張建科，周立群，葛偉

（1.福建華電可門發(fā)電有限公司，福州 350512；2.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030）

摻配煤軟件和摻配決策系統(tǒng)研究開發(fā)

張建科1，周立群1，葛偉2

（1.福建華電可門發(fā)電有限公司，福州 350512；2.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030）

通過理論計算和現(xiàn)場試驗對摻燒褐煤后機(jī)組的安全性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性進(jìn)行分析，確定機(jī)組不同負(fù)荷下的最大和最佳摻配比例，保證混煤特性與鍋爐設(shè)計參數(shù)相匹配。評估褐煤摻燒對機(jī)組的影響，建立煤場管理系統(tǒng)和多煤種摻配決策系統(tǒng)，指導(dǎo)煤場配煤工作，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益良好。

摻配；決策系統(tǒng)；配煤；軟件

0 引言

福建華電可門發(fā)電有限公司（以下簡稱可門發(fā)電公司）600MW超臨界燃煤鍋爐設(shè)計煤種為神府東勝煤，校核煤種為晉北煙煤。近年來，由于煤炭供應(yīng)緊張，公司來煤趨于多元化，主要有神混煤、優(yōu)混煤、平混煤、準(zhǔn)混煤、印尼煤、褐煤及澳煤等，有些燃用煤種偏離設(shè)計煤質(zhì)較多，為提高電站鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性，可門發(fā)電公司與華電電力科學(xué)研究院研究開發(fā)了基于負(fù)荷需求的復(fù)雜煤質(zhì)約束條件下的摻配煤軟件。

1 研究開發(fā)內(nèi)容

經(jīng)驗表明，對于大容量機(jī)組，煙煤和高揮發(fā)分印尼煤、褐煤摻燒時，在干燥出力足夠的情況下，一般采用分磨摻燒。分磨摻燒可根據(jù)各煤種的燃燒特性和可磨性，分別確定與煤種相適應(yīng)的磨煤機(jī)經(jīng)濟(jì)細(xì)度、一次風(fēng)溫、一次風(fēng)速和煤粉濃度等運(yùn)行參數(shù)，并根據(jù)爐內(nèi)溫度和氧濃度的分布，向不同區(qū)域送入合適的煤種，以改善爐內(nèi)燃燒。但其制粉系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)比較復(fù)雜，需要經(jīng)過大量的試驗才能形成合理的摻燒方案。由于煤種多樣，一線運(yùn)行人員無法實(shí)時了解磨煤機(jī)中的煤質(zhì)狀況，煤場管理系統(tǒng)的信息化對摻配煤就顯得十分重要；同時，褐煤摻燒比例對鍋爐效率、發(fā)電煤耗以及發(fā)電成本的具體影響也需要定量數(shù)據(jù)的支持，保證摻燒的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1.1 試驗分析

（1）分析主要燃用煤種的特性，包括元素含量、工業(yè)成分、熱值、全硫、可磨度、灰熔點(diǎn)、穩(wěn)燃特性、結(jié)渣特性等；分析主要煤種燃燒特性以及對制粉系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)以及電除塵器的影響；評估摻燒褐煤、印尼煤對設(shè)備安全的影響，建立煤種特性數(shù)據(jù)庫。

（2）進(jìn)行不同工況下的機(jī)組熱力計算，分析機(jī)組對煤質(zhì)變化的適應(yīng)性，評估大量摻燒褐煤后對機(jī)組設(shè)備的影響；建立機(jī)組參數(shù)數(shù)據(jù)庫，為編寫燃煤摻配決策軟件提供依據(jù)。

（3）通過現(xiàn)場試驗，分析不同負(fù)荷、不同摻燒褐煤方式對機(jī)組安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等方面的影響；通過試驗確定不同負(fù)荷下機(jī)組最大摻燒比例和最佳摻燒比例（在保證安全的前提下，綜合考慮鍋爐效率、環(huán)保、成本3個因素時的褐煤、印尼煤摻燒比例）。

