段 慧，羅立潔，于大龍

(1.吉林電力股份有限公司長春熱電分公司，吉林 長春 130022；2.北京尚清碧源科技有限責(zé)任公司，北京 100166)

受“電力先行”國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策影響，從20世紀(jì)90年代開始，火力發(fā)電行業(yè)獲得空前發(fā)展，火電廠與煤源的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系就此被打破，采用混合煤種取代設(shè)計(jì)煤種是配煤摻燒第1個(gè)歷史階段的主要任務(wù)。隨著煤炭市場的放開，燃用煤種的選擇范圍變大，火電廠采用摻配煤種來降低入爐煤標(biāo)煤單價(jià)，提高發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益是配煤摻燒第2個(gè)歷史階段的主要目的。進(jìn)入21世紀(jì)，“碳達(dá)峰”、“碳中和”被提上日程，能源政策的調(diào)整將不可避免地給火電廠帶來難以預(yù)計(jì)的影響。深度挖掘配煤摻燒潛力，進(jìn)一步提高發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益，從容應(yīng)對(duì)深度調(diào)峰和煤炭市場的波動(dòng)變化，提高現(xiàn)貨交易市場競爭力將是火電廠配煤摻燒第3個(gè)發(fā)展階段的主要任務(wù)[1-4]。

吉林電力股份有限公司長春熱電分公司(以下簡稱CC熱電廠)裝機(jī)容量為2×350 MW，年共需燃煤約284.42×104t，鍋爐設(shè)計(jì)煤種為內(nèi)蒙古霍林河褐煤，煤場設(shè)計(jì)儲(chǔ)量為7萬t。2020年度總發(fā)電量27.93億kWh，總發(fā)電小時(shí)數(shù)14 554 h，總煤耗量96.23萬t標(biāo)煤，經(jīng)濟(jì)煤種摻配量約為11.55萬t標(biāo)煤，約占總標(biāo)煤耗量的12%。

配煤摻燒要求在響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷變化情況下，既要保證煙氣二氧化硫達(dá)標(biāo)排放，又要確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。由于缺少數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)手段，且手工配煤計(jì)算只能針對(duì)低位發(fā)熱量、硫分等少量煤質(zhì)控制性參數(shù)進(jìn)行處理，大多數(shù)情況只能依靠經(jīng)驗(yàn)來控制入爐煤煤質(zhì)。

出于對(duì)機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行和煙氣達(dá)標(biāo)排放的考慮，在不能準(zhǔn)確掌握入爐煤質(zhì)的情況下，配煤摻燒會(huì)較多地選擇燃用適燒煤種，而降低經(jīng)濟(jì)煤種的摻燒比例。

同時(shí)，由于煤炭市場行情的波動(dòng)以及發(fā)電負(fù)荷的變化，煤場很難保持一個(gè)動(dòng)態(tài)、合理的存煤機(jī)構(gòu)來響應(yīng)配煤摻燒的需求。因此也經(jīng)常會(huì)錯(cuò)過經(jīng)濟(jì)煤種的摻燒機(jī)會(huì)。

1 問題分析

通過提高經(jīng)濟(jì)煤種的摻配力度，來降低入爐煤標(biāo)煤單價(jià)，最終降低入廠煤標(biāo)煤單價(jià)，節(jié)省燃料采購成本是精細(xì)化配煤摻燒的主要目的。提升機(jī)組摻配經(jīng)濟(jì)煤種的能力，必須首先滿足以下2個(gè)前提條件[5-6]。

a.入爐煤質(zhì)的精準(zhǔn)控制

只有通過對(duì)入爐煤低位發(fā)熱量、灰分、水分、硫分、揮發(fā)分和灰熔點(diǎn)等煤質(zhì)控制性指標(biāo)進(jìn)行精確計(jì)算，滿足《動(dòng)力配煤規(guī)范》要求，才能在保障機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，有效提高經(jīng)濟(jì)煤種的摻配水平。所以，對(duì)煤質(zhì)控制性指標(biāo)以及煤種、煤量等摻配指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，精準(zhǔn)控制入爐煤質(zhì)是精細(xì)化配煤摻燒的第1個(gè)前提條件。

