火電廠燃煤摻燒經濟性邊界分析研究

金生祥

(北京能源集團有限責任公司， 北京 100022)

隨著電力體制機制改革加快推進，市場環境發生重大變化，煤電市場從“市場煤、計劃電”向“市場煤、市場電”轉變。在目前“年度固定量+月度指數定價”的煤炭定價模式和市場交易電價下降的情況下，煤電企業利潤進一步壓縮，同時火電機組利用小時數下降，導致發電邊際成本持續上漲。

面對煤電行業經營困難局面，部分煤電企業實施低熱值煤的配煤摻燒工作。煤電企業通過配煤摻燒有效降低了燃料成本，但隨之帶來了機組經濟指標的劣化，供電煤耗、廠用電率、生產維護成本、灰渣處置費升高等一系列問題。

國家對動力配煤以及鍋爐用煤技術條件均發布了相關的指導性文件[1]和技術規范[2]，國內各發電集團和煤電企業均制定燃煤摻燒的相關規定，同時國內相關人員對燃煤摻燒技術的安全性和經濟性等方面也做了大量的研究分析工作，特別是在動力煤處于高價位時，關于煤電企業燃煤摻燒的研究更為活躍。

根據目前國內關于燃煤摻燒的研究論述內容，筆者主要在以下五個方面進行了分析研究：

(1) 關于保障機組燃煤摻燒安全經濟運行的技術分析，分享了不同煤種摻燒的具體措施和經驗，強調了燃煤摻燒在降低煤電企業燃料成本的積極作用[3]。

(2) 對燃煤摻燒過程中購煤、運輸、運行、環保排放、熱值損失等環節成本分析建立模型，在滿足鍋爐安全運行和燃燒效率下降不大的情況下，采取總成本最小化原則指導摻燒工作[4]。

(3) 分析不同比例燃煤摻燒時機組經濟指標和成本變化范圍，綜合考慮燃料采購成本、發電煤耗、廠用電率、鍋爐效率、污染物排放控制費和檢修費等以確定綜合發電成本和利潤[5-6]。

(4) 研究分析大差別熱力特性煤種摻燒經濟性的分析方法[7]。

(5) 關于電廠燃料管理和優化配煤軟件系統的開發和應用[8-9]。

在目前燃煤摻燒的研究基礎上，筆者對煤炭價格、鍋爐效率、燃煤水分、燃煤灰分、廠用電率、環保排放控制、煤場管理、灰渣處置、設備檢修等成本變化因素進行綜合分析，將復雜成本變化因素的關系表達轉換為以低位熱值為變量的簡單實用變化關系，最終通過分析研究獲得燃煤摻燒的經濟性邊界以及最大摻燒收益熱值確定的方法和模型，更好地指導燃煤摻燒工作。

1 燃煤摻燒經濟性影響因素

1.1 煤炭價格

燃料成本約占煤電企業生產經營成本的70%～80%。從2011年進入“十二五”時期，隨著煤炭價格的回落，電力行業利潤總額逐年提升。根據國家統計局數據， 2015年火電行業利潤實現新高，見圖1，BSPI(Bohai-Rim Steam-Coal Price Index)-23 017.5 kJ表示以收到基低位熱值23 017.5 kJ為代表規格的動力煤環渤海價格指數。

圖1 煤炭價格變化和行業利潤

從2016年進入“十三五”時期，隨著煤炭價格急劇上漲，燃料成本大幅上升，利用小時數持續下降，火電行業利潤也急劇下降。燃料成本上漲成為了2017年煤電減利的最主要因素。

某煤電企業配置循環流化床機組，根據2015年到2017年該發電企業電價、燃料成本、利潤的統計數據，以及國內煤炭價格指數的變化情況，煤炭價格從2016年初最低位開始攀升，2017年中期處于比較平穩的中高價位，燃料成本快速增長，電價降低19%，企業利潤從盈余轉為虧損，見圖2。

圖2 某煤電企業生產經營情況

與全國火電行業相比，隨著煤炭價格上漲和電價下調，部分煤電企業利潤變化更加敏感，在2016年第二季度開始，該發電企業利潤已轉為虧損。在減利因素中，2016年標煤單價上升的影響占到25%，電價下降的影響占到48%；2017年為標煤單價上升的影響占52%，電價下降的影響占40%。

1.2 燃煤熱值

隨著電力行業煤電裝機的快速發展及嚴峻經營形勢下多煤種摻燒的普及，部分煤電企業動力煤資源的供應很難保障燃用單一礦區或單一煤種燃煤。鍋爐燃用非設計煤種的情況普遍存在。因此，筆者將燃煤熱值作為變量來表征燃料成本和生產成本的變化關系。