1）制粉系統(tǒng)試驗。分別對燃燒常規(guī)煤種和褐煤、印尼煤的磨煤機(jī)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，分析磨煤機(jī)對實(shí)際燃用煤種的適應(yīng)性，并通過調(diào)整磨煤機(jī)參數(shù)，挖掘磨煤機(jī)潛力，提高制粉系統(tǒng)的出力及可靠性，將試驗結(jié)果作為軟件開發(fā)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，給予運(yùn)行人員科學(xué)的指導(dǎo)。

2）摻燒褐煤機(jī)組性能試驗。通過改變褐煤摻燒比例、磨煤機(jī)投運(yùn)方式來考察機(jī)組特性，確定不同負(fù)荷下機(jī)組的最大摻燒比例和最佳摻燒比例；將試驗結(jié)果作為軟件開發(fā)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在煤價出現(xiàn)變動時預(yù)測不同摻配比例下的成本，為購煤提供指導(dǎo)。

1.2 建立煤場管理系統(tǒng)及多煤種摻配決策系統(tǒng)

（1）煤場管理系統(tǒng)。通過收集可門發(fā)電公司煤場分布數(shù)據(jù)，結(jié)合煤場管理和運(yùn)行方式，建立適合可門發(fā)電公司的煤場管理系統(tǒng)，對來煤煤量、熱值、煤種數(shù)據(jù)、堆放位置等進(jìn)行統(tǒng)籌、有序的管理；根據(jù)煤質(zhì)、數(shù)量、堆放位置建立三維模擬圖，便于輸煤人員及時有效地進(jìn)行輸煤工作；了解實(shí)時煤倉各高度煤種和煤質(zhì)情況，與燃煤摻配決策系統(tǒng)相結(jié)合。

（2）多煤種摻配決策系統(tǒng)。根據(jù)煤質(zhì)化驗數(shù)據(jù)、機(jī)組試驗數(shù)據(jù)建立煤質(zhì)、機(jī)組和運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上，依據(jù)鍋爐燃燒計算理論建立數(shù)學(xué)計算模型，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)機(jī)組燃燒情況的預(yù)估、離線計算以及不同煤種的摻燒結(jié)果評估；實(shí)時監(jiān)控機(jī)組在不同摻燒比例下的表現(xiàn)，與系統(tǒng)計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，將結(jié)果錄入運(yùn)行數(shù)據(jù)庫，自行對計算模型進(jìn)一步修正，從而較好地滿足實(shí)際生產(chǎn)需求；與煤場管理系統(tǒng)相聯(lián)系，根據(jù)現(xiàn)有可取煤種以及限制條件自動生成配煤計劃；根據(jù)試驗的經(jīng)濟(jì)性評估結(jié)論，結(jié)合當(dāng)前煤價，提前進(jìn)行摻配煤的準(zhǔn)備工作并制訂購煤計劃。

1.3 摻配煤決策系統(tǒng)研究的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）高效直觀地管理煤場。運(yùn)行人員了解實(shí)時煤質(zhì)，更加注重實(shí)際摻配；通過詳盡的現(xiàn)場試驗得出不同負(fù)荷、不同褐煤摻配比例下的鍋爐效率、機(jī)組廠用電率變化趨勢，結(jié)合各煤種煤價進(jìn)行發(fā)電成本計算并將結(jié)論寫入摻配決策軟件。

（2）分磨摻燒的優(yōu)化?？砷T發(fā)電公司采用分磨摻燒的方式，因此，結(jié)合爐膛的燃燒狀況，開發(fā)分磨摻燒優(yōu)化計算模型及摻配方案。

（3）建立鍋爐分層燃燒模型。根據(jù)鍋爐分層摻配煤試驗，通過對模型輸入?yún)?shù)和關(guān)鍵參數(shù)的尋優(yōu)，建立支持向量機(jī)非線性鍋爐分層燃燒性能模型，能夠根據(jù)煤質(zhì)參數(shù)和鍋爐參數(shù)實(shí)時預(yù)測飛灰含碳量，實(shí)時進(jìn)行鍋爐效率計算，用于評價鍋爐燃燒狀況。

