配煤摻燒比對發(fā)電廠綜合成本影響的定量分析和優(yōu)化計算

李文學，張東杰，黃宣，王江湖

(1.中國國電集團公司安全生產(chǎn)部，北京 100034;2.國電電力發(fā)展股份有限公司，北京 100101)

配煤摻燒比對發(fā)電廠綜合成本影響的定量分析和優(yōu)化計算

李文學1，張東杰2，黃宣1，王江湖2

(1.中國國電集團公司安全生產(chǎn)部，北京 100034;2.國電電力發(fā)展股份有限公司，北京 100101)

針對電廠煤源日益多元化、低質(zhì)煤占比提高的現(xiàn)狀，合理確定最佳燃煤配比，尤其是劣質(zhì)煤配比，以實現(xiàn)最佳綜合效益對電廠意義重大。探討了入爐煤品質(zhì)和價格對于電廠各方面費用的影響，并以單位發(fā)電量廣義燃煤成本為指標建立了評估入爐煤對發(fā)電廠綜合成本影響的定量計算方法，為燃煤電廠確定最優(yōu)燃煤配比提供參考。

混煤;配比;優(yōu)化;廣義燃料成本

1 單位發(fā)電量廣義燃煤成本的定義和構成

增大劣質(zhì)煤的配比會顯著降低入爐煤的品質(zhì)，這對電廠成本有正反兩方面影響。一方面，首先，會降低鍋爐效率，提高煤耗;其次，會增大低負荷下的投油量，提高入爐煤價;再次，煤質(zhì)下降和耗煤量增大會加劇輸煤磨煤系統(tǒng)磨損并增大電耗;第四，如果耗煤量超過了輸煤磨煤系統(tǒng)出力限制，則煤質(zhì)下降還會導致一定電量損失;第五，煤質(zhì)下降伴隨著灰硫分的升高，對應的灰渣和SO2處理費用增加;第六，硫分升高直接增加SO2排放量及硫排放成本。以上因素都會推高發(fā)電廠綜合成本。另一方面，劣質(zhì)煤比優(yōu)質(zhì)煤便宜得多，提高劣質(zhì)煤配比能直接降低電廠燃煤成本。因此，本文定義了單位發(fā)電量廣義燃煤成本的概念，即將以上正反共7個因素對發(fā)電成本的影響都折算到單位發(fā)電量上，作為評估劣質(zhì)煤配比影響電廠綜合成本的綜合指標。

不同煤種發(fā)熱量、成分構成等差異很大，且不同電廠的設計、運行、管理水平迥異，不可能獲得準確反映煤質(zhì)電廠成本影響的通用規(guī)律，因此本文進行了適當簡化，以一臺假想600MW燃煤機組為例定量分析煤質(zhì)對發(fā)電廠成本的影響。該機組的發(fā)電煤耗(設計煤種)如表1所示。

表1 機組的標準發(fā)電煤耗

假設機組有兩個煤種可供摻混(見表2)。為保證該方法的簡便和對不同電廠的通用性，在計算過程中僅考慮入廠煤價、低位發(fā)熱量、灰分和硫分等關鍵指標，未考慮揮發(fā)分的影響。

該機組對煙氣實施除塵和脫硫，產(chǎn)生灰渣和石膏分別運往灰場處理。未能有效脫除并排放的SO2需繳納排污費。

表2 兩個煤種的情況

1.1 燃料成本

燃煤煤質(zhì)對鍋爐效率有著直接的影響，并影響發(fā)電效率。鍋爐效率η與入爐煤熱值Qd的關系可以采用公式(1)計算［2］:

式中:q2、q3、q4、q5、q6為鍋爐的排煙損失、化學不完全燃燒損失、機械不完全燃燒損失、鍋爐散熱損失、其他熱損失;O2為 省煤器出口煙氣含氧量，%;θpy、θlk為鍋爐排煙溫度和參考溫度，℃;αfh、αlz為飛灰和爐渣分別占總入爐灰量的份額;Aar為煤收到基的灰分，%;Cfh、Clz為 飛灰含碳量和爐渣含碳量，%。qe為額定負荷下的鍋爐散熱損失;De、D為鍋爐的額定負荷和實際負荷。相關參數(shù)取值見表3。

