成本是如何变化 的， 从而为 电厂煤种 的 选择 、 采购提供依据 ， 尽可 能降低电厂的运行成本。 收稿 日期 2 0 1 3 5 2 8 ； 修 回日期 2 0 1 3 0 8一 O 6 本文从发电煤耗的角度 出发 ， 分析混煤掺烧过程中 煤质变化 ， 厂用电率 、 除灰、 脱硫成本 、 设备磨损维护 费用等对单位发电量综合发电成本 的影响 ， 建立掺 烧优化模型 ， 确定最佳掺配方案 。针对 山西某电厂 的实际问题 ， 采用 C 语言开发 1 套实用的混煤掺烧 配 比软件 ， 可对火电厂掺烧配煤进行指导。 1 配煤模 型的确 立 混煤配 比的确定对混煤燃烧优化尤为重要 ， 故 国内外研究学者都在试 图用不同的方法确定最佳混 煤配 比。由于各个电厂在燃用混煤时关心的问题不 同， 在实际运行过程中， 需要优化的指标和配比方法 也有所差异 。为减少火电厂发电成本 ， 选取发 电成 本为研究对象 ， 寻找煤质变化 时发 电成本 的变化情 况。经济性分析 的 目的就是要寻找燃料 、 辅机耗 电 和排放等成本的最小值 ， 使能耗和设备磨损之 和最 低化。若能计算 出每个环节 的绝对经济成本 ， 则可 直观地比较并选择不 同的煤种。显然 ， 多煤质情况 下综合兼顾各环节并不容易。故可详细分析每个环 节中成本如何随着煤种的变化而变化 ， 然后 ， 把这些 成本相加 ， 最小者即为最经济的掺混方案 。 1 ． 1 发电成本的构成 煤质变化会引起发电成本的改变 j ， 这是当前 各个电厂都非常关注的问题。煤质与发电成本的关 系会受燃煤成本 、 辅机耗 电成本、 排放成本及受热面 磨损腐蚀引起 的成本等 因素的影响 ， 前三者可以通 过具体参数的测量和分析估算得到 ， 而磨损腐蚀 由 于时效性长实际上很难量化计算。煤质发电成本及 主要影响因素如图 1 所示。 1 ． 2 各构成成本 1 ． 2 ． 1 燃料成本 发 电单位燃料成本 占发 电成本构成 的主要部 分 。 随着机组技术 水平 的提高和单机容量的增加 ， 第 l 1 期 方 占正 ， 等 火电厂混煤掺烧配煤软件的开发和应用 ‘ 2 7 燃 煤 成 本 { 嚣 嘉 发 电 成 本 』 辅 机 耗 电 成 本 ， 一 次 、 二 次 风 机 耗 电 成 本 J 输 煤 机 、磨煤机耗电成本 【 其他设备成本 排 放 成 本 墨 薹 设备磨损成本 图 1 发 电成本构成及主 要影 响因素 燃料成本所 占总成本的比例有所减少而老机组燃料 成本所 占比例却很高 ， 1 0 0M W 机组燃料成本 占总成 本的比例在 5 0 ％以上。因此 ， 在 当前煤炭价格不断 上涨的情况下 ， 抓住单位燃料成本的决定 因素， 从各 方面控制单位燃料成本就尤为重要。 锅炉效率 为 1 0 0一 g 2q 3g 4g 5g 6 ， 1 式 中 q 为排烟损失 ； q 为化学不完全燃烧损失 ； q 为机械损失 ； q 为锅炉散热损失 ； g 为其他热损失 。 燃料消耗量 B ， c 2 _ _ 二 旦 ， 式 中 Q 为锅炉有效利用热 ， k J ／ h ； r ／ 为锅炉效率 ； Q 为燃料带入热量 ， k J ／ k g 。 标准煤耗量 B B ， 3 式中 Q B rw 为收到基低位发热量。 燃料成本 C R MB 。P ， 4 式中 P 为标煤价。 1 ． 2 ． 2 辅机耗 电成本 煤粉制备是辅机耗电成本中能量消耗最大的设 备 ， 主要是为锅炉燃烧提供足够数量和细度的煤粉 。 当煤的发热量不同时 ， 燃煤量随之改变 ， 从而影响到 磨煤机的运行时间。随着混煤热值下降 ， 在相同发 电负荷下需要的原煤量增大。如果运行所需的煤耗 量小于磨煤机的最大出力， 则不会因磨煤机出力不 足而造成发 电量 的损失 ， 反 之则会 影 响 电厂发 电 量[ 5 ] ， 进而影响电厂经济效益。将发 电量损失的费 用折算到单位发 电量成本上得 到单位发 电量损 失 成本。 燃煤热值 降低 ， 同等输出功率下锅炉燃煤量增 加， 输煤、 制粉、 除灰等辅机的耗电量增加 。