（4）開發(fā)磨煤機(jī)運(yùn)行專家系統(tǒng)，通過實(shí)時計算煤倉煤質(zhì)分層狀況，針對磨煤機(jī)將要使用的高揮發(fā)分煤種給出磨煤機(jī)出口溫度控制策略，確保磨煤機(jī)在燃燒高揮發(fā)分煤種時安全運(yùn)行；同時，在考慮磨煤機(jī)出力約束的條件下，通過燃燒性能計算給出磨煤機(jī)啟、停策略。

2 決策系統(tǒng)開發(fā)過程及應(yīng)用

2.1 煤質(zhì)資料的搜集和化驗

可門發(fā)電公司的煤質(zhì)大致分為3類：接近設(shè)計煤種的煙煤、高水分高揮發(fā)分高熱值的印尼煤、高水分高揮發(fā)分較低熱值的印尼煤。從分析結(jié)果來看，印尼煤和褐煤水分較高（大于25%）灰分較低（小于11%），其干燥無灰基揮發(fā)分（大于42%）明顯高于神混煤、平混煤和澳煤，發(fā)熱量則低于神混煤、平混煤和澳煤。各煤種的硫分差別不大，基本都低于設(shè)計值。從軟化溫度化驗結(jié)果看，澳煤的灰熔點(diǎn)明顯最高，其次是平混煤，神混煤、褐煤和印尼煤的灰熔點(diǎn)均較低，三者相差不大。在鍋爐結(jié)焦較為嚴(yán)重時，可優(yōu)先考慮摻燒澳煤和平混煤。從可磨度結(jié)果看：整體的哈氏可磨度相差不大（澳煤略難磨），和設(shè)計煤種相近，按煤的哈氏可磨性指數(shù)分級的國家標(biāo)準(zhǔn)，整體介于中等可磨煤和較難磨煤之間。

2.2 摻燒試驗及燃燒調(diào)整

摻燒試驗中，將神混煤、平混煤、澳煤等高熱值煤種劃分為第1類，印尼煤、石碳煤等高揮發(fā)分、高水分但熱值也較高的劃分為第2類，將低熱值褐煤劃分為第3類。

2.2.1 摻燒比例對鍋爐效率的影響

5臺磨煤機(jī)磨制常規(guī)煤種帶600MW負(fù)荷時，最高鍋爐效率為93.49%，2臺磨煤機(jī)摻燒褐煤時（比例為37%～39%），鍋爐效率為93.20%和93.25%。相比于熱值較低的褐煤，熱值較高的印尼煤摻入后對鍋爐效率的影響較小。當(dāng)2臺磨煤機(jī)摻燒澳煤時，飛灰含碳量增大，鍋爐效率僅為92.84%。改1臺磨煤機(jī)摻燒澳煤，同時1臺磨煤機(jī)摻燒褐煤時，鍋爐效率為93.34%，上升了0.5個百分比。600MW負(fù)荷時，由于磨煤機(jī)出力的限制，3臺磨煤機(jī)摻燒褐煤已達(dá)到極限（摻燒比例為52%），此時的鍋爐效率最低為92.95%。

480MW負(fù)荷變氧量試驗中，當(dāng)分散控制系統(tǒng)（DCS）控制氧量在2.9%時，鍋爐效率最高為93.79%。分離燃盡風(fēng)（SOFA風(fēng)）開度增加20個百分比后鍋爐效率降低0.16個百分比，NOx質(zhì)量濃度下降至26mg／m3。

360MW負(fù)荷變氧量試驗中，當(dāng)DCS控制氧量在4.0%時，鍋爐效率最高為93.68%。360MW負(fù)荷工況下，當(dāng)摻燒褐煤比例為34.5%時，鍋爐效率最高為93.80%，摻燒褐煤比例為29.0%時，鍋爐效率為93.36%。360MW負(fù)荷工況，相同控制氧量下，上層SOFA風(fēng)開度增加20個百分比后，鍋爐效率下降0.05個百分比，NOx質(zhì)量濃度下降至43mg／m3。

