基于数据的火电厂精细化配煤掺烧应用实践

段 慧，罗立洁，于大龙

(1.吉林电力股份有限公司长春热电分公司，吉林 长春 130022；2.北京尚清碧源科技有限责任公司，北京 100166)

受“电力先行”国民经济发展政策影响，从20世纪90年代开始，火力发电行业获得空前发展，火电厂与煤源的一一对应关系就此被打破，采用混合煤种取代设计煤种是配煤掺烧第1个历史阶段的主要任务。随着煤炭市场的放开，燃用煤种的选择范围变大，火电厂采用掺配煤种来降低入炉煤标煤单价，提高发电经济效益是配煤掺烧第2个历史阶段的主要目的。进入21世纪，“碳达峰”、“碳中和”被提上日程，能源政策的调整将不可避免地给火电厂带来难以预计的影响。深度挖掘配煤掺烧潜力，进一步提高发电经济效益，从容应对深度调峰和煤炭市场的波动变化，提高现货交易市场竞争力将是火电厂配煤掺烧第3个发展阶段的主要任务[1-4]。

吉林电力股份有限公司长春热电分公司(以下简称CC热电厂)装机容量为2×350 MW，年共需燃煤约284.42×104t，锅炉设计煤种为内蒙古霍林河褐煤，煤场设计储量为7万t。2020年度总发电量27.93亿kWh，总发电小时数14 554 h，总煤耗量96.23万t标煤，经济煤种掺配量约为11.55万t标煤，约占总标煤耗量的12%。

配煤掺烧要求在响应机组负荷变化情况下，既要保证烟气二氧化硫达标排放，又要确保机组安全稳定运行。由于缺少数据采集和数据处理等技术手段，且手工配煤计算只能针对低位发热量、硫分等少量煤质控制性参数进行处理，大多数情况只能依靠经验来控制入炉煤煤质。

出于对机组安全、稳定运行和烟气达标排放的考虑，在不能准确掌握入炉煤质的情况下，配煤掺烧会较多地选择燃用适烧煤种，而降低经济煤种的掺烧比例。

同时，由于煤炭市场行情的波动以及发电负荷的变化，煤场很难保持一个动态、合理的存煤机构来响应配煤掺烧的需求。因此也经常会错过经济煤种的掺烧机会。

1 问题分析

通过提高经济煤种的掺配力度，来降低入炉煤标煤单价，最终降低入厂煤标煤单价，节省燃料采购成本是精细化配煤掺烧的主要目的。提升机组掺配经济煤种的能力，必须首先满足以下2个前提条件[5-6]。

a.入炉煤质的精准控制

只有通过对入炉煤低位发热量、灰分、水分、硫分、挥发分和灰熔点等煤质控制性指标进行精确计算，满足《动力配煤规范》要求，才能在保障机组安全、稳定运行的前提下，有效提高经济煤种的掺配水平。所以，对煤质控制性指标以及煤种、煤量等掺配指标进行计算，精准控制入炉煤质是精细化配煤掺烧的第1个前提条件。

b.煤场存煤结构的动态优化

配煤掺烧要求煤场既要保有充足的适烧煤种，用以保障机组发电负荷需求，同时还必须保有一定量的配烧煤种和经济煤种，以满足掺烧需求。所以，对包括发电负荷在内的配煤数据进行统计和分析，并结合煤炭市场行情，实时优化煤场存煤结构是精细化配煤掺烧的第2个前提条件。

2 现有条件

配煤计算是指在配煤掺烧过程中，为得到最优的煤种组合、掺混比例、掺配煤量和混合煤质等数据，对煤质分析和原煤存放等配煤数据进行计算的过程。参与计算的数据主要包括煤质分析数据和原煤存放数据[7]。

煤质分析数据主要包括低位发热量、挥发分、硫分、灰分、水分和全钠以及灰熔融软化温度、哈氏可磨系数和防爆指数等。CC热电厂煤质分析数据来源于入厂煤煤质检测，并根据入厂煤批次的化验结果进行更新，存放于燃料管理信息系统数据库。煤质数据由煤质检测中心负责管理，主要用作燃料采购结算依据。