當前煤電行業經營形勢下，標煤單價過高是制約發電企業效益水平的最主要因素。為了減輕煤價上漲對企業利潤的影響，部分企業加強了低熱值煤摻燒工作。根據燃用煤種到廠煤炭價格的折卡價(或折算標煤單價)及標煤用量得出燃料成本摻燒收益與煤種熱值的函數關系式為：

Crlsy,Q=(psj-pQ)·Mb

(1)

式中：Crlsy,Q為燃料成本摻燒收益，萬元；psj為設計熱值對應的標煤單價，元/t；pQ為不同熱值(摻燒比例)對應綜合標煤單價，元/t；Mb為發電量(或計劃電量)對應標煤量，萬t；Q為收到基低位熱值，kJ/kg。

從式(1)可以看出：pQ越小，Crlsy,Q越大。pQ由煤炭市場價格和煤種摻燒比例等因素決定。該發電企業通過摻燒非設計的低熱值煤降低了企業的綜合標煤單價pQ，以設計熱值為基準，不同熱值的燃料成本摻燒收益見圖3。

圖3 燃煤熱值與燃料成本的變化關系

該發電企業入廠煤主要分為兩類，主煤種為長協大礦煤，另一種為企業周邊的市場煤。2015年和2017年全廠綜合標煤單價分別為167.13元/t和388.77元/t。長協大礦煤和市場煤的差價2015年為40元/t，2017年為51元/t。根據實際摻燒數據，確定長協大礦煤和市場煤摻配后的熱值以及相對設計熱值的燃料成本摻燒收益。

從圖3可以看出：(1)熱值越低，摻燒收益越大，即增加低熱值煤的摻燒比例，會取得更大的摻燒收益；(2)煤價越高，摻燒低熱值煤取得的收益越大，即同樣熱值(摻燒比例)下，2017年降低燃煤成本摻燒收益要大于2015年。

1.3 生產成本變化

非設計的低熱值煤摻燒往往引起鍋爐效率下降、廠用電率升高等主要經濟技術指標劣化，以及雙細則考核，發電計劃、調峰性能考核，灰渣處置費，環保排放控制費，檢修及設備磨損等費用增加，造成生產成本升高。

1.3.1 運行檢修費用

在煤炭工業分析指標中，水分、灰分對電站鍋爐運行經濟性影響較大。該發電企業設計煤種和燃用煤種的熱值、水分和灰分見表1。

表1 燃煤熱值、水分和灰分

該發電企業燃用非設計煤種期間，其環保排放控制、煤場管理、灰渣處置、設備檢修等環節發生費用情況見表2。

表2 運行檢修年費用 萬元

表2中煤場管理費、輸煤系統清堵人工費、輸煤給煤系統防堵技改折舊費的增加主要與燃煤水分的增加有關；環保排放控制費(灰分增加引起床溫升高，導致鈣硫比增加)、雙細則考核、灰渣處置費、輸煤排渣設備檢修費以及鍋爐本體檢修費的增加主要與燃煤灰分增加有關。

根據統計分析，同一礦區不同煤質低位熱值與全水分和灰分比例呈線性關系，對于不同礦區不同煤種，煤炭低位熱值與煤炭的全水分和灰分含量負相關[10]。根據燃煤低位熱值、灰分和水分關系的相關研究成果，煤質水分和灰分變化引起的熱值變化量為[11]：

ΔQnet,ar=-(aΔw(Ad)+bΔw(Mar))

(2)

式中：ΔQnet,ar為水分或灰分變化引起的收到基低位熱值變化量，kJ/kg；Δw(Ad)為干燥基灰分變化量，%；a為比例系數，表示灰分每增減1%，干燥無灰基低位熱值變化值，a=Qnet,daf/100；Δw(Mar)為收到基水分變化量，%；b為比例系數，表示水分每增減1%，干燥無灰基低位熱值變化值，b=Qnet,daf/100+0.023。

根據表2數據、煤質分析數據、基準轉換系數，以及式(2)中灰分、水分與熱值折算關系，煤質水分相關的運行檢修年費用計算見式(3)～式(4)，灰分相關的運行檢修年費用計算見式(5)～式(6)，機組運行檢修年費用變化的熱值表達見式(7)。

kΔw(Mar)=C2,3,4/(b·Δw(Mar,max))

(3)

CΔw(Mar,Q)=kΔw(Mar)(Qnet,ar,sj-Q)

(4)

kΔw(Aar)=C1,5,6,7,8/(a·Δw(Aar,max))