若只 考虑与煤质相关的耗电， 则耗电设备有输煤系统、 给 煤机和磨煤机， 给煤机耗电量较少， 可忽略不计。将 磨煤机和输煤系统的耗 电费用折算到发电成本上可 得到磨煤机 、 输煤系统每千瓦时电耗成本 [ 机组额定出力 负荷率 f 】 一 捡 磨 萎孽星 出 1 ＼ 原煤消 耗 量 ， 每千瓦时边际利润 ] 机组额定出力 负荷率 输煤 、 磨煤装置最大出力 ＼ ， 原煤消耗量 』’ ． ． 单位供电煤耗 磨煤设备电耗费用 输煤 、 磨煤设备生产电 耗 电价 ， 6 1 ． 2 ． 3 排放成本 燃煤电厂排放物主要是对环境造成危害的 s 0 和 N O 及灰渣。不同电厂对灰渣的处理不同， 如果 灰渣可以出售 ， 则可从 中获得利润 ， 否则 ， 灰渣的放 置需要场地费用支出。对于将灰渣运送到灰库堆放 的电厂， 其成本支出包括灰渣运输费和灰场 占用费 用 。随着煤质下降 ， 机组在带相同负荷时消耗的燃 料量也会增加 ， 同时所对应的灰分增大 ， 产生灰渣量 加大 ， 拉渣费用直线上升。排放成本中灰渣处理所 需成本最高， 约 占整个排放物的 6 5 ％。将 以上 2种 费用折算至发电成本上， 得到每千瓦时的除灰成本 蒺 戛 单 位 供 电 煤 耗 篆 羹 箍 灰分 X除尘效率 X灰渣加湿 系数 灰渣运费 X运输距离 ， 7 差 喜 至 霎 单 位 供 电 煤 耗 蒹 褰 薰 箸 灰分 除尘效率 灰渣加湿 系数 每吨灰渣 占地费用 。 8 烟气排放成本主要为脱硫费用， 因烟气中 N O 含量较少 ， 脱硝费用 可忽略不计。该 电厂脱硫采用 石灰石 一石膏法 ， 故脱硫费 由以下 3个方面组成 石 灰石购置成本、 石灰石石膏运费 以及 s 0 排放费用。 将脱硫费用折算到发电成本上可得每千瓦时的二氧 化硫排放成本 单 位 供 电 煤 耗 蒹 J煤 黧 箍 硫分 x硫转化比例 脱流效率 钙硫 比 l a-f f 60-／ 石 灰 石 纯 度 石灰石价格 。 9 2 8 华 电技 术 第 3 5卷 簧 单 位 供 电 煤 耗 蔫 蠢 籍 硫分 X 硫转化比例 X 脱硫效率 X 1 1 2 ,x石膏运费 运输距离 。 1 0 蕞 单 位 供 电 煤 耗 硫分 X硫转化 比例 脱硫效率 1一脱硫效率 单位硫排放收费 。 1 1 1 ． 2 ． 4 设备磨损成本 与煤质有关 的磨损 、 腐蚀 由于时效性较长实际 上很难量化计算， 为保证一定的准确性， 简化计算只 考虑由于磨损而造成磨煤机、 输煤系统大修的费用。 将一个维修周期的维修费用折算到此期间该磨煤机 磨煤量所发的电量上得到 每千瓦时磨煤机／ 输煤系 统设备成本 。 单位供电量输煤、 磨煤设备维修费用 单 位 供 电 煤 耗 囊 箍 x 输煤、 磨煤设备大修费用 输煤 、 磨煤设备最大出力 大修周期 通过以上的分析 ， 则可以得到 广义单位发电成本 。 1 2 单位燃料成本 单位发电量损失成本 单位磨煤设备成本 单位磨煤 电耗成本 单位输煤设备成本 单位输煤电耗成本 单位除灰成本 单位脱硫成本 单位排硫成本 。 1 3 2 配煤软件 的设计 2 ． 1 程序 工作流 程 基于建立的计算模 型并结合用户实际需要 ， 程 序设计流程如图 2所示 。当有新煤种到厂时 ， 手动 录入来煤的煤质参数到煤质 库中， 参 与配煤 计算。 当用户发出配煤指令 时， 系统根据用户配置进行配 比计算 。如果得到的最优成本不能满足实际燃烧 ， 更改配 比结果 ， 以数据、 表格的形式显示在界面上。 2 ． 2 模块功能 整个掺烧配比软件可分为 4个功能模块 煤种 库信息输入模块、 计算参数输入模块、 设定煤种掺烧 方案下成本计算模块和最优配煤方案计算模块 。其 中， 前两者为设置部分 ， 后两者为计算部分。 1 煤种库信息输入模块。用以设定燃煤电厂 参加掺烧的煤种库信息， 包括煤质、 煤价、 各成分组 图 2程 序 工 作 流 程 图 成 灰分 、 硫分、 挥发分等 等信息 。系统具有数据 存储功能 ， 输入的煤质信息可以自动保存到系统中， 下次使用可直接调用 ， 这样 ， 系统既可 以修改和删 除 ， 也可以添加新煤种信息 。 