牛東風，李兆豐，盧進福，邵 頌

首鋼京唐公司，河北 唐山 063200

0 引言

煤-氣混燒汽輪發(fā)電機組多見于鋼鐵廠，原因在于鋼鐵企業(yè)主流程即煉鐵、煉鋼工藝流程，會產(chǎn)生大量的高爐煤氣、焦爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣等副產(chǎn)品。因此，基于循環(huán)經(jīng)濟設(shè)計背景的鋼鐵廠煤-氣混燒發(fā)電機組就成為較為理想的能源循環(huán)方式。因電廠機組的燃氣供應量要視煉鋼、煉鐵、焦化及全鋼廠的燃氣平衡確定，導致煤-氣混燒機組燃料調(diào)整較為頻繁，鍋爐輔機耗電功率波動較大，廠用電率參數(shù)不穩(wěn)定，上網(wǎng)電量預測準確性低等不利情況發(fā)生。鑒于以上情況，研究分析煤氣混燒機組的廠用電波動情況，建立相對合理精確的數(shù)學模型，對鋼鐵廠的整體能源電力平衡有重要意義[1]。

1 煤-氣混燒汽輪發(fā)電機組的主要耗能輔機

一般來說，鋼鐵廠自備電廠發(fā)電機組單機容量不超過300 MW。文章以國內(nèi)某鋼鐵公司自備電站機組為研究對象，分析廠用電指標的影響因素。

某鋼廠自備電廠配置2×300 MW煤氣混燒汽輪發(fā)電機組，主要廠用輔機耗電量情況如表1所示。其中，鍋爐系統(tǒng)輔機耗電占比最高，波動幅度最大，如圖1所示。鍋爐系統(tǒng)主要輔機設(shè)備包括2臺引風機、2臺送風機、2臺一次風機、5臺磨煤機，其中引風機額定功率達4 900 kW，是廠用電經(jīng)常性負荷中的最大負載，又因其運行工況直接受鍋爐燃料調(diào)整影響，電流波動頻繁且幅度較大。

圖1 多重應用場景下新能源電力系統(tǒng)儲能拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

表1 某典型月份廠用電系統(tǒng)主要輔機耗電情況

圖1 鍋爐鋪機耗電量占比圖

2 廠用電耗電量模型

該電廠正常運行時，在300 MW滿負荷工況下，引風機系統(tǒng)2臺引風機同時運行；磨煤機系統(tǒng)視高爐煤氣、焦爐煤氣摻燒情況分別投運3臺、4臺、5臺磨煤機運行；2臺一次風機耗電量基本隨給煤量正向變動；2臺送風機耗電量則與總?cè)剂狭肯嚓P(guān)，且電流基本穩(wěn)定。鍋爐輔機的耗電量情況隨機組工況不同變動較為明顯。文章重點分析負荷300 MW不變時，幾種不同燃燒運行方式下的鍋爐系統(tǒng)輔機主要運行參數(shù)情況。

廠用電消耗構(gòu)成可分為以下三個部分。（1）除鍋爐輔機外的用電部分，主要包括發(fā)電機系統(tǒng)廠用電負荷、汽輪機系統(tǒng)廠用電負荷。這部分用電負荷較為穩(wěn)定，在機組滿足負荷300 MW的工況下，這部分廠用電負荷基本不變。（2）廠用電公用部分。這部分負荷在機組滿負荷工況下，基本保持能耗恒定（3）鍋爐輔機部分。這部分可認為是耗煤量變量和高爐煤氣量、焦爐煤氣量變量的函數(shù)，這里著重分析鍋爐輔機部分耗電量[2-3]。

根據(jù)上述內(nèi)容，可以初步建立廠用電耗電量基礎(chǔ)模型：

根據(jù)數(shù)據(jù)可知，引風機電流與引風機總風量存在強相關(guān)關(guān)系。

初步自定義引風機風總量的計算式，其中高爐煤氣密度、焦爐煤氣密度初步按1.29 kg/m3和0.5 kg/m3計算，得到公式（4）。

總耗煤量與一次風量關(guān)系計算式如下：

磨煤機總耗電與總煤量關(guān)系計算式如下：

總風量關(guān)系計算式如下：

總風量與總煤量、高爐煤氣量、焦爐煤氣量關(guān)系計算式如下：

3 MATLAB多項式擬合

根據(jù)實際運行情況，分別采集記錄300 MW煤-氣混燒機組的鍋爐系統(tǒng)在不同工況下的運行數(shù)據(jù)，如表2所示。

根據(jù)表2，經(jīng)MATLAB擬合算法，得到一次風機電流-總耗煤量擬合曲線，如圖2所示。

表2 負荷300 MW 時不同燃料工況鍋爐系統(tǒng)參數(shù)

圖2 一次風機電流-總耗煤量擬合曲線

總風量與總煤量、高爐煤氣量、焦爐煤氣量關(guān)系計算式如下：

整理后可得到鍋爐輔機總耗電和燃料量間的擬合關(guān)系：

鍋爐輔機總耗電=引風機總耗電+一次風機總耗電+送風機總耗電+磨煤機總耗電=21.3×總煤量+1.4×高爐

以上是分參數(shù)分別進行MATLAB曲線擬合再綜合構(gòu)成廠用電模型公式，經(jīng)過多次擬合后，累計誤差過大而不可接受[4]。下面直接對鍋爐輔機總耗電進行分析，影響因素直接用高爐煤氣量、焦爐煤氣量、總煤量，得到式（16）：

利用MATLAB fmincon模塊進行最小值計算，可得出如下結(jié)論：當滿足總?cè)剂狭俊?30 t標準煤熱值的約束條件下，鍋爐輔機的最小耗電量工況發(fā)生時，燃煤、高爐煤氣、焦爐煤氣的優(yōu)先順序為焦爐煤氣→燃煤→高爐煤氣。

根據(jù)以上模型及計算分析，帶入數(shù)據(jù)驗證，并與現(xiàn)場實際運行情況比對，可以制定燃料摻燒的配比原則，即單從降低廠用電率角度考慮，要在滿足機組300 MW負荷熱值前提下盡量增加焦爐煤氣燃燒量，盡可能降低高爐煤氣摻燒量，對燃煤量作出相應調(diào)整。

需要注意的是，數(shù)學模型中對磨煤機的總耗電進行了線性處理，導致磨煤機系統(tǒng)在總煤量處于105～109 t范圍區(qū)間時，要注意3臺磨煤機工況至4臺磨煤機工況的轉(zhuǎn)換，此間數(shù)據(jù)可能需要單獨驗證。

4 結(jié)束語

煤氣混燒汽輪發(fā)電機組的廠用電耗電量波動情況較為復雜，文章以某300 MW電廠的煤-氣混燒機組作為研究對象，選擇發(fā)電機組不同典型工況下的典型參數(shù)，并借助MATLAB工業(yè)軟件的曲線擬合算法進行數(shù)據(jù)分析，提出了廠用電優(yōu)化調(diào)整的初步結(jié)論。研究的意義在于提出了一種廠用電耗電量的量化計算分析思路方法，對于廠用電量預測和生產(chǎn)計劃具有一定的參考意義。不足在于各種工況的選取具有局限性，數(shù)據(jù)量有限而導致曲線擬合后多項式精確度不足，系數(shù)值存在偏差。優(yōu)化思路應著重于各個工況下的單獨分析，即避免工況切換導致的參數(shù)變化影響，應在每個典型工況下分別單獨分析，進行大數(shù)據(jù)采集，以求得到更加準確的計算參數(shù)。