輔助配煤決策系統(tǒng)在白城發(fā)電廠的探索與應(yīng)用

康英哲，蔣歡春，趙志文，吳瓊，李磊，吳哲，卞韶帥

輔助配煤決策系統(tǒng)在白城發(fā)電廠的探索與應(yīng)用

康英哲1，蔣歡春2，趙志文3，吳瓊3，李磊3，吳哲3，卞韶帥2

（1.吉林電力股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.上海明華電力科技有限公司，上海 200090； 3.吉電股份白城發(fā)電有限公司，吉林 白城 137000）

為解決火電機(jī)組煤炭資源的供應(yīng)形勢(shì)復(fù)雜、煤炭?jī)r(jià)格多變、設(shè)計(jì)煤種難以保質(zhì)保量等諸多問(wèn)題，吉電股份白城電廠通過(guò)摻燒煤的方式實(shí)現(xiàn)降低發(fā)電成本的目標(biāo)。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，也經(jīng)常會(huì)遇到不同煤種摻燒比例下的混煤參數(shù)變化對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行和環(huán)保排放影響不確定性增加、無(wú)法定量分析等問(wèn)題，采取人工手段進(jìn)行配煤管理有很大的局限性。通過(guò)開(kāi)發(fā)一套輔助配煤決策系統(tǒng)，依托計(jì)算機(jī)工具，同時(shí)以智能算法為核心，結(jié)合廠里當(dāng)前的配煤情況，設(shè)計(jì)相關(guān)功能，最終優(yōu)化電廠配煤方式。

火電機(jī)組；燃煤摻燒；運(yùn)行優(yōu)化；環(huán)保排放

當(dāng)前，煤炭資源的供應(yīng)形勢(shì)復(fù)雜，其價(jià)格變化多端。設(shè)計(jì)煤種難以保質(zhì)保量，發(fā)電企業(yè)通常采用摻配其他煤種的方式來(lái)應(yīng)對(duì)。煤價(jià)的變化對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)產(chǎn)生直接影響，但煤質(zhì)的變化亦會(huì)對(duì)機(jī)組的正常運(yùn)行和環(huán)保排放造成較大影響。吉電股份白城發(fā)電有限公司兩臺(tái)660 MW燃煤機(jī)組自投產(chǎn)以來(lái)，受?chē)?guó)內(nèi)燃煤市場(chǎng)的影響，大量燃用了一些替代煤種。因此，在摻燒其他煤種的過(guò)程中，如何根據(jù)煤種與自身爐型特點(diǎn)合理調(diào)整運(yùn)行方式，清晰地了解當(dāng)前配煤方案對(duì)供電煤耗、各項(xiàng)供電成本及環(huán)保指標(biāo)的影響，對(duì)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和電廠整體效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本課題通過(guò)研究和開(kāi)發(fā)輔助配煤決策系統(tǒng)，結(jié)合當(dāng)前電廠實(shí)際配煤情況設(shè)計(jì)相關(guān)功能，最終優(yōu)化電廠配煤方式。

1 原煤數(shù)據(jù)管理設(shè)計(jì)

1.1 煤種堆放情況（存量、位置、顯示貨位圖）

根據(jù)白城發(fā)電廠煤場(chǎng)區(qū)域分布、劃分情況，同時(shí)系統(tǒng)還考慮到電廠有時(shí)會(huì)有未卸載到煤場(chǎng)直接進(jìn)行摻燒的情況，在煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義了直加倉(cāng)煤源數(shù)據(jù)。各煤場(chǎng)的煤種數(shù)據(jù)主要包含了煤種名稱(chēng)、揮發(fā)分、低位發(fā)熱量、水分、硫分、灰分、灰熔點(diǎn)、單價(jià)、存量等數(shù)據(jù)類(lèi)型。煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)每天需要電廠專(zhuān)人定時(shí)進(jìn)行更新維護(hù)。