(5)

CΔw(Aar,Q)=kΔw(Aar)(Qnet,ar,sj-Q)

(6)

Cyj,Q=CΔw(Mar,Q)+CΔw(Aar,Q)

(7)

式中：kΔw(Mar)為比例系數，表示燃煤水分變化對應單位熱值成本變化量；C2,3,4為表2中2、3、4項目中的成本費用，萬元；Δw(Mar,max)為燃用煤種水分與設計值最大偏差值，根據表1取值為6.6%；kΔw(Aar)為比例系數，表示燃煤灰分變化對應的單位熱值成本變化量；C1,5,6,7,8為表2中1、5、6、7、8項目中的成本費用，萬元；Δw(Aar,max)為燃用煤種灰分與設計值最大偏差值，根據表1取值為3.4%；Qnet,ar,sj為設計煤種低位熱值，根據表1取值為13 684 kJ/kg；CΔw(Mar,Q)為煤種水分變化對應的運行檢修費用，是煤種熱值變化的函數，萬元；CΔw(Aar,Q)為煤種灰分變化對應的運行檢修費用，是煤種熱值變化的函數，萬元；Cyj,Q為煤種水分和灰分變化對應的運行檢修費用變化量，是煤種熱值變化的函數，萬元。

利用煤質水分和灰分與熱值對應關系，將水分和灰分偏離設計值引起的成本變化變換為煤質低位熱值的函數。式(3)～(6)中的比例系數kΔw(Mar)和kΔw(Aar)將成本、水分、灰分和低位熱值結合起來，并實現了生產成本與熱值的函數變換。根據式(7)計算得到不同熱值對應的成本增量，以及不同熱值對應的灰分和水分相對設計值的變化量，其水分和灰分變化引起的費用變化關系見圖4。

圖4 運行檢修費用與熱值變化關系

從圖4可以看出：當燃煤熱值高于設計熱值時，生產成本的上升主要由水分的增加引起。燃煤熱值低于設計熱值時，水分和灰分的增加共同造成了生產成本的上升，而且隨著灰分的增加，運行檢修費增長較快。

1.3.2 運行經濟性

非設計低熱值煤摻燒會引起經濟指標和經營成本的變化，燃煤熱值、灰分、水分等指標的變化會造成鍋爐效率、廠用電率的變化。鍋爐效率變化以設計效率為基準，廠用電率的變化以鍋爐燃用設計煤的廠用電率為基準，廠用電率統計包括鍋爐風機、輸煤系統、除灰、脫硫等系統電耗。根據近幾年生產數據統計，不同燃煤熱值對應的鍋爐效率和廠用電率變化見圖5。

圖5 鍋爐效率和廠用電率與燃煤熱值關系

從圖5可以看出：隨著低熱值煤摻燒比例增加，燃煤熱值降低，鍋爐效率下降，廠用電率升高，煤耗增加，供電成本上升。

根據燃煤發電機組鍋爐效率變化引起的煤耗變化見式(8)[12-13]，不同熱值的煤價和上網電價確定鍋爐效率變化和廠用電率變化對應的運行成本計算見式(9)～式(10)。

(8)

CΔη,gl,Q=Δbgl,Q×Wf×pQ×10-6

(9)

CΔLcy,Q=ΔLcy,Q×Wf×pe×10-2

(10)

式(8)～(10)中鍋爐效率、廠用電率隨熱值的變化均根據近年來不同熱值不同工況下的生產統計和試驗數據，經過數據歸納和擬合，鍋爐效率變化造成的煤耗成本變化及廠用電率變化導致的供電成本變化與燃煤熱值的關系見圖6。

從圖6可以看出：隨著低熱值煤摻燒量的增加，經濟指標劣化，機組運行成本相應升高。在燃煤熱值低于設計熱值的區間，煤耗成本增長較快。

圖6 鍋爐效率和廠用電率變化對應成本

1.3.3 生產成本與燃煤熱值變化分析

非設計低熱值燃煤摻燒降低了煤電企業燃料成本，在燃煤熱值降低，水分和灰分升高的復雜因素下，鍋爐本體以及輔助系統的運行工況與設計出現較大偏差，造成了生產成本的上升。因此，燃煤摻燒需要結合生產成本進行綜合定量分析，才能有效指導摻燒工作。

將該企業燃煤摻燒增加的運行檢修費用和經濟技術指標劣化增加的成本綜合得到生產成本Csccb,Q與燃煤熱值變化關系：

Csccb,Q=Cyj,Q+CΔη,gl,Q+CΔLcy,Q

(11)