表3 影響鍋爐效率的重要參數(shù)取值

在獲得某一工況下的鍋爐效率后，可以按照公式(2)計算實際發(fā)電標準煤耗:

式中:ca實際發(fā)電煤耗;cd設計發(fā)電煤耗;ηd設計鍋爐效率;ηa實際鍋爐效率。

計算了在100%～40%各負荷下機組煤耗隨煤種1配比x的變化規(guī)律，結果見圖1。從圖1可以看出，發(fā)電煤耗隨劣質(zhì)煤配比的增大而呈明顯的上升趨勢。

圖1 發(fā)電煤耗隨劣質(zhì)煤配比的變化規(guī)律

低負荷下鍋爐需投入助燃油，而且負荷越低，煤發(fā)熱量越低，助燃油量越大，所以增大劣質(zhì)煤配比會升高入爐標煤單價。表4為不同負荷下燃用不同煤種的助燃油量。

表4 不同負荷及煤種工況的鍋爐投油量 t/h

鍋爐的入爐標煤單價可用公式(3)計算:

式中:Pc，i，b入爐煤價;Pc，i，p入廠煤價;ICDTy場雜費;Qs標煤發(fā)熱量;Qmix混煤發(fā)熱量;Ly場損率;Di，b助燃油量;Poil油價;Lu機組負荷;cg發(fā)電煤耗。

機組單位發(fā)電量消耗燃料成本計算結果見圖2。盡管增大劣質(zhì)煤配比導致發(fā)電煤耗升高，但因劣質(zhì)煤價低反而使單位發(fā)電燃料成本有所降低，這也是近年來電廠紛紛增大劣質(zhì)煤配比的主要原因。

圖2 單位發(fā)電量燃料成本隨劣質(zhì)煤配比的變化規(guī)律

1.2 輸煤磨煤成本

輸煤和磨煤系統(tǒng)的原煤處理量直接與煤質(zhì)相關:煤越劣質(zhì)，輸煤和磨煤系統(tǒng)需處理的煤量越大，單位發(fā)電量的輸煤磨煤電耗及設備成本越高。表5給出該機組輸煤和磨煤系統(tǒng)的基本參數(shù)(原煤)。

表5 輸煤與磨煤系統(tǒng)的基本參數(shù)

單位發(fā)電量的輸煤磨煤電耗成本和設備維修成本計算方法見下式:

式中:cue，t/g單位發(fā)電量輸/磨煤電耗成本;cg單位發(fā)電煤耗;Qs為標煤發(fā)熱量;Qmix為混煤發(fā)熱量;Ce，t/g輸/磨煤系統(tǒng)生產(chǎn)單耗;Pe電價;coverhaul輸/磨煤系統(tǒng)大修成本;ct，g輸/磨煤系統(tǒng)最大出力;poverhaul輸/磨煤系統(tǒng)大修周期。電價按0.32元/(kW·h)的上網(wǎng)電價計。

分別計算不同負荷下單位發(fā)電量輸煤和磨煤成本(均含電耗和維修成本)隨劣質(zhì)煤配比x的變化，結果發(fā)現(xiàn)隨劣質(zhì)煤配比提高，單位輸煤和磨煤成本呈升高趨勢。但和燃料成本相比，這部分成本很小，對單位發(fā)電成本的影響也很小。

1.3 發(fā)電量損失成本

考慮成本，發(fā)電設備一般不會設計過高的容量裕度。因此隨劣質(zhì)煤配比增大，當原煤消耗量超過了磨煤輸煤設備的能力時，會產(chǎn)生電量損失及附加成本。發(fā)電量損失成本可以按照公式(5)進行計算。其中，度電邊際利潤按公式(6)計算。

