桑士杰，董 澤

(華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

近年來，電煤供應緊張，煤價不斷上漲，部分電廠甚至出現(xiàn)過缺煤停機的現(xiàn)象。市場煤源多、價格各異，且質(zhì)量參差不齊，往往偏離鍋爐的設計煤種，對火電機組運行的安全性與經(jīng)濟性帶來很大影響。因此，對于采購什么樣的煤種才最符合火電廠的利益，是一個值得探討的問題，需要明確煤質(zhì)特性變化對發(fā)電廠的經(jīng)濟性影響。

目前，針對煤質(zhì)變化對電廠運行工況和發(fā)電成本影響的研究主要是通過變煤種熱力試驗的方法來實現(xiàn)。這種方法需要投入較大的人力、物力和財力，消耗相當長的時間，考慮到現(xiàn)場的實際情況，要將各種煤種在不同負荷下都做試驗不太現(xiàn)實，而且在試驗工況下得到的結(jié)果與機組實際運行狀態(tài)下的結(jié)果存在一定的偏差。本文引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對電廠近3年的煤質(zhì)在線歷史數(shù)據(jù)和機組運行數(shù)據(jù)進行深層次的挖掘，在分析煤質(zhì)與機組關(guān)聯(lián)性的基礎上量化各項指標，提出了評價煤質(zhì)對電廠經(jīng)濟性影響的計算模型，并在此基礎上開發(fā)了一套燃煤采購優(yōu)化指導系統(tǒng)。

1 煤質(zhì)變化對電廠經(jīng)濟性影響分析與計算建模

煤質(zhì)是電廠鍋爐設計的基礎，對機組燃燒的經(jīng)濟性和鍋爐效率產(chǎn)生很大的影響，還會影響熱交換器等設備的磨損腐蝕、輸煤磨煤等輔機的耗電以及除塵效率和煙氣排放等諸多過程。

1.1 煤質(zhì)變化對電廠經(jīng)濟性影響分析

(1)燃煤發(fā)熱量的影響。發(fā)熱量是煤質(zhì)工業(yè)分析的重要指標，發(fā)熱量偏離設計煤種時，將直接影響到鍋爐的穩(wěn)定燃燒和鍋爐的效率。另外在發(fā)同等電量的情況下，使用劣質(zhì)煤的總量將會增加，對于遠離煤礦的發(fā)電企業(yè)來說，將增大燃煤的倒運費用，故障率增加，從而影響機組的經(jīng)濟性，增大運行成本[1～2]。

(2)燃煤含硫、氮量的影響。硫和氮將直接影響到SO2和NOx的排放，若SO2和NOx的排放超標，相應的排污繳費也將劇增;煙氣含硫量增大，將導致鍋爐受熱面的腐蝕加劇，特別是空預器的使用壽命將大大減少，從而增加設備的維修成本。

(3)燃煤含灰量的影響。煤中的灰分越高，可燃成分越低，不僅增加運輸負擔，而且還會對發(fā)電過程的其他環(huán)節(jié)產(chǎn)生負面影響。同時用于加熱灰分的熱量消耗亦隨之增加，從而導致燃燒穩(wěn)定性和燃燒溫度下降，物理熱損失增大。

(4)燃煤水分的影響。水分含量增大，降低了煤的熱能利用率，增加了熱損失，鍋爐效率下降;同時增加了運輸?shù)膲毫?，還會對電廠的卸煤、磨煤、輸煤等過程造成困難。

通過以上分析可知，煤質(zhì)變化對電廠經(jīng)濟性影響評價是一個復雜的過程，不僅要考慮燃煤采購成本本身的成本差異，還要綜合考慮煤質(zhì)變化引起的其他成本的變動，包括輔機耗電成本、污染排放成本、脫硫運行成本、煤場裝載倒運成本等環(huán)節(jié)，為了工程分析的方便，把煤質(zhì)變化引起的發(fā)電成本整理為圖1所示的環(huán)節(jié)。

圖1 煤質(zhì)變化引起的成本組成Fig.1 Cost components caused by coal changed

1.2 煤質(zhì)經(jīng)濟性計算模型的建立

煤質(zhì)變化將影響燃煤采購成本以及其他運行成本，本文將這幾項成本之和看作一個整體稱為綜合成本，用Czh表示，作為燃煤經(jīng)濟性綜合評價指標。綜合成本越低的煤種對于電廠來說就越經(jīng)濟，其數(shù)學模型為

