李文學(xué)，張東杰，黃宣，王江湖

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

配煤摻燒比對(duì)發(fā)電廠綜合成本影響的定量分析和優(yōu)化計(jì)算

李文學(xué)1，張東杰2，黃宣1，王江湖2

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

針對(duì)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(shí)現(xiàn)最佳綜合效益對(duì)電廠意義重大。探討了入爐煤品質(zhì)和價(jià)格對(duì)于電廠各方面費(fèi)用的影響，并以單位發(fā)電量廣義燃煤成本為指標(biāo)建立了評(píng)估入爐煤對(duì)發(fā)電廠綜合成本影響的定量計(jì)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(gòu)成

增大劣質(zhì)煤的配比會(huì)顯著降低入爐煤的品質(zhì)，這對(duì)電廠成本有正反兩方面影響。一方面，首先，會(huì)降低鍋爐效率，提高煤耗;其次，會(huì)增大低負(fù)荷下的投油量，提高入爐煤價(jià);再次，煤質(zhì)下降和耗煤量增大會(huì)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(guò)了輸煤磨煤系統(tǒng)出力限制，則煤質(zhì)下降還會(huì)導(dǎo)致一定電量損失;第五，煤質(zhì)下降伴隨著灰硫分的升高，對(duì)應(yīng)的灰渣和SO2處理費(fèi)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(huì)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(gè)因素對(duì)發(fā)電成本的影響都折算到單位發(fā)電量上，作為評(píng)估劣質(zhì)煤配比影響電廠綜合成本的綜合指標(biāo)。

不同煤種發(fā)熱量、成分構(gòu)成等差異很大，且不同電廠的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理水平迥異，不可能獲得準(zhǔn)確反映煤質(zhì)電廠成本影響的通用規(guī)律，因此本文進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，以一臺(tái)假想600MW燃煤機(jī)組為例定量分析煤質(zhì)對(duì)發(fā)電廠成本的影響。該機(jī)組的發(fā)電煤耗(設(shè)計(jì)煤種)如表1所示。

表1 機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電煤耗

假設(shè)機(jī)組有兩個(gè)煤種可供摻混(見(jiàn)表2)。為保證該方法的簡(jiǎn)便和對(duì)不同電廠的通用性，在計(jì)算過(guò)程中僅考慮入廠煤價(jià)、低位發(fā)熱量、灰分和硫分等關(guān)鍵指標(biāo)，未考慮揮發(fā)分的影響。

該機(jī)組對(duì)煙氣實(shí)施除塵和脫硫，產(chǎn)生灰渣和石膏分別運(yùn)往灰場(chǎng)處理。未能有效脫除并排放的SO2需繳納排污費(fèi)。

表2 兩個(gè)煤種的情況

1.1 燃料成本

燃煤煤質(zhì)對(duì)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(guān)系可以采用公式(1)計(jì)算［2］:

式中:q2、q3、q4、q5、q6為鍋爐的排煙損失、化學(xué)不完全燃燒損失、機(jī)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?cè)霠t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(fù)荷下的鍋爐散熱損失;De、D為鍋爐的額定負(fù)荷和實(shí)際負(fù)荷。相關(guān)參數(shù)取值見(jiàn)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(jì)算實(shí)際發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗:

式中:ca實(shí)際發(fā)電煤耗;cd設(shè)計(jì)發(fā)電煤耗;ηd設(shè)計(jì)鍋爐效率;ηa實(shí)際鍋爐效率。

計(jì)算了在100%～40%各負(fù)荷下機(jī)組煤耗隨煤種1配比x的變化規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)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(shì)。

圖1 發(fā)電煤耗隨劣質(zhì)煤配比的變化規(guī)律

低負(fù)荷下鍋爐需投入助燃油，而且負(fù)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(huì)升高入爐標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)。表4為不同負(fù)荷下燃用不同煤種的助燃油量。

表4 不同負(fù)荷及煤種工況的鍋爐投油量 t/h

鍋爐的入爐標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)可用公式(3)計(jì)算:

式中:Pc，i，b入爐煤價(jià);Pc，i，p入廠煤價(jià);ICDTy場(chǎng)雜費(fèi);Qs標(biāo)煤發(fā)熱量;Qmix混煤發(fā)熱量;Ly場(chǎng)損率;Di，b助燃油量;Poil油價(jià);Lu機(jī)組負(fù)荷;cg發(fā)電煤耗。

機(jī)組單位發(fā)電量消耗燃料成本計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。盡管增大劣質(zhì)煤配比導(dǎo)致發(fā)電煤耗升高，但因劣質(zhì)煤價(jià)低反而使單位發(fā)電燃料成本有所降低，這也是近年來(lái)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(guān):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(shè)備成本越高。表5給出該機(jī)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(shè)備維修成本計(jì)算方法見(jiàn)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(biāo)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(jià);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(jià)按0.32元/(kW·h)的上網(wǎng)電價(jià)計(jì)。

分別計(jì)算不同負(fù)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(jié)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(shì)。但和燃料成本相比，這部分成本很小，對(duì)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(shè)備一般不會(huì)設(shè)計(jì)過(guò)高的容量裕度。因此隨劣質(zhì)煤配比增大，當(dāng)原煤消耗量超過(guò)了磨煤輸煤設(shè)備的能力時(shí)，會(huì)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(jìn)行計(jì)算。其中，度電邊際利潤(rùn)按公式(6)計(jì)算。