計算了單位發(fā)電量損失成本隨劣質(zhì)煤配比x增大的規(guī)律，結果發(fā)現(xiàn)在100%和90%負荷下，輸磨煤系統(tǒng)已接近滿負荷運行，劣質(zhì)煤配比增大確實會導致發(fā)電量損失，并產(chǎn)生明顯的電量損失成本。在較低負荷時，輸磨煤裝置仍有容量冗余，因此劣質(zhì)煤配比增大不會導致發(fā)電量損失及成本。

式中:ctotal原煤總消耗量;ct，g輸磨煤系統(tǒng)最大出力; or機組額定出力;rload負荷率;pm，e單位發(fā)電量邊際利潤。其中，pm，e可按下式計算:

式中:cue，fuel單位燃料成本;cue，t/g單位發(fā)電量輸磨煤成本;cue，ar/ds單位發(fā)電量除灰/脫硫成本;cemi，SO2單位發(fā)電量排SO2成本。

1.4 除灰、脫硫費用

除灰費用主要包括除灰設備、電耗、運灰和灰場費用幾大部分。根據(jù)經(jīng)驗［3］，單位發(fā)電量對應的設備和電耗成本與煤質(zhì)關系不大，本文僅考慮了運灰和灰場費用。單位發(fā)電量運灰和灰場處理總成本可用公式(7)計算，相關參數(shù)如表6所示。計算了單位除灰成本隨劣質(zhì)煤配比x的變化規(guī)律。

表6 除灰成本計算的相關參數(shù)

式中:a煤種灰分;ηar除塵效率;ch灰渣加濕系數(shù); fash灰渣運費;d運輸距離;ey噸灰渣占用灰場成本。

脫硫成本主要包括設備、電耗、石灰石成本和石膏運費幾大部分。根據(jù)經(jīng)驗［3］，單位發(fā)電量對應的設備、電耗成本與煤質(zhì)關系不大，本文僅考慮了石灰石購買和石膏運費。單位發(fā)電量石灰石購買和石膏運費可按下式計算:

脫硫效率是考慮設備效率和設備投運率的綜合效率，S轉(zhuǎn)化比例是指煤中硫元素在爐中轉(zhuǎn)化為SO2的比例，鈣硫比是指為提高SO2吸收率而增大石灰石量的比例。相關參數(shù)如表7所示。計算了單位脫硫成本隨劣質(zhì)煤配比x增加的變化規(guī)律。結果發(fā)現(xiàn)，單位除灰和脫硫成本隨劣質(zhì)煤配比增大的趨勢也十分明顯，這會部分抵消劣質(zhì)煤的價格優(yōu)勢。

式中:S煤種硫分;rS，convS轉(zhuǎn)化效率;ηds脫硫效率; rCa/S鈣硫比;plime石灰石純度;fgyp石膏運費;d運距。

表7 單位發(fā)電量脫硫成本計算的相關參數(shù)

1.5 SO2排污繳費成本

根據(jù)政策，發(fā)電廠需對排放的SO2按照每噸600～1200元/tSO2繳納排污費。本文暫按照800元/tSO2計算。計算了不同負荷下單位SO2排污成本隨劣質(zhì)煤配比x的變化。結果發(fā)現(xiàn)SO2排污成本隨x的升高也十分明顯，不過量級較小，與前面4項相比對單位發(fā)電量綜合成本的影響幅度也不大。

2 單位發(fā)電量廣義燃煤成本

根據(jù)以上對于燃料品質(zhì)對發(fā)電廠成本影響因素的詳細分析，以及對單位發(fā)電量廣義燃煤成本G的定義，獲得了單位發(fā)電量廣義燃煤成本隨劣質(zhì)煤配比的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 單位發(fā)電量廣義燃煤成本隨劣質(zhì)煤配比的變化規(guī)律

