基于數(shù)據(jù)挖掘的電廠燃煤采購(gòu)決策方法與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

桑士杰，董 澤

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

近年來(lái)，電煤供應(yīng)緊張，煤價(jià)不斷上漲，部分電廠甚至出現(xiàn)過(guò)缺煤停機(jī)的現(xiàn)象。市場(chǎng)煤源多、價(jià)格各異，且質(zhì)量參差不齊，往往偏離鍋爐的設(shè)計(jì)煤種，對(duì)火電機(jī)組運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)很大影響。因此，對(duì)于采購(gòu)什么樣的煤種才最符合火電廠的利益，是一個(gè)值得探討的問(wèn)題，需要明確煤質(zhì)特性變化對(duì)發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)性影響。

目前，針對(duì)煤質(zhì)變化對(duì)電廠運(yùn)行工況和發(fā)電成本影響的研究主要是通過(guò)變煤種熱力試驗(yàn)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法需要投入較大的人力、物力和財(cái)力，消耗相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，考慮到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，要將各種煤種在不同負(fù)荷下都做試驗(yàn)不太現(xiàn)實(shí)，而且在試驗(yàn)工況下得到的結(jié)果與機(jī)組實(shí)際運(yùn)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(duì)電廠近3年的煤質(zhì)在線歷史數(shù)據(jù)和機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的挖掘，在分析煤質(zhì)與機(jī)組關(guān)聯(lián)性的基礎(chǔ)上量化各項(xiàng)指標(biāo)，提出了評(píng)價(jià)煤質(zhì)對(duì)電廠經(jīng)濟(jì)性影響的計(jì)算模型，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一套燃煤采購(gòu)優(yōu)化指導(dǎo)系統(tǒng)。

1 煤質(zhì)變化對(duì)電廠經(jīng)濟(jì)性影響分析與計(jì)算建模

煤質(zhì)是電廠鍋爐設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)組燃燒的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐效率產(chǎn)生很大的影響，還會(huì)影響熱交換器等設(shè)備的磨損腐蝕、輸煤磨煤等輔機(jī)的耗電以及除塵效率和煙氣排放等諸多過(guò)程。

1.1 煤質(zhì)變化對(duì)電廠經(jīng)濟(jì)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(biāo)，發(fā)熱量偏離設(shè)計(jì)煤種時(shí)，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(huì)增加，對(duì)于遠(yuǎn)離煤礦的發(fā)電企業(yè)來(lái)說(shuō)，將增大燃煤的倒運(yùn)費(fèi)用，故障率增加，從而影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，增大運(yùn)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(biāo)，相應(yīng)的排污繳費(fèi)也將劇增;煙氣含硫量增大，將導(dǎo)致鍋爐受熱面的腐蝕加劇，特別是空預(yù)器的使用壽命將大大減少，從而增加設(shè)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(yùn)輸負(fù)擔(dān)，而且還會(huì)對(duì)發(fā)電過(guò)程的其他環(huán)節(jié)產(chǎn)生負(fù)面影響。同時(shí)用于加熱灰分的熱量消耗亦隨之增加，從而導(dǎo)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(shí)增加了運(yùn)輸?shù)膲毫Γ€會(huì)對(duì)電廠的卸煤、磨煤、輸煤等過(guò)程造成困難。

通過(guò)以上分析可知，煤質(zhì)變化對(duì)電廠經(jīng)濟(jì)性影響評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不僅要考慮燃煤采購(gòu)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(dòng)，包括輔機(jī)耗電成本、污染排放成本、脫硫運(yùn)行成本、煤場(chǎng)裝載倒運(yùn)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(jì)性計(jì)算模型的建立

煤質(zhì)變化將影響燃煤采購(gòu)成本以及其他運(yùn)行成本，本文將這幾項(xiàng)成本之和看作一個(gè)整體稱為綜合成本，用Czh表示，作為燃煤經(jīng)濟(jì)性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。綜合成本越低的煤種對(duì)于電廠來(lái)說(shuō)就越經(jīng)濟(jì)，其數(shù)學(xué)模型為

式中:Czh為綜合成本，萬(wàn)元;Crm為燃煤采購(gòu)成本，萬(wàn)元;Cfj為輔機(jī)耗電成本，萬(wàn)元;Czd為裝卸倒運(yùn)成本，萬(wàn)元;Ctl為脫硫附加成本，萬(wàn)元;Cwx為設(shè)備維護(hù)成本，萬(wàn)元;Cpw為污染排放費(fèi)用，萬(wàn)元。

(1)燃煤采購(gòu)成本，本文定義為在一定計(jì)劃發(fā)電量的情況下，為滿足發(fā)電需要而采購(gòu)的某種燃煤費(fèi)用，因煤質(zhì)不同導(dǎo)致煤價(jià)與所需煤量發(fā)生變化，因而燃煤采購(gòu)成本也會(huì)不同。燃煤采購(gòu)成本可按下式計(jì)算:

式中:Bf為計(jì)劃電量下所需的原煤量，t;Pmj為原煤?jiǎn)蝺r(jià)，元/t;Wf為計(jì)劃電量，萬(wàn)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(shí)機(jī)組的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)，能夠反映火電廠生產(chǎn)技術(shù)完善程度和經(jīng)濟(jì)效果。本文通過(guò)回歸分析的方法對(duì)不同負(fù)荷下的發(fā)電煤耗進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

(2)輔機(jī)耗電成本，此處指與煤質(zhì)相關(guān)較大的輔機(jī)在計(jì)劃發(fā)電量下的耗電成本，包括輸煤、磨煤、送風(fēng)、除塵以及除灰等輔機(jī)設(shè)備，計(jì)算公式為

式中:Di為某輔機(jī)的單耗，kW·h/t;Pdj為上網(wǎng)電價(jià)，元/(kW·h)，一定工況下的輔機(jī)單耗亦通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘方法進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。

(3)裝載倒運(yùn)成本，與煤量成正比，公式為

式中:Pzd為裝載倒運(yùn)單價(jià)，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(xiàng)成本主要指比重較大的脫硫設(shè)備耗電費(fèi)用和脫硫劑費(fèi)用，計(jì)算公式為

式中:Chd為脫硫系統(tǒng)耗電成本，萬(wàn)元;Ej為脫硫系統(tǒng)耗電量，kW·h;Ctlj為脫硫劑費(fèi)用，萬(wàn)元;Mtlj為脫硫劑使用量，t;Ptlj為脫硫劑單價(jià)，元/t;Cxpj為消泡劑費(fèi)用;萬(wàn)元，Mxpj消泡劑使用量，t;Pxpj為消泡劑單價(jià)，元/t。

(5)設(shè)備維護(hù)成本，主要指由于煤質(zhì)變化導(dǎo)致的受熱面磨損、腐蝕以及爆管等造成的維修成本。實(shí)際情況中由于設(shè)備維修的滯后性以及復(fù)雜性，量化分析比較困難，本文通過(guò)對(duì)近3年的防磨防爆記錄以及相關(guān)的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來(lái)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(fèi)根據(jù)國(guó)家或當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門制定的收費(fèi)制度執(zhí)行，其中不同電廠對(duì)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(xiàng)成本現(xiàn)階段采用物料平衡算法核定排放量，征收排污費(fèi)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(yīng)用

通過(guò)對(duì)計(jì)算模型的分析可知，整個(gè)計(jì)算方法的關(guān)鍵與難點(diǎn)在于如何合理確定不同煤質(zhì)在相應(yīng)工況下的發(fā)電煤耗、輔機(jī)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(jì)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(guò)程中邊界過(guò)硬與部分?jǐn)?shù)據(jù)高偏度的弱點(diǎn)，建立預(yù)測(cè)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(yīng)用可參見文獻(xiàn)[3～7]。

設(shè) I={i1，i2，…，im}為所有項(xiàng)目的集合，事務(wù)T是一個(gè)項(xiàng)目子集，D為事務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，關(guān)聯(lián)規(guī)則一般表示為如下形式的邏輯蘊(yùn)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(lái)度量。

若D中S%的事務(wù)同時(shí)包含X和Y，則稱X?Y的支持度為S，計(jì)算公式為

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

關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的目標(biāo)在于找到同時(shí)滿足最小支持度和最小置信度的強(qiáng)規(guī)則，但是這兩個(gè)指標(biāo)并不能避免產(chǎn)生負(fù)相關(guān)或者無(wú)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(jiǎn)稱為Aff(X，Y)，計(jì)算公式為

若Aff(X，Y)的取值在 (0，1]之間則表示X對(duì)Y起促進(jìn)作用，實(shí)用價(jià)值大;取值為0，表示X與Y之間沒(méi)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(duì)Y起抑制作用。

為更好地說(shuō)明數(shù)據(jù)挖掘在確定煤質(zhì)經(jīng)濟(jì)參數(shù)上的應(yīng)用，對(duì)該電廠75%負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行工況時(shí)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàng)，脫硫系統(tǒng)耗電量作為后項(xiàng)，為統(tǒng)一量綱，將各字段歸一化到[0，1]，并進(jìn)行模糊化處理，給定最小支持度為20%，最小置信度為65%，通過(guò)挖掘并反模糊化得到的強(qiáng)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(fù)荷下，當(dāng)燃煤含硫量在0.5% ～0.6%區(qū)間時(shí)，脫硫系統(tǒng)耗電量在218～218.9 kW·h內(nèi)