2 计算参数输人模块。用 以电厂设定包括机 组参数， 磨煤机 、 输煤系统相关参数 ， 除灰成本、 脱硫 成本计算相关参数等信息 ， 用于发电成本计算。 3 设定煤种掺烧方案下成本计算模块。根据 电厂实际需要从软件煤种库中选取几种不同煤质进 行掺烧 ， 手动设定各煤种的掺混 比例 ， 计算设定煤质 配煤方案下的发电成本。 4 最优配煤方案计算模块。根据电厂实际需 要 ， 对电厂购进的几种不 同煤质 ， 计算最优成本时的 配煤方案。 计算模块为软件的核心部分， 利用枚举法实现 燃料成本的最优化排列 ， 得到最佳配 比方案。软件 具有将计算得到的设定煤质成本和最优配比方案下 不同配比的成本显示的功能 ， 同时包括各单煤混配 比例 、 原煤燃煤单价 、 广义发电燃料成本 、 其他耗 电 成本 和排 放 成本 等 参数 。计 算结 果 可 以输 出至 E x c e l 表格中， 供电厂运行人员进一步分析与计算。 3 混煤掺烧应用分析 表 1为 山西某 电厂常用 的 3个煤种 的详 细参 数 ， 其 中锅炉的设计煤种热值为 2 4 9 7 8 k J ／ k g ， 煤种 1接近设计煤种。 通过数据分析可知 ， 标煤单价过高 已经成为制 约该 电厂效益水平的最 主要 因素 ， 为了有效控制标 第 1 1期 方占正， 等 火电厂混煤掺烧配煤软件的开发和应用 2 9 煤单价上涨对利润的影 响， 电厂通过掺烧低热值的 经济煤种 ， 可 以降低发电成本 。本文 以混配后广义 发电单位燃料成本为 目标 ， 对于给定的煤种 ， 通过上 述 软 件 进 行 配 比， 得 到 最 小 发 电 燃 料 成 本 为 0 ． 2 0 2 5 5 5 k W h 时 3种煤 的混配 比例分别为 O％ ， 2 4％ ， 7 6％ 。 描述动力配煤 的数学模型主要有 2种 一种模 型显示 ， 配煤 与单种 煤 的煤质 指标 具有 线性 可加 性 ； 另一种模 型则显示 ， 配煤 的煤质特性 与各组 成单煤煤种之间并非简单的加权关 系， 而是具有复 杂的非线性关 系 J 。两者都 以一定 的试 验数据为 用 中， 作者认为混煤 的水分 、 灰分 、 挥发分和发热量 等煤质参数具有较 好的线性可加性 J 。由于配煤 的情况千差万别， 需要具体问题具体分析。 图 3为软件得到的配比结果 ， 程序算法基于枚 举法 ， 按照广义发电燃料成本的大小顺序依次排列 ， 方便运行人员全面 了解掺烧方 案并做 出准确 的决 策。只要 比例力度足够小 ， 3种煤质 掺混有无数 种 可能 ， 为了减少计算时间 ， 取 比例力度 为 1 ％ ， 共 有 5 1 5 1 种掺混比例。 从理论上讲， 上述比例为最佳掺 混比例 ， 此时广义单位发电燃料成本最低。混煤热 值为 1 8 MJ ／ k g ， 虽低于设计煤种热值 ， 但可以大幅降 依据 ， 提出不同的配煤模型。 目前 ， 在大部分配煤应 低综合成本。 表 1 单煤煤 质参数 序 号 煤种 1 ％ 煤种 2 ％ 煤种 3 ％ 广义发 电燃料成本， 【元／ k W ． h 】 广义燃煤单价， f 元／ 吨原煤 广 义燃 煤单价， 元／ 吨标煤 1 O 7 6 2 4 0 ． 2 0 2 5 5 5 3 6 4 ．6 6 6 2 5 8 5 8 1 ．7 8 l 4 7 0 2 0 7 7 2 3 0 ． 2 0 2 6 0 0 3 6 3 ．5 8 4 5 6 2 5 8 1 ．2 6 3 6 9 0 3 l 7 7 2 2 0 ．2 0 2 6 5 1 3 6 4 ．8 3 9 2 6 2 5 8 2 ．0 6 7 0 9 0 4 O 7 5 2 5 0 ． 2 0 2 6 5 4 3 6 5 ．7 4 9 5 8 6 5 8 2 2 9 9 2 9 1 5 l 7 8 2 1 0 ． 2 0 2 6 9 6 3 6 3 ．7 5 7 l 5 8 5 8 1 ．5 4 9 3 1 0 6 O 7 8 2 2 0 ．2 0 2 7 O l 3 6 2 ．