從圖2可以看出，總體上增大劣質(zhì)煤配比對降低電廠綜合燃料成本有顯著效果，這說明劣質(zhì)煤的低價優(yōu)勢，與煤質(zhì)下降導致的燃油、輸磨煤、電量損失、除灰脫硫成本以及排污繳費升高相比都更顯著。不過，劣質(zhì)煤配比并不總是越低越好。在高負荷率下，劣質(zhì)煤配比過大可能會因設備容量限制導致電量損失成本，并一定程度抵消劣質(zhì)煤的價格優(yōu)勢，所以在100%和90%負荷下，劣質(zhì)煤的最佳配比分別是70%和90%。而在低負荷率下，劣質(zhì)煤配比過大又會增加投油成本，抵消劣質(zhì)煤的價格優(yōu)勢，所以在40%負荷下劣質(zhì)煤的最佳配比是80%。因此綜合來看，總體說增大劣質(zhì)煤配比有助于降低電廠的綜合成本，但當機組負荷處于很高和很低范圍時，需要適當控制劣質(zhì)煤配比，以免產(chǎn)生過高的電量損失或投油成本。

3 結語

針對燃煤電廠煤源日益多元化、低品質(zhì)煤源比重不斷提高的現(xiàn)狀，定義了單位發(fā)電量廣義燃煤成本的概念，建立了評估入爐煤品質(zhì)和價格對發(fā)電廠成本影響的定量計算方法，結合案例對該方法的具體工作思想進行了解釋，并進一步詳細分析了計算結果體現(xiàn)出的規(guī)律性。該方法及相應的自動計算程序能夠為面臨巨大燃料成本壓力和多樣化煤源選擇的發(fā)電廠確定最優(yōu)配煤摻燒方案、提高經(jīng)濟效益提供十分有益的參考。

［1］中電聯(lián)統(tǒng)計信息部.全國電力工業(yè)統(tǒng)計快報(2011年).2012 01.13［cited 2012 08.28］;Available from:http://tj.cec.org.cn/ tongji/niandushuju/2012－01－13/78769.html.2012－01－13.

［2］李智，蔡九菊，曹福毅，等.電站鍋爐效率在線計算方法［J］.節(jié)能，2005(3):28－29.

［3］熊友輝，孫學信，煤質(zhì)特性對電站發(fā)電成本的影響［J］.河北電力技術，1999，18(6):6－10.

［4］林介團.電廠燃煤混配模型的建立及分析［J］.廣東電力，2008，21(4):25－27，31.

［5］滕飛，楊洪波.火電廠摻燒非設計煤種的經(jīng)濟性分析［J］.熱電技術，2011(3):14－16.

［6］崔余平.火電廠配煤摻燒運行管理及技術措施［J］.電力安全技術，2012(3):13－16.

Quantitative analysis and optimization ofmixing ratio power coal on comprehensive cost of coal－fired power plants

Considering the trend that coa lsources become more and more com p licated and low－grade coal ratio keeps increasing，to rationally determ ine the m ixing ratios of different types of coal，especially the low－grade ones，help achieve the op tim al com prehensive econom ica l benefits，is definitely a critically im portant work for the existing coal－fired power p lants.It studied the impacts of grades and prices of as－fired coal on fuel cost and operational＆maintenance cost of power plants，and built a quantitative computing method to assess the impact of as－fired coalon the com prehensive cost of power plants，w ith generalized coal cost per unit power generation w ith key index.Thismethod can provide good reference for the enormous existing coal－fired power p lants to determ ine the bestm ixing ratio and increase the com prehensive revenue of power p lants.

coalm ixing;m ixing ratio;optim ization;com prehensive fuel cost

TM621

:B

:1674－8069(2016)01－050－04

2015-11-20;

:2015-12-02

李文學(1966-)，男，甘肅省人，教授級高級工程師，長期從事發(fā)電廠安全生產(chǎn)、運行、檢修及經(jīng)營管理等工作。E－mail: zhangdj@600795.com.cn