式中:Czh為綜合成本，萬元;Crm為燃煤采購成本，萬元;Cfj為輔機耗電成本，萬元;Czd為裝卸倒運成本，萬元;Ctl為脫硫附加成本，萬元;Cwx為設備維護成本，萬元;Cpw為污染排放費用，萬元。

(1)燃煤采購成本，本文定義為在一定計劃發(fā)電量的情況下，為滿足發(fā)電需要而采購的某種燃煤費用，因煤質(zhì)不同導致煤價與所需煤量發(fā)生變化，因而燃煤采購成本也會不同。燃煤采購成本可按下式計算:

式中:Bf為計劃電量下所需的原煤量，t;Pmj為原煤單價，元/t;Wf為計劃電量，萬kW·h;Qnet，ar為燃煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg;bf為在一定工況下，燃用該煤種時機組的發(fā)電標準煤耗，g/(kW·h)。

發(fā)電煤耗是考核發(fā)電企業(yè)能源利用效率的主要指標，能夠反映火電廠生產(chǎn)技術(shù)完善程度和經(jīng)濟效果。本文通過回歸分析的方法對不同負荷下的發(fā)電煤耗進行了預測。

(2)輔機耗電成本，此處指與煤質(zhì)相關(guān)較大的輔機在計劃發(fā)電量下的耗電成本，包括輸煤、磨煤、送風、除塵以及除灰等輔機設備，計算公式為

式中:Di為某輔機的單耗，kW·h/t;Pdj為上網(wǎng)電價，元/(kW·h)，一定工況下的輔機單耗亦通過數(shù)據(jù)挖掘方法進行預測計算。

(3)裝載倒運成本，與煤量成正比，公式為

式中:Pzd為裝載倒運單價，元/t。

(4)脫硫附加成本，該電廠采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)，此項成本主要指比重較大的脫硫設備耗電費用和脫硫劑費用，計算公式為

式中:Chd為脫硫系統(tǒng)耗電成本，萬元;Ej為脫硫系統(tǒng)耗電量，kW·h;Ctlj為脫硫劑費用，萬元;Mtlj為脫硫劑使用量，t;Ptlj為脫硫劑單價，元/t;Cxpj為消泡劑費用;萬元，Mxpj消泡劑使用量，t;Pxpj為消泡劑單價，元/t。

(5)設備維護成本，主要指由于煤質(zhì)變化導致的受熱面磨損、腐蝕以及爆管等造成的維修成本。實際情況中由于設備維修的滯后性以及復雜性，量化分析比較困難，本文通過對近3年的防磨防爆記錄以及相關(guān)的財務數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析來發(fā)掘維修成本與煤質(zhì)的關(guān)系。

(6)污染排放成本，主要指二氧化硫(SO2)、氮氧化物 (NOx)、煙塵、粉塵以及灰渣的排放成本，排污繳費根據(jù)國家或當?shù)丨h(huán)保部門制定的收費制度執(zhí)行，其中不同電廠對灰渣的處理方法不同。該電廠灰渣外銷用于生產(chǎn)水泥等建材，解決了堆灰成本，但創(chuàng)收極小，在此不做考慮，其他項成本現(xiàn)階段采用物料平衡算法核定排放量，征收排污費用。

2 數(shù)量型關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法及其在電廠燃煤分析中的應用

通過對計算模型的分析可知，整個計算方法的關(guān)鍵與難點在于如何合理確定不同煤質(zhì)在相應工況下的發(fā)電煤耗、輔機耗電量等參數(shù)。本文引入數(shù)量型關(guān)聯(lián)規(guī)則用于電廠燃煤經(jīng)濟性參數(shù)的量化處理，利用模糊方法解決了數(shù)據(jù)離散化過程中邊界過硬與部分數(shù)據(jù)高偏度的弱點，建立預測模型。有關(guān)數(shù)值型模糊關(guān)聯(lián)規(guī)則在最優(yōu)值確定方面的研究應用可參見文獻[3～7]。

設 I={i1，i2，…，im}為所有項目的集合，事務T是一個項目子集，D為事務數(shù)據(jù)庫，關(guān)聯(lián)規(guī)則一般表示為如下形式的邏輯蘊涵式:X?Y，其中X?I，Y?I且X∩Y=Φ，關(guān)聯(lián)規(guī)則一般用支持度(support)和置信度 (confidence)來度量。