3個負(fù)荷下的變爐膛風(fēng)箱差壓試驗的結(jié)果均表明：對于揮發(fā)分較高的煤種，爐膛風(fēng)箱差壓對鍋爐效率的影響不大；燃燒器擺角在正常調(diào)整范圍內(nèi)時，鍋爐效率的也變化較小。

2.2.2 摻燒經(jīng)濟(jì)性評價

（1）600MW負(fù)荷工況下，2臺印尼煤+3臺褐煤+1臺神混煤配煤方式時的成本最低，褐煤摻燒比例最高，達(dá)到52%，低位發(fā)熱量為17940 kJ／kg。2臺神混煤+2臺褐煤+2臺印尼煤時（37.2%的褐煤摻燒比例，低位發(fā)熱量為19 190 kJ／kg），比上述52%摻燒比例的成本略高。4臺神混煤+2臺褐煤工況比2臺神混煤+2臺褐煤+2臺印尼煤工況成本高出較多。

（2）480MW負(fù)荷工況下，1臺神混煤+1臺平混煤+1臺印尼煤+3臺褐煤（57%的摻燒比例）成本最低，此時鍋爐效率為93.19%。2臺磨煤機(jī)摻燒褐煤（43%的摻燒比例）時，鍋爐效率約為93.71%。1臺磨煤機(jī)摻燒褐煤（22%的摻燒比例）時鍋爐效率最高，達(dá)到94.11%。2～3臺褐煤+1～2臺印尼煤加+2臺高熱值煤種是較好的選擇。

（3）360MW負(fù)荷工況下，經(jīng)濟(jì)性最好的是2臺褐煤+2臺印尼煤（中間4臺磨煤機(jī)，摻燒比例為54%），3臺磨煤機(jī)摻燒褐煤對總體的經(jīng)濟(jì)性影響不大。

2.3 煤場管理及摻燒軟件系統(tǒng)

可門發(fā)電公司混煤摻燒現(xiàn)狀是基于試驗和運(yùn)行經(jīng)驗來確定混煤摻燒配比例和摻燒方式的，選擇方案多為在保證機(jī)組正常運(yùn)行情況下混煤價格最低或低質(zhì)煤使用量最大。

該軟件系統(tǒng)在鍋爐燃燒建模的基礎(chǔ)上，通過對煤場、煤倉等系統(tǒng)的管理，根據(jù)煤質(zhì)和鍋爐運(yùn)行狀態(tài)，提供摻燒方案并進(jìn)行燃燒性能的分析和優(yōu)化。

2.3.1 煤場管理系統(tǒng)

主要功能模塊包括數(shù)據(jù)庫、煤質(zhì)評價、煤場管理、運(yùn)行決策及實(shí)時監(jiān)控。

數(shù)據(jù)庫模塊提供煤場煤質(zhì)的數(shù)據(jù)錄入，為煤場管理和摻燒決策提供合適的數(shù)據(jù)；自定義的入爐煤質(zhì)要求，為后續(xù)配煤前期的約束規(guī)劃求解提供初步的邊界；煤質(zhì)評價模塊利用標(biāo)準(zhǔn)的煤質(zhì)評價方法，讓人們能夠直觀地了解煤的特性，提供煤的相關(guān)評價指標(biāo)以及其所在的區(qū)間等相關(guān)信息，如圖1所示。

煤場管理模塊可以實(shí)時顯示煤場堆放三維系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠提供煤場存煤信息、煤的統(tǒng)計信息以及相關(guān)報表，如圖2所示。

2.3.2 配煤摻燒決策系統(tǒng)

由于電廠存煤多樣性、煤種存放周期不同等問題，該軟件涵蓋配煤優(yōu)化決策。決策系統(tǒng)以電廠的經(jīng)濟(jì)性為主要指標(biāo)，衡量不同存煤煤種摻混的優(yōu)劣，統(tǒng)籌考慮鍋爐燃燒的安全性和環(huán)保指標(biāo)。

理論依據(jù)及工具：配煤優(yōu)化計算基礎(chǔ)理論、線性規(guī)劃理論；窮舉法、多目標(biāo)優(yōu)化法等數(shù)學(xué)工具。