計(jì)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(jié)果發(fā)現(xiàn)在100%和90%負(fù)荷下，輸磨煤系統(tǒng)已接近滿負(fù)荷運(yùn)行，劣質(zhì)煤配比增大確實(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)電量損失，并產(chǎn)生明顯的電量損失成本。在較低負(fù)荷時(shí)，輸磨煤裝置仍有容量冗余，因此劣質(zhì)煤配比增大不會(huì)導(dǎo)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(jī)組額定出力;rload負(fù)荷率;pm，e單位發(fā)電量邊際利潤(rùn)。其中，pm，e可按下式計(jì)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(fèi)用

除灰費(fèi)用主要包括除灰設(shè)備、電耗、運(yùn)灰和灰場(chǎng)費(fèi)用幾大部分。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)［3］，單位發(fā)電量對(duì)應(yīng)的設(shè)備和電耗成本與煤質(zhì)關(guān)系不大，本文僅考慮了運(yùn)灰和灰場(chǎng)費(fèi)用。單位發(fā)電量運(yùn)灰和灰場(chǎng)處理總成本可用公式(7)計(jì)算，相關(guān)參數(shù)如表6所示。計(jì)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(jì)算的相關(guān)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(yùn)費(fèi);d運(yùn)輸距離;ey噸灰渣占用灰場(chǎng)成本。

脫硫成本主要包括設(shè)備、電耗、石灰石成本和石膏運(yùn)費(fèi)幾大部分。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)［3］，單位發(fā)電量對(duì)應(yīng)的設(shè)備、電耗成本與煤質(zhì)關(guān)系不大，本文僅考慮了石灰石購(gòu)買和石膏運(yùn)費(fèi)。單位發(fā)電量石灰石購(gòu)買和石膏運(yùn)費(fèi)可按下式計(jì)算:

脫硫效率是考慮設(shè)備效率和設(shè)備投運(yùn)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(guān)參數(shù)如表7所示。計(jì)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(jié)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(shì)也十分明顯，這會(huì)部分抵消劣質(zhì)煤的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

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(yùn)費(fèi);d運(yùn)距。

表7 單位發(fā)電量脫硫成本計(jì)算的相關(guān)參數(shù)

1.5 SO2排污繳費(fèi)成本

根據(jù)政策，發(fā)電廠需對(duì)排放的SO2按照每噸600～1200元/tSO2繳納排污費(fèi)。本文暫按照800元/tSO2計(jì)算。計(jì)算了不同負(fù)荷下單位SO2排污成本隨劣質(zhì)煤配比x的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)SO2排污成本隨x的升高也十分明顯，不過(guò)量級(jí)較小，與前面4項(xiàng)相比對(duì)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(duì)于燃料品質(zhì)對(duì)發(fā)電廠成本影響因素的詳細(xì)分析，以及對(duì)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(duì)降低電廠綜合燃料成本有顯著效果，這說(shuō)明劣質(zhì)煤的低價(jià)優(yōu)勢(shì)，與煤質(zhì)下降導(dǎo)致的燃油、輸磨煤、電量損失、除灰脫硫成本以及排污繳費(fèi)升高相比都更顯著。不過(guò)，劣質(zhì)煤配比并不總是越低越好。在高負(fù)荷率下，劣質(zhì)煤配比過(guò)大可能會(huì)因設(shè)備容量限制導(dǎo)致電量損失成本，并一定程度抵消劣質(zhì)煤的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，所以在100%和90%負(fù)荷下，劣質(zhì)煤的最佳配比分別是70%和90%。而在低負(fù)荷率下，劣質(zhì)煤配比過(guò)大又會(huì)增加投油成本，抵消劣質(zhì)煤的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，所以在40%負(fù)荷下劣質(zhì)煤的最佳配比是80%。因此綜合來(lái)看，總體說(shuō)增大劣質(zhì)煤配比有助于降低電廠的綜合成本，但當(dāng)機(jī)組負(fù)荷處于很高和很低范圍時(shí)，需要適當(dāng)控制劣質(zhì)煤配比，以免產(chǎn)生過(guò)高的電量損失或投油成本。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)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(píng)估入爐煤品質(zhì)和價(jià)格對(duì)發(fā)電廠成本影響的定量計(jì)算方法，結(jié)合案例對(duì)該方法的具體工作思想進(jìn)行了解釋，并進(jìn)一步詳細(xì)分析了計(jì)算結(jié)果體現(xiàn)出的規(guī)律性。該方法及相應(yīng)的自動(dòng)計(jì)算程序能夠?yàn)槊媾R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(jì)效益提供十分有益的參考。

［1］中電聯(lián)統(tǒng)計(jì)信息部.全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)快報(bào)(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(jì)算方法［J］.節(jié)能，2005(3):28－29.

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

［4］林介團(tuán).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(shè)計(jì)煤種的經(jīng)濟(jì)性分析［J］.熱電技術(shù)，2011(3):14－16.

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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(xué)(1966-)，男，甘肅省人，教授級(jí)高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事發(fā)電廠安全生產(chǎn)、運(yùn)行、檢修及經(jīng)營(yíng)管理等工作。E－mail: zhangdj@600795.com.cn