輔助配煤決策系統在白城發電廠的探索與應用

康英哲，蔣歡春，趙志文，吳瓊，李磊，吳哲，卞韶帥

輔助配煤決策系統在白城發電廠的探索與應用

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.吉電股份白城發電有限公司，吉林 白城 137000）

為解決火電機組煤炭資源的供應形勢復雜、煤炭價格多變、設計煤種難以保質保量等諸多問題，吉電股份白城電廠通過摻燒煤的方式實現降低發電成本的目標。但在實際生產過程中，也經常會遇到不同煤種摻燒比例下的混煤參數變化對機組正常運行和環保排放影響不確定性增加、無法定量分析等問題，采取人工手段進行配煤管理有很大的局限性。通過開發一套輔助配煤決策系統，依托計算機工具，同時以智能算法為核心，結合廠里當前的配煤情況，設計相關功能，最終優化電廠配煤方式。

火電機組；燃煤摻燒；運行優化；環保排放

當前，煤炭資源的供應形勢復雜，其價格變化多端。設計煤種難以保質保量，發電企業通常采用摻配其他煤種的方式來應對。煤價的變化對機組的經濟效益會產生直接影響，但煤質的變化亦會對機組的正常運行和環保排放造成較大影響。吉電股份白城發電有限公司兩臺660 MW燃煤機組自投產以來，受國內燃煤市場的影響，大量燃用了一些替代煤種。因此，在摻燒其他煤種的過程中，如何根據煤種與自身爐型特點合理調整運行方式，清晰地了解當前配煤方案對供電煤耗、各項供電成本及環保指標的影響，對機組安全經濟運行和電廠整體效益具有重要的現實意義。本課題通過研究和開發輔助配煤決策系統，結合當前電廠實際配煤情況設計相關功能，最終優化電廠配煤方式。

1 原煤數據管理設計

1.1 煤種堆放情況（存量、位置、顯示貨位圖）

根據白城發電廠煤場區域分布、劃分情況，同時系統還考慮到電廠有時會有未卸載到煤場直接進行摻燒的情況，在煤質數據庫中定義了直加倉煤源數據。各煤場的煤種數據主要包含了煤種名稱、揮發分、低位發熱量、水分、硫分、灰分、灰熔點、單價、存量等數據類型。煤質數據庫每天需要電廠專人定時進行更新維護。

1.2 原煤特性分析

結合原煤工業分析、元素分析、酸堿比、灰熔點等參數預測煤種的著火指數、穩燃指數、燃盡指數、可磨指數、結渣指數、環保指數等特性。

1.3 煤場貨位圖數字化管理

對于煤場貨位圖，采用線下修改、線上上傳的方式進行數據保存。每天上傳上煤場當日貨位圖（Excel格式），新上傳的會覆蓋當天的煤場貨位圖，如圖1所示。

點擊下載按鈕后預覽相關Excel表格，如圖2所示。

圖1 煤場當日貨位圖

2 日常摻燒運行管理

2.1 上煤指導書數字化管理

通過開發上煤指導書數字化管理模塊，幫助配煤人員快速準確地獲知當前存煤情況以及對當天的配煤情況進行分析和決策，進一步提高配煤的工作效率。提供人工配煤界面，自動生成混煤工業分析參數，對混煤硫分、熱值等進行越限告警，調整后最終生成上煤指導書，可生成word格式的電子化表格。同時實現對上煤指導書審批流程的管理，對生成的上煤指導書進行審批流程管理。

2.2 入爐煤煤價實時計算

根據上煤指導書，結合當前的入爐煤量情況，實時計算爐煤煤價。入爐煤價實時計算的依據是配煤指導書中單臺磨煤機煤種對應的價格和當前磨煤機對應的煤量之和進行相加后再除以總煤量，是一個加權煤價的概念，基本能代表入爐煤當前的實時價格，該價格對于計算當前機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 配煤綜合評價因子

機組在設計煤種條件下，按照正常方式運行，考慮適量的吹灰、損耗、環境溫度、設備老化等因素后，將機組的運行狀態作為基準態，將其經濟、環保、成本指標作為基準指標，以摻燒后機組實際指標與基準指標相除加權之后得到的無量綱參數作為綜合評價因子，具體可表示為：

s+g+p=1 （2）

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

供電煤耗系數、供電成本系數和環保系數是各項分類指標的考核權重，反映的是經營管理人員對經濟、財務和環保的重視程度。相關人員可以根據當前一段時間內的經營考核情況，靈活調整各項考核因子，適應機組的運行和調整。將上述模型作為評價依據，評價因子越小，表明摻燒煤種總體性能更好，更適合機組運行和提高經濟性。