若D中S%的事務同時包含X和Y，則稱X?Y的支持度為S，計算公式為

若D中C%包含X的事務也包含Y的事務，則稱規(guī)則X?Y成立的置信度為C，計算公式為

關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的目標在于找到同時滿足最小支持度和最小置信度的強規(guī)則，但是這兩個指標并不能避免產(chǎn)生負相關(guān)或者無興趣的規(guī)則，為此引入修正后的興趣度，以提高挖掘質(zhì)量，這里簡稱為Aff(X，Y)，計算公式為

若Aff(X，Y)的取值在 (0，1]之間則表示X對Y起促進作用，實用價值大;取值為0，表示X與Y之間沒有關(guān)聯(lián)性，Y的發(fā)生不受X的影響;取值在[-1，0)之間表示X對Y起抑制作用。

為更好地說明數(shù)據(jù)挖掘在確定煤質(zhì)經(jīng)濟參數(shù)上的應用，對該電廠75%負荷下穩(wěn)定運行工況時的歷史數(shù)據(jù)進行分析。以挖掘煤質(zhì)含硫量與脫硫系統(tǒng)耗電量之間的關(guān)系為例，經(jīng)數(shù)據(jù)篩選后共68 256組數(shù)據(jù)，取數(shù)間隔為5 min。將煤質(zhì)含硫量作為前項，脫硫系統(tǒng)耗電量作為后項，為統(tǒng)一量綱，將各字段歸一化到[0，1]，并進行模糊化處理，給定最小支持度為20%，最小置信度為65%，通過挖掘并反模糊化得到的強關(guān)聯(lián)規(guī)則形式如下:

＜ S，0.5，0.6 ＞ = ＞ ＜ Es，218，218.9 ＞

該規(guī)則表示:在75%負荷下，當燃煤含硫量在0.5% ～0.6%區(qū)間時，脫硫系統(tǒng)耗電量在218～218.9 kW·h內(nèi)，取強關(guān)聯(lián)規(guī)則的中心值作為基準值，即當含硫量為0.55時，脫硫系統(tǒng)耗電量為218.45 kW·h。將不同硫分下的挖掘結(jié)果作為基準值做回歸分析，所得結(jié)果如圖2所示，可以得到煤質(zhì)含硫量與脫硫系統(tǒng)耗電量的關(guān)系，同理其他經(jīng)濟性參數(shù)的確定可參照此方法進行處理。

圖2 脫硫系統(tǒng)耗電量與燃煤含硫量關(guān)系圖Fig.2 Relationship between power consumption of desulfurization system and sulfur content of coals

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)與實例分析

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)

在前面煤質(zhì)變化對機組經(jīng)濟性影響的理論分析與數(shù)學建模的基礎上，本文開發(fā)了燃煤采購優(yōu)化指導系統(tǒng)，將理論結(jié)果轉(zhuǎn)化為實際應用。系統(tǒng)整體采用了B/S與C/S相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，開發(fā)環(huán)境基于.NET平臺，開發(fā)工具為Visual C++6.0與Visual Studio 2008，后臺數(shù)據(jù)庫采用了SQL Server 2000。

根據(jù)數(shù)學模型，煤質(zhì)經(jīng)濟性的計算程序流程設計如圖3所示。

圖3 煤質(zhì)發(fā)電成本計算流程框圖Fig.3 Flow diagram of coal power cost calculation

從整體來說，系統(tǒng)可分為3個獨立模塊:(1)輸入模塊。由網(wǎng)頁輸入，具有界面友好，操作方便的特點，需要輸入的參數(shù)包括:煤質(zhì)參數(shù)，包括工業(yè)分析、元素分析與煤價等;機組參數(shù)，包括裝機容量、計劃發(fā)電量等;其他經(jīng)濟性參數(shù)，包括上網(wǎng)電價、SO2排放單價等。該模塊具有數(shù)據(jù)存儲功能，輸入過的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，下次輸入時可直接調(diào)用，避免重復輸入，同時可對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行刪除與修改的操作。(2)計算模塊。根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果與數(shù)學模型對煤質(zhì)的發(fā)電成本進行預測計算，為保證運行的速度，該模塊由VC++實現(xiàn)，在后臺運行，當有需要分析的煤質(zhì)輸入時，自動進行分析計算，并將結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中。(3)輸出模塊。采用B/S模式，對分析結(jié)果進行展示輸出，主要包括輔機耗電成本、污染排放成本、匯總成本等參數(shù)以及結(jié)果的分析比較。