根據式(11)計算數據，生產成本與燃煤熱值關系見圖7。

從圖7可以看出：因為煤電企業目前周邊采購煤種的水分均高于設計煤種水分，其在煤場和輸煤系統均有治堵防堵費用的增加，因此生產成本的增加以治堵防堵費為起點，隨著低熱值煤摻燒比例的增加，熱值降低，生產成本升高。在12 555 kJ/kg熱值區域，煤質灰分和水分的共同作用，加速了鍋爐及輔助系統經濟性的劣化，生產成本急劇上升。

2 燃煤摻燒經濟性邊界

僅從降低燃料成本的角度講，低熱值燃煤摻燒的收益是顯而易見的，而且隨著熱值降低，摻燒量的增加，其收益更大。從燃煤摻燒經濟性綜合定量分析，燃煤摻燒存在經濟性邊界。根據式(1)和式(11)可確定燃煤摻燒的經濟性邊界：

ΔCQ=Crlsy,Q-Csccb,Q

(12)

式中：ΔCQ為某摻燒比例下，燃料成本摻燒收益與生產成本差值，萬元。

從式(12)可以看出：當ΔCQ大于0時，燃料成本收益大于生產成本，燃煤摻燒取得了收益；當ΔCQ等于0時，燃料成本收益與生產成本持平，燃煤摻燒收益為零；當ΔCQ小于0時，燃料成本收益被抵消，生產成本增加，反而出現虧損。

一般情況下，燃料成本的摻燒收益隨著摻燒量的增加而提高，生產成本亦隨著摻燒量的增加而上升，兩者不同的變化趨勢會產生交點，并包圍形成一個摻燒經濟收益區域，見圖8。

圖8 燃煤摻燒的成本與收益

從圖8可以看出：

(1) 低熱值煤達到一定摻燒量后，降低燃料成本取得的經濟收益抵消增加的生產成本后，即越過熱值邊界A，低熱值煤摻燒的經濟收益才可能有所顯現。

(2) 隨著低熱值煤摻燒量的增加，燃用煤綜合熱值降低，水分和灰分份額增加，生產成本上升。當生產成本增加量超過燃料成本的收益時，即越過熱值邊界B，增加低熱值煤的摻燒量已經不存在經濟收益，反而增加電廠運營成本。

(3) 熱值邊界A和B之間存在一個最大摻燒收益的熱值，在此熱值附近區域可獲得較高摻燒收益。

3 煤炭價格對摻燒經濟性邊界的影響

如上所述，煤炭價格的變化對煤電企業燃料成本和生產成本均有影響；同樣，煤炭價格對摻燒經濟性邊界也存在一定的影響。根據該煤電企業2015年和2017年的標煤單價，煤炭價格對摻燒經濟性邊界的影響見圖9。

圖9 煤炭價格對摻燒經濟性邊界的影響

從圖9可以看出：

(1) 隨著煤炭價格上漲，燃料成本收益和生產成本上升幅度均有所增加，熱值邊界外延，即低熱值煤摻燒收益熱值邊界更寬(邊界B)。

(2) 隨著煤炭價格上漲，低熱值煤摻燒收益區域有所擴大，即煤炭價格越高，低熱值煤摻燒收益更大。

(3) 隨著煤炭價格上漲，最大摻燒收益有所增加，2015年為330萬元，2017年為450萬元。

4 結語

通過對煤電企業低熱值燃煤摻燒經濟性邊界的分析研究，明確了煤炭價格對煤電企業利潤的顯著影響，綜合定量分析了低熱值煤摻燒過程中煤電企業生產成本的變化因素，獲得燃煤摻燒中燃料成本和生產成本與熱值的變化關系，提出燃煤摻燒經濟性邊界的概念以及分析方法，將燃煤熱值作為變量進行摻燒經濟性邊界的應用分析，能有效地指導煤電企業的配煤摻燒工作。

需要強調的是：

(1) 以設計熱值為基準確定燃煤摻燒經濟性邊界和最大摻燒收益熱值的新分析方法能有效指導摻燒工作，但燃煤摻燒取得的收益在縮小煤炭價格上漲和電價下降造成的煤電企業減利幅度上只能發揮一定的積極作用，作用的大小與煤電市場的變化息息相關。

(2) 煤炭價格、電價、燃煤熱力特性、系統配置不一樣，各發電企業燃煤摻燒經濟性邊界和最大摻燒收益熱值的差異也較大。因此，發電企業根據企業特點和煤電市場變化情況對燃煤摻燒經濟性邊界和最大摻燒收益熱值進行適當調整，才能有效指導配煤摻燒工作。

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