5 o 4 4 9 9 5 8 0 ．7 4 5 9 4 9 7 2 7 8 2 0 0 2 0 2 7 4 7 3 6 5 ．O1 2 2 6 6 5 8 2 ．3 5 2 7l 0 8 l 7 6 2 3 0 ． 2 0 2 7 5 0 3 6 5 ． 9 2 2 9 9 8 5 8 2 ． 5 8 4 9 1 1 9 O 7 4 2 6 O ．2 0 2 7 5 3 3 6 6 ． 8 3 4 5 4 6 5 8 2 ． 8 1 7 l 5 O 1 O 2 7 9 l 9 0 ． 2 0 2 7 9 2 3 6 3 ．9 2 9 7 5 4 5 8 1 ． 8 3 4 9 3 0 l 1 l 7 9 2 0 0 ．2 0 2 7 9 7 3 6 2 ． 6 7 6 6 8 7 5 8 1 ．O 3 1 5 6 9 l 2 0 7 9 2 1 0 ． 2 0 2 8 o 4 3 6 1 ．4 2 6 0 6 8 5 8 0 ． 2 2 8 2 4 9 l 3 3 7 9 1 8 0 ．2 0 2 8 4 3 3 6 5 ． 1 8 5 2 7 0 5 8 2 ．6 3 8 3 3 0 1 4 2 7 7 2 l 0 ．2 0 2 8 4 6 3 6 6 ．0 9 6 4 l 0 5 8 2 ． 8 7 0 5 3 1 1 5 l 7 5 2 4 0 ．2 0 2 8 4 9 3 6 7 ．0 0 8 3 6 6 5 8 3 ． 1 0 2 7 7 0 1 6 0 7 3 2 7 0 ．2 0 2 8 5 0 3 6 7 ． 9 2 l l 3 8 5 8 3 ． 3 3 5 0 4 9 1 7 3 8 0 1 7 0 ．2 0 2 8 8 8 3 6 4 ． 1 O 2 3 5 0 5 8 2 ． 1 2 0 5 5 0 1 8 2 8 0 1 8 0 ．2 0 2 8 9 3 3 6 2 ． 8 4 8 8 7 5 5 8 1 ． 3 1 7 1 8 9 1 9 1 8 0 1 9 0 ．2 0 2 9 O 0 3 6 l 5 9 7 8 4 8 5 8 0 ． 5 1 3 8 6 9 2 0 O 80 2 0 0． 20 2 9 08 3 6 0． 3 49 26 9 57 9． 71 0 5 89 4 结论 图 3配比方案及成本 随着火电厂燃煤价格 的不断上涨 ， 所 购煤种呈 现多样性和多变性 ， 混煤掺烧 的重要性 和实用性也 日益显现出来。通过掺烧一定量的经济煤种可以降 低发电成本， 提高劣质煤的利用率， 做到煤质资源的 优势互补。本文以最大限度地降低燃料成本为主要 目标 ， 从 混煤 掺烧 经济 性 方 面做 下 转第 3 2页 3 2 华 电技 术 第 3 5卷 1高加正常疏水调 阀， 直 至关 闭。在关小 1高加 正常疏水调阀的同时 ， 慢慢开大 1高加危急疏水调 阀 ， 直至 1高加 维持低水位运行 。这样做 的优点 是 当关闭 1高加汽源时， 2高加的高压汽水就不 会通过 1高加正常疏水调阀返到 1 高加来 。对于 2， 3高加均可 以这样操作。这样 ， 在切 除高加 的 过程中并没有出现由于虚假水位导致高加瞬间全部 解列的情况。 5 结论 对于电厂运行人员来说 ， 配合试验人员进行汽 轮机性能试验是一个不 同于电厂运行工作 的新 任 务 。在这个任务中， 不但要求保证 电厂设备完好地 完成发电工作 ， 还要根据性能试验 的要求对机组进 行各种调整。在这些调整中， 任何一步出现问题 ， 都 会对机组造成无法弥补的损失。在深刻理解 A G C ， C C S ， 一次调频和汽轮机压力控制 的基础上 ， 如果按 照本文介绍的措施进行调整 ， 就会在配合汽轮机性 能试验时有的放矢 。 参考文献 [ 1 ] A S ME P T 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王雪茹 1 9 8 9 一 ， 女， 山东枣庄人 ， 在读硕士研究生， 从 事风 电机组齿轮箱温度检测方 面的研究 。