供電成本組成如圖3所示。

圖3 供電成本組成

供電煤耗：根據配煤方案計算飛灰含碳量、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測。

污染物排放濃度：通過建立相關NOx、SO2、粉塵排放預測模型進行計算。

3.2 配煤方案輔助決策

根據歷史配煤單和SIS歷史運行數據，進行大數據挖掘，研究煤種及配煤方式在不同負荷下對鍋爐效率、蒸汽參數、輔機電耗、污染物排放的影響，修正計算模型。系統以電廠常用的煤種為研究對象，根據專業人員選擇的煤種組合、負荷及加倉方式，考慮超臨界鍋爐燃燒穩定性判別、基于煤種粘污特性的換熱能力評估等因素，計算配煤綜合評價因子及各項供電成本、供電煤耗、污染物排放，用戶可自行比較各種配煤方案的優劣，選擇一種方案生成上煤指導書。同時針對機組高、低負荷工況，系統能分別推薦經濟合理的配煤方式。

3.3 配煤優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為不超過兩種單煤的混煤，限定配煤不超過兩種混煤，混煤限定為兩種單煤的配比，混煤的特性按煤量加權平均計算。在軟件自動尋優前，首先各倉人工選定一種基礎煤種、一種摻燒煤種，輸入各倉的煤量比例，軟件將自動給出最優的摻燒比例。決定兩種煤種混配比例的主要有三個條件：磨煤機出力、鍋爐出力和灰渣余量。磨煤機出力需按照火力發電廠制粉系統設計計算技術規定，根據混煤特性進行碾磨出力計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作為模型的限制條件。灰渣系統的正常運行是混煤煤質許用的必要條件。通常根據灰渣的量來估算灰渣系統的工作余量。本文主要以刮渣機為計量依據，刮渣機額定出力5 t/h，因此出渣系統出力不能超過刮渣機的額定出力，并以此作為模型的限制條件。這些限值調節均可通過軟件界面調整。

3.4 配煤優化綜合成本模型

配煤優化的目的是使混煤的煤價成本、環保成本、煤耗成本、電耗成本最低。

令混煤單價為：

式（3）中：i為某種煤的單價；i某種煤的配比。

則優化配煤模型為：

s.t.：

out＜1，nox＞2

out＜1

out＜1

制粉系統出力限制；

混煤熱值限制；

出渣系統限制；

SCR噴氨量限制

式（4）中：Δ為混煤單價變化量，元/t；b為發電標準煤耗率，g/（kW·h）；w為機組發電功率，MW；（煤質）為煤質變化引起NOx及SCR尿素耗量變化費用，元/h；（煤質）為煤質變化引起SOx及所需的電費、石灰石變化等費用，元/h；（煤質）為煤質變化引起煙塵處理變化費用，此模型中僅考慮電費成本；（煤質）為煤質變化引起排煙溫度排煙損失耗差費用，元/h；（煤質）為煤質變化引起飛灰含碳量耗差費用，元/h；（煤質）為煤質變化引起風機電流變化費用，元/h；（煤質）為煤質變化引起磨煤機電流變化費用，元/h；（煤質）為煤質變化引起主汽溫度耗差費用，元/h；（煤質）為煤質變化引起過熱減溫水耗差費用，元/h；（煤質）為煤質變化引起再熱汽溫度耗差費用，元/h；（煤質）為煤質變化引起再熱減溫水耗差費用，元/h。

對應上述各項費用，其中“煤質”可能是熱值、灰分、水分、揮發份、硫、氮等中的一項或多項。

以飛灰平均含碳變化引起煤耗變化為例：

其中，混煤比基準燃料相的飛灰平均含碳量變化量通過理論經驗公式或試驗獲取。需要指出的是該配煤綜合成本并非絕對成本，而是相對于基準工況（單燒設計煤種）的相對變動成本。

3.5 多種研究方法優化計算模型

根據磨煤機系統能量平衡和質量平衡原理，可推導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。根據鍋爐吸熱量熱平衡、煤的物質平衡和煤燃燒化學分析原理等計算煤的熱值和各組分。通過試驗研究電廠常用煤種及配煤方式在不同負荷下對鍋爐效率、蒸汽參數、輔機電耗、污染物排放的影響，根據試驗結果進一步修正計算模型。同時根據歷史配煤單和SIS歷史運行數據，進行大數據挖掘，研究煤種及配煤方式在不同負荷下對鍋爐效率、蒸汽參數、輔機電耗、污染物排放的影響，修正計算模型。

4 結語

系統通過研究電廠常用煤種及配煤方式在不同負荷下對機組運行經濟性以及污染物排放的定量影響，能進一步提高運行人員對配煤方案的掌握，從而提高電廠日常運行管理效率并為提升電廠生產經營水平帶來很大幫助。

［1］劉貴鋒，韓雪松．煙煤鍋爐摻燒褐煤對機組安全經濟性影響的研究［J］.中國電力，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化配煤模型［J］.熱力發電，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，本科學歷，碩士學位，高級職稱，研究方向為集控運行、綜合智慧能源管理。

〔編輯：嚴麗琴〕