1.2 原煤特性分析

結(jié)合原煤工業(yè)分析、元素分析、酸堿比、灰熔點(diǎn)等參數(shù)預(yù)測(cè)煤種的著火指數(shù)、穩(wěn)燃指數(shù)、燃盡指數(shù)、可磨指數(shù)、結(jié)渣指數(shù)、環(huán)保指數(shù)等特性。

1.3 煤場(chǎng)貨位圖數(shù)字化管理

對(duì)于煤場(chǎng)貨位圖，采用線下修改、線上上傳的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。每天上傳上煤場(chǎng)當(dāng)日貨位圖（Excel格式），新上傳的會(huì)覆蓋當(dāng)天的煤場(chǎng)貨位圖，如圖1所示。

點(diǎn)擊下載按鈕后預(yù)覽相關(guān)Excel表格，如圖2所示。

圖1 煤場(chǎng)當(dāng)日貨位圖

2 日常摻燒運(yùn)行管理

2.1 上煤指導(dǎo)書(shū)數(shù)字化管理

通過(guò)開(kāi)發(fā)上煤指導(dǎo)書(shū)數(shù)字化管理模塊，幫助配煤人員快速準(zhǔn)確地獲知當(dāng)前存煤情況以及對(duì)當(dāng)天的配煤情況進(jìn)行分析和決策，進(jìn)一步提高配煤的工作效率。提供人工配煤界面，自動(dòng)生成混煤工業(yè)分析參數(shù)，對(duì)混煤硫分、熱值等進(jìn)行越限告警，調(diào)整后最終生成上煤指導(dǎo)書(shū)，可生成word格式的電子化表格。同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)上煤指導(dǎo)書(shū)審批流程的管理，對(duì)生成的上煤指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行審批流程管理。

2.2 入爐煤煤價(jià)實(shí)時(shí)計(jì)算

根據(jù)上煤指導(dǎo)書(shū)，結(jié)合當(dāng)前的入爐煤量情況，實(shí)時(shí)計(jì)算爐煤煤價(jià)。入爐煤價(jià)實(shí)時(shí)計(jì)算的依據(jù)是配煤指導(dǎo)書(shū)中單臺(tái)磨煤機(jī)煤種對(duì)應(yīng)的價(jià)格和當(dāng)前磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)的煤量之和進(jìn)行相加后再除以總煤量，是一個(gè)加權(quán)煤價(jià)的概念，基本能代表入爐煤當(dāng)前的實(shí)時(shí)價(jià)格，該價(jià)格對(duì)于計(jì)算當(dāng)前機(jī)組度電成本具有非常重要的意義。

圖2 Excel表格

3 配煤輔助決策管理

3.1 配煤綜合評(píng)價(jià)因子

機(jī)組在設(shè)計(jì)煤種條件下，按照正常方式運(yùn)行，考慮適量的吹灰、損耗、環(huán)境溫度、設(shè)備老化等因素后，將機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)作為基準(zhǔn)態(tài)，將其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、成本指標(biāo)作為基準(zhǔn)指標(biāo)，以摻燒后機(jī)組實(shí)際指標(biāo)與基準(zhǔn)指標(biāo)相除加權(quán)之后得到的無(wú)量綱參數(shù)作為綜合評(píng)價(jià)因子，具體可表示為：

s+g+p=1 （2）

式（1）（2）中：為綜合評(píng)價(jià)因子；為供電煤耗率，g/kWh；為供電成本，元/千瓦時(shí)；為污染物排放濃度，mg/Nm3；為摻燒新煤種工況；為基準(zhǔn)工況；s、g、p分別為供電煤耗系數(shù)、供電成本系數(shù)和環(huán)保系數(shù)。

供電煤耗系數(shù)、供電成本系數(shù)和環(huán)保系數(shù)是各項(xiàng)分類(lèi)指標(biāo)的考核權(quán)重，反映的是經(jīng)營(yíng)管理人員對(duì)經(jīng)濟(jì)、財(cái)務(wù)和環(huán)保的重視程度。相關(guān)人員可以根據(jù)當(dāng)前一段時(shí)間內(nèi)的經(jīng)營(yíng)考核情況，靈活調(diào)整各項(xiàng)考核因子，適應(yīng)機(jī)組的運(yùn)行和調(diào)整。將上述模型作為評(píng)價(jià)依據(jù)，評(píng)價(jià)因子越小，表明摻燒煤種總體性能更好，更適合機(jī)組運(yùn)行和提高經(jīng)濟(jì)性。