b.煤場存煤結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化

配煤摻燒要求煤場既要保有充足的適燒煤種，用以保障機(jī)組發(fā)電負(fù)荷需求，同時(shí)還必須保有一定量的配燒煤種和經(jīng)濟(jì)煤種，以滿足摻燒需求。所以，對(duì)包括發(fā)電負(fù)荷在內(nèi)的配煤數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并結(jié)合煤炭市場行情，實(shí)時(shí)優(yōu)化煤場存煤結(jié)構(gòu)是精細(xì)化配煤摻燒的第2個(gè)前提條件。

2 現(xiàn)有條件

配煤計(jì)算是指在配煤摻燒過程中，為得到最優(yōu)的煤種組合、摻混比例、摻配煤量和混合煤質(zhì)等數(shù)據(jù)，對(duì)煤質(zhì)分析和原煤存放等配煤數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的過程。參與計(jì)算的數(shù)據(jù)主要包括煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)和原煤存放數(shù)據(jù)[7]。

煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)主要包括低位發(fā)熱量、揮發(fā)分、硫分、灰分、水分和全鈉以及灰熔融軟化溫度、哈氏可磨系數(shù)和防爆指數(shù)等。CC熱電廠煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)來源于入廠煤煤質(zhì)檢測，并根據(jù)入廠煤批次的化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行更新，存放于燃料管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。煤質(zhì)數(shù)據(jù)由煤質(zhì)檢測中心負(fù)責(zé)管理，主要用作燃料采購結(jié)算依據(jù)。

原煤存放數(shù)據(jù)主要包括存放于煤場的各煤種名稱、存放數(shù)量及入場時(shí)間等。原煤存放數(shù)據(jù)來源于燃料管理，根據(jù)煤場“進(jìn)耗存”統(tǒng)計(jì)結(jié)果制作報(bào)表，每日更新一次，以Excel表格形式保存。原煤存放數(shù)據(jù)由發(fā)電部負(fù)責(zé)管理。

3 目標(biāo)任務(wù)

配煤計(jì)算需要處理大量的煤質(zhì)分析和原煤存放數(shù)據(jù)。因此，首先需要采用必要的技術(shù)手段讓數(shù)據(jù)流通起來，提高數(shù)據(jù)的利用價(jià)值；其次是采用針對(duì)性的計(jì)算機(jī)算法程序，解決人工算力不足的問題，增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，提高數(shù)據(jù)利用效率。

a.數(shù)據(jù)采集

準(zhǔn)確、可靠的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)和原煤存放數(shù)據(jù)是配煤計(jì)算的前提，由于數(shù)據(jù)分散在燃料和發(fā)電等各個(gè)管理部門，且數(shù)據(jù)量龐大。因此，需要利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和IT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)配煤數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。

b.系統(tǒng)算法和算力

配煤計(jì)算不僅需要對(duì)煤種組合、摻配比例和入爐煤量進(jìn)行計(jì)算，還必須對(duì)發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰分、硫分和水分等煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過程復(fù)雜，且計(jì)算量巨大，需要開發(fā)專門的算法程序解決計(jì)算系統(tǒng)算法和算力等問題[8]。

c.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

設(shè)計(jì)專用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)歷史配煤數(shù)據(jù)，并允許對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析處理，為燃料采購策略和煤場存煤提供數(shù)據(jù)支持。

d.數(shù)據(jù)共享

設(shè)計(jì)專用的數(shù)據(jù)發(fā)布程序，允許用戶使用通用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問配煤數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提高配煤摻燒協(xié)作能力。