圖1 煤質(zhì)評價模塊

圖2 煤場三維顯示系統(tǒng)

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：磨煤機(jī)的實(shí)際出力（包括碾磨出力、干燥出力和通風(fēng)出力，根據(jù)不同煤種取三者中的最小者）；經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)；燃料成本；脫硫成本；環(huán)保成本。

提供固定不同煤種間摻混的配煤方案，可以手動設(shè)置每種煤的最低、最高比例，優(yōu)化目標(biāo)可以選擇安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、熱值、灰分、硫分等，輸出多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果，給出負(fù)荷要求的多種組合，選擇最佳配比，轉(zhuǎn)化為輸煤、上煤計劃，更新配煤計劃界面煤種加權(quán)信息，也可在此界面修改計劃，經(jīng)過審核后正式發(fā)布。

原煤倉動態(tài)監(jiān)測：實(shí)時、準(zhǔn)確地區(qū)分由煤倉進(jìn)入制粉系統(tǒng)的燃煤種類，預(yù)測入爐煤煤種變化。

機(jī)組性能實(shí)時計算：煤質(zhì)信息實(shí)時跟蹤，在現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上建立基于支持向量機(jī)的飛灰含碳量預(yù)測模型，從而評估機(jī)組的運(yùn)行性能。

機(jī)組變煤種性能預(yù)測：結(jié)合鍋爐燃燒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對變煤種后機(jī)組相關(guān)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測。

實(shí)時煤耗計算和歷史煤耗統(tǒng)計功能：通過給煤量、煤的熱值、發(fā)電功率、廠用電率計算實(shí)時發(fā)電和供電煤耗，并提供報表查詢功能。

3 社會效益及經(jīng)濟(jì)效益

在滿足鍋爐燃燒對煤質(zhì)要求的前提下，在大型電站鍋爐上應(yīng)用混煤燃燒技術(shù)可降低發(fā)電成本，保證混煤特性與鍋爐設(shè)計參數(shù)相匹配，燃燒穩(wěn)定，避免灰渣沾污或結(jié)渣，實(shí)現(xiàn)鍋爐額定出力和滿負(fù)荷運(yùn)行，降低飛灰、灰渣含碳量，提高燃燒效率與鍋爐熱效率，節(jié)約燃煤。

對可門發(fā)電公司600MW燃煤機(jī)組某一固定摻燒比例下的燃燒調(diào)整進(jìn)行優(yōu)化后，保守估算機(jī)組供電煤耗可下降0.6g／（kW·h），影響供電成本0.0017～0.0035元／（kW·h）。應(yīng)用摻配煤系統(tǒng)指導(dǎo)摻燒，按1臺機(jī)組年發(fā)電量38億kW·h計算，每臺機(jī)組可節(jié)省燃料費(fèi)用646萬元（由于摻配結(jié)論和決策系統(tǒng)4臺機(jī)組可共用，實(shí)際收益更為可觀）；每年可節(jié)約燃煤2280 t，減排CO25974 t，SO219.4 t，NOx16.9 t，經(jīng)濟(jì)效益及社會效益良好。

［1］華東六省一市電機(jī)工程學(xué)會.600MW火力發(fā)電機(jī)組培訓(xùn)教材：鍋爐設(shè)備及系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，2001.

［2］華電電力科學(xué)研究院.基于負(fù)荷需求的復(fù)雜煤質(zhì)約束條件下機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究報告［R］.杭州：華電電力科學(xué)研究院，2013.

（本文責(zé)編：劉芳）

TM 621

：A

：1674-1951（2015）06-0021-04

張建科（1975—），男，陜西西安人，副主任，工程師，從事電廠運(yùn)行技術(shù)管理和安全管理工作（E-mail：keke7428＠163.com）。

2014-12-05；

2015-05-06

周立群（1978—），男，黑龍江依安人，發(fā)電部值長，工程師，從事電廠運(yùn)行技術(shù)管理工作（E-mail：liqun_zhou＠126. com）。