供電成本組成如圖3所示。

圖3 供電成本組成

供電煤耗：根據(jù)配煤方案計(jì)算飛灰含碳量、汽溫、廠用電率等耗差最終得到該配煤方案下的供電煤耗預(yù)測(cè)。

污染物排放濃度：通過(guò)建立相關(guān)NOx、SO2、粉塵排放預(yù)測(cè)模型進(jìn)行計(jì)算。

3.2 配煤方案輔助決策

根據(jù)歷史配煤?jiǎn)魏蚐IS歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘，研究煤種及配煤方式在不同負(fù)荷下對(duì)鍋爐效率、蒸汽參數(shù)、輔機(jī)電耗、污染物排放的影響，修正計(jì)算模型。系統(tǒng)以電廠常用的煤種為研究對(duì)象，根據(jù)專(zhuān)業(yè)人員選擇的煤種組合、負(fù)荷及加倉(cāng)方式，考慮超臨界鍋爐燃燒穩(wěn)定性判別、基于煤種粘污特性的換熱能力評(píng)估等因素，計(jì)算配煤綜合評(píng)價(jià)因子及各項(xiàng)供電成本、供電煤耗、污染物排放，用戶(hù)可自行比較各種配煤方案的優(yōu)劣，選擇一種方案生成上煤指導(dǎo)書(shū)。同時(shí)針對(duì)機(jī)組高、低負(fù)荷工況，系統(tǒng)能分別推薦經(jīng)濟(jì)合理的配煤方式。

3.3 配煤優(yōu)化綜合成本模型的邊界條件

目前電廠的配煤情況一般每倉(cāng)為不超過(guò)兩種單煤的混煤，限定配煤不超過(guò)兩種混煤，混煤限定為兩種單煤的配比，混煤的特性按煤量加權(quán)平均計(jì)算。在軟件自動(dòng)尋優(yōu)前，首先各倉(cāng)人工選定一種基礎(chǔ)煤種、一種摻燒煤種，輸入各倉(cāng)的煤量比例，軟件將自動(dòng)給出最優(yōu)的摻燒比例。決定兩種煤種混配比例的主要有三個(gè)條件：磨煤機(jī)出力、鍋爐出力和灰渣余量。磨煤機(jī)出力需按照火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定，根據(jù)混煤特性進(jìn)行碾磨出力計(jì)算并作為模型的限制條件。影響鍋爐出力的因素主要考慮混煤熱值的影響，混配后的原煤熱值也應(yīng)作為模型的限制條件。灰渣系統(tǒng)的正常運(yùn)行是混煤煤質(zhì)許用的必要條件。通常根據(jù)灰渣的量來(lái)估算灰渣系統(tǒng)的工作余量。本文主要以刮渣機(jī)為計(jì)量依據(jù)，刮渣機(jī)額定出力5 t/h，因此出渣系統(tǒng)出力不能超過(guò)刮渣機(jī)的額定出力，并以此作為模型的限制條件。這些限值調(diào)節(jié)均可通過(guò)軟件界面調(diào)整。