原煤存放数据主要包括存放于煤场的各煤种名称、存放数量及入场时间等。原煤存放数据来源于燃料管理，根据煤场“进耗存”统计结果制作报表，每日更新一次，以Excel表格形式保存。原煤存放数据由发电部负责管理。

3 目标任务

配煤计算需要处理大量的煤质分析和原煤存放数据。因此，首先需要采用必要的技术手段让数据流通起来，提高数据的利用价值；其次是采用针对性的计算机算法程序，解决人工算力不足的问题，增强数据处理能力，提高数据利用效率。

a.数据采集

准确、可靠的煤质分析数据和原煤存放数据是配煤计算的前提，由于数据分散在燃料和发电等各个管理部门，且数据量庞大。因此，需要利用现有网络和IT技术，实现配煤数据自动采集。

b.系统算法和算力

配煤计算不仅需要对煤种组合、掺配比例和入炉煤量进行计算，还必须对发热量、挥发分、灰分、硫分和水分等煤质分析数据进行计算。计算过程复杂，且计算量巨大，需要开发专门的算法程序解决计算系统算法和算力等问题[8]。

c.数据统计与分析

设计专用数据库存储历史配煤数据，并允许对其进行统计和分析处理，为燃料采购策略和煤场存煤提供数据支持。

d.数据共享

设计专用的数据发布程序，允许用户使用通用网络浏览器访问配煤数据，实现数据共享，提高配煤掺烧协作能力。

4 系统方案及应用

4.1 方案

整体方案的核心内容是在CC热电厂配煤掺烧工作流程的前端引入一个程序计算环节，并以此为基础建立一个实时配煤计算系统。系统包括数据采集、数据处理、数据统计与分析和数据发布等4个功能模块，并设有相应的系统操作界面，满足系统对数据的输入、识别、传递、发送和接收等需求。图1为配煤计算系统数据通信示意图。

图1 配煤计算系统数据通信示意图

配煤计算系统的数据采集模块利用内部网络通信和应用程序接口(API)采集煤质分析和燃煤存放等计算所需的配煤数据；数据处理模块采用专门设计的算法程序，根据机组负荷预测实时进行煤种组合、掺混比例、掺配煤量和混煤煤质计算；数据统计和分析模块利用系统数据库对数据进行存储、查询、统计和分析处理；数据发布模块负责向燃料、辅机运行和相关管理人员等内网用户发布配煤数据或提供文件共享。

4.2 系统应用

配煤计算过程包括数据更新、数据检查、数据修正、变量输入、方案输出和数据发布等步骤。图2为配煤计算流程。

图2 配煤计算流程

配煤计算系统允许对现存的煤质分析和原煤存放等数据进行更新，并允许对采集的数据进行修正，以保障配煤数据的实时性和准确性。在完成数据的采集、检查和修正等准备工作后，运行人员可在系统操作界面中输入机组负荷和燃用小时等配煤变量，系统自动完成配煤计算过程，并输出包括煤种组合、掺混比例、掺混煤量和混煤煤质等内容的配煤方案。

同时系统提供辅助功能，允许指定或禁用掺烧煤种，满足燃煤管理的需求；允许本地用户对已经存盘和发布的配煤方案进行撤回操作，迅速响应对现场生产条件的变化重新进行配煤计算。

根据2021年3月燃料管理“进存耗”数据做技术经济比较。采用配煤计算系统可使经济煤种的平均掺配量从377 t/d升至918 t/d，相比之前掺配水平提升了2.4倍。经济煤种的平均掺配比例可从12%升至28%。同时，可降低平均入炉煤标煤单价27元/t。按照3月标煤耗量12万t计算，可节省燃料采购成本324万元。说明通过入炉煤质的精准控制，可以明显提升机组经济煤种的掺配水平，降低入炉煤标煤单价。

5 结语

该系统利用火电厂现有的通信网络自动采集和发布配煤数据，实现了分散数据的集中处理，提高了数据利用效率。采用程序算法替代人工手动计算，实时、快速、准确地完成了配煤计算并输出配煤方案，大大提高了数据处理能力，实现了入炉煤质精准控制和煤场存煤结构动态优化，有效解决了精细化配煤掺烧的瓶颈问题，显著提高了机组对经济煤种的掺配水平，降低了入炉煤标煤单价，节省了燃煤采购成本，提高了发电经济效益。