4 系統(tǒng)方案及應(yīng)用

4.1 方案

整體方案的核心內(nèi)容是在CC熱電廠配煤摻燒工作流程的前端引入一個(gè)程序計(jì)算環(huán)節(jié)，并以此為基礎(chǔ)建立一個(gè)實(shí)時(shí)配煤計(jì)算系統(tǒng)。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析和數(shù)據(jù)發(fā)布等4個(gè)功能模塊，并設(shè)有相應(yīng)的系統(tǒng)操作界面，滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的輸入、識(shí)別、傳遞、發(fā)送和接收等需求。圖1為配煤計(jì)算系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信示意圖。

圖1 配煤計(jì)算系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信示意圖

配煤計(jì)算系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊利用內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信和應(yīng)用程序接口(API)采集煤質(zhì)分析和燃煤存放等計(jì)算所需的配煤數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊采用專門設(shè)計(jì)的算法程序，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷預(yù)測實(shí)時(shí)進(jìn)行煤種組合、摻混比例、摻配煤量和混煤煤質(zhì)計(jì)算；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析模塊利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)和分析處理；數(shù)據(jù)發(fā)布模塊負(fù)責(zé)向燃料、輔機(jī)運(yùn)行和相關(guān)管理人員等內(nèi)網(wǎng)用戶發(fā)布配煤數(shù)據(jù)或提供文件共享。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用

配煤計(jì)算過程包括數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)修正、變量輸入、方案輸出和數(shù)據(jù)發(fā)布等步驟。圖2為配煤計(jì)算流程。

圖2 配煤計(jì)算流程

配煤計(jì)算系統(tǒng)允許對(duì)現(xiàn)存的煤質(zhì)分析和原煤存放等數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，并允許對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以保障配煤數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。在完成數(shù)據(jù)的采集、檢查和修正等準(zhǔn)備工作后，運(yùn)行人員可在系統(tǒng)操作界面中輸入機(jī)組負(fù)荷和燃用小時(shí)等配煤變量，系統(tǒng)自動(dòng)完成配煤計(jì)算過程，并輸出包括煤種組合、摻混比例、摻混煤量和混煤煤質(zhì)等內(nèi)容的配煤方案。

同時(shí)系統(tǒng)提供輔助功能，允許指定或禁用摻燒煤種，滿足燃煤管理的需求；允許本地用戶對(duì)已經(jīng)存盤和發(fā)布的配煤方案進(jìn)行撤回操作，迅速響應(yīng)對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)條件的變化重新進(jìn)行配煤計(jì)算。

根據(jù)2021年3月燃料管理“進(jìn)存耗”數(shù)據(jù)做技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。采用配煤計(jì)算系統(tǒng)可使經(jīng)濟(jì)煤種的平均摻配量從377 t/d升至918 t/d，相比之前摻配水平提升了2.4倍。經(jīng)濟(jì)煤種的平均摻配比例可從12%升至28%。同時(shí)，可降低平均入爐煤標(biāo)煤單價(jià)27元/t。按照3月標(biāo)煤耗量12萬t計(jì)算，可節(jié)省燃料采購成本324萬元。說明通過入爐煤質(zhì)的精準(zhǔn)控制，可以明顯提升機(jī)組經(jīng)濟(jì)煤種的摻配水平，降低入爐煤標(biāo)煤單價(jià)。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)利用火電廠現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)采集和發(fā)布配煤數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了分散數(shù)據(jù)的集中處理，提高了數(shù)據(jù)利用效率。采用程序算法替代人工手動(dòng)計(jì)算，實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地完成了配煤計(jì)算并輸出配煤方案，大大提高了數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)了入爐煤質(zhì)精準(zhǔn)控制和煤場存煤結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化，有效解決了精細(xì)化配煤摻燒的瓶頸問題，顯著提高了機(jī)組對(duì)經(jīng)濟(jì)煤種的摻配水平，降低了入爐煤標(biāo)煤單價(jià)，節(jié)省了燃煤采購成本，提高了發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益。