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)主要功能為:對不同煤種的經(jīng)濟性進行預測計算，通過對比分析，使電廠對煤質(zhì)的發(fā)電成本有一個直觀的認識，從而在煤質(zhì)多變的情況下為確定適合本廠的最經(jīng)濟煤種提供決策依據(jù)，指導燃煤采購，降低發(fā)電成本。

3.2 應用實例

本文以某電廠SG-1080/17.6-M866亞臨界鍋爐機組為例，進行煤質(zhì)經(jīng)濟性分析。煤質(zhì)資料表1中的4種燃煤為該廠供應量較大的典型煤種。在計算期內(nèi)發(fā)電量、負荷一定的情況下，對電廠近3年的歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘，通過關(guān)聯(lián)規(guī)則算法確定了煤質(zhì)特性與各項成本參數(shù)的關(guān)系，并進行了預測計算，通過數(shù)學模型確定了性價比最高的最優(yōu)煤種。

表1 煤質(zhì)資料表Tab.1 Coal quality data table

在計劃發(fā)電量為762 120萬kW·h(年度計劃電量)，負荷為電廠長期運行的平均負荷240 MW的工況下，得到的計算結(jié)果如表2和表3所示。由表2可見，在燃燒不同煤質(zhì)的條件下，相關(guān)輔機的單耗變化不大，機組的發(fā)電煤耗相應發(fā)生變化，煤質(zhì)較好時對應的發(fā)電煤耗較低，折算到相同計劃發(fā)電量下的總耗煤量較少，煤種1比煤種4要多耗91.7萬t煤，意味著要多購買、多運輸、多輸煤、多磨煤91.7萬t煤，其他相關(guān)輔機的電耗也將增加。

表2 不同煤質(zhì)下相關(guān)經(jīng)濟性參數(shù)表Tab.2 Economic parameters under different coals

表3 燃煤成本匯總表Tab.3 Summary table of coal-fired cost

通過對表3進行分析，可以得出:(1)脫硫系統(tǒng)附加成本和污染排放成本與燃煤的含硫量成正相關(guān)性，含硫量和含氮量越高，這兩項對應的成本支出也急劇增加。(2)設備維修成本隨著燃煤的含灰量和含硫量的增加而劇增，煤質(zhì)越差，對應的維修成本支出越多。(3)燃煤熱值越低，耗煤量越多，相關(guān)的輔機耗電成本和倒運成本也就大幅增加。(4)燃煤采購成本占總成本的80%以上，為最大的成本支出，但燃煤采購成本越低并不意味著越經(jīng)濟，還應考慮發(fā)電過程中的成本支出。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，得到煤質(zhì)與總成本的關(guān)系，如圖4所示，可以看出在4種煤中，煤種2的總成本最低，為推薦的經(jīng)濟煤種。由此得出結(jié)論:燃用劣質(zhì)煤與優(yōu)質(zhì)煤并不一定是最經(jīng)濟的煤種，在燃煤采購時不僅要考慮煤炭價格造成的成本差異，還應綜合考慮煤質(zhì)變化對電廠運行成本的影響。

圖4 不同煤種的綜合成本Fig.4 Comprehensive cost of different coals

4 結(jié)論

(1)針對火電廠面臨的煤質(zhì)多變與成本壓力的實際問題，本文找到了一種綜合評價電廠燃煤經(jīng)濟性的計算模型，作為火電廠最優(yōu)經(jīng)濟煤種采購的決策依據(jù)，不僅考慮了煤質(zhì)變化對煤價波動的影響，而且綜合分析了煤質(zhì)變化引起的其他發(fā)電成本變化。據(jù)此開發(fā)的燃煤采購指導軟件運行結(jié)果與該廠的經(jīng)驗值相符，對于降低火力發(fā)電成本，保證電廠的合理利潤具有實際意義。

(2)本文計算模型的核心為煤質(zhì)與機組各發(fā)電成本的關(guān)系，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對近3年的煤質(zhì)在線數(shù)據(jù)與機組運行數(shù)據(jù)進行分析，能夠提取出海量數(shù)據(jù)中隱含的規(guī)律，對關(guān)鍵參數(shù)進行了預測計算，與變煤種熱力試驗等方法相比，節(jié)省了時間、物力和人力，不僅方便快捷而且因為基于機組實際運行數(shù)據(jù)，更能反映機組的實際狀況。