3.4 配煤優(yōu)化綜合成本模型

配煤優(yōu)化的目的是使混煤的煤價(jià)成本、環(huán)保成本、煤耗成本、電耗成本最低。

令混煤?jiǎn)蝺r(jià)為：

式（3）中：i為某種煤的單價(jià)；i某種煤的配比。

則優(yōu)化配煤模型為：

s.t.：

out＜1，nox＞2

out＜1

out＜1

制粉系統(tǒng)出力限制；

混煤熱值限制；

出渣系統(tǒng)限制；

SCR噴氨量限制

式（4）中：Δ為混煤?jiǎn)蝺r(jià)變化量，元/t；b為發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，g/（kW·h）；w為機(jī)組發(fā)電功率，MW；（煤質(zhì)）為煤質(zhì)變化引起NOx及SCR尿素耗量變化費(fèi)用，元/h；（煤質(zhì)）為煤質(zhì)變化引起SOx及所需的電費(fèi)、石灰石變化等費(fèi)用，元/h；（煤質(zhì)）為煤質(zhì)變化引起煙塵處理變化費(fèi)用，此模型中僅考慮電費(fèi)成本；（煤質(zhì)）為煤質(zhì)變化引起排煙溫度排煙損失耗差費(fèi)用，元/h；（煤質(zhì)）為煤質(zhì)變化引起飛灰含碳量耗差費(fèi)用，元/h；（煤質(zhì)）為煤質(zhì)變化引起風(fēng)機(jī)電流變化費(fèi)用，元/h；（煤質(zhì)）為煤質(zhì)變化引起磨煤機(jī)電流變化費(fèi)用，元/h；（煤質(zhì)）為煤質(zhì)變化引起主汽溫度耗差費(fèi)用，元/h；（煤質(zhì)）為煤質(zhì)變化引起過(guò)熱減溫水耗差費(fèi)用，元/h；（煤質(zhì)）為煤質(zhì)變化引起再熱汽溫度耗差費(fèi)用，元/h；（煤質(zhì)）為煤質(zhì)變化引起再熱減溫水耗差費(fèi)用，元/h。

對(duì)應(yīng)上述各項(xiàng)費(fèi)用，其中“煤質(zhì)”可能是熱值、灰分、水分、揮發(fā)份、硫、氮等中的一項(xiàng)或多項(xiàng)。

以飛灰平均含碳變化引起煤耗變化為例：

其中，混煤比基準(zhǔn)燃料相的飛灰平均含碳量變化量通過(guò)理論經(jīng)驗(yàn)公式或試驗(yàn)獲取。需要指出的是該配煤綜合成本并非絕對(duì)成本，而是相對(duì)于基準(zhǔn)工況（單燒設(shè)計(jì)煤種）的相對(duì)變動(dòng)成本。

3.5 多種研究方法優(yōu)化計(jì)算模型

根據(jù)磨煤機(jī)系統(tǒng)能量平衡和質(zhì)量平衡原理，可推導(dǎo)出含有燃煤水分的方程組，求解該方程組即可獲得入爐煤水分。根據(jù)鍋爐吸熱量熱平衡、煤的物質(zhì)平衡和煤燃燒化學(xué)分析原理等計(jì)算煤的熱值和各組分。通過(guò)試驗(yàn)研究電廠常用煤種及配煤方式在不同負(fù)荷下對(duì)鍋爐效率、蒸汽參數(shù)、輔機(jī)電耗、污染物排放的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步修正計(jì)算模型。同時(shí)根據(jù)歷史配煤?jiǎn)魏蚐IS歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘，研究煤種及配煤方式在不同負(fù)荷下對(duì)鍋爐效率、蒸汽參數(shù)、輔機(jī)電耗、污染物排放的影響，修正計(jì)算模型。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)通過(guò)研究電廠常用煤種及配煤方式在不同負(fù)荷下對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性以及污染物排放的定量影響，能進(jìn)一步提高運(yùn)行人員對(duì)配煤方案的掌握，從而提高電廠日常運(yùn)行管理效率并為提升電廠生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)水平帶來(lái)很大幫助。

［1］劉貴鋒，韓雪松．煙煤鍋爐摻燒褐煤對(duì)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)性影響的研究［J］.中國(guó)電力，2018，51（9）：46-52．

［2］郝兵，趙越，張森，等．基于電廠混煤燃燒性能的優(yōu)化配煤模型［J］.熱力發(fā)電，2019，48（5）：109-113．

2095－6835（2021）06－0054－03

TM621

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.018

康英哲（1977—），男，吉林舒蘭人，本科學(xué)歷，碩士學(xué)位，高級(jí)職稱(chēng)，研究方向?yàn)榧剡\(yùn)行、綜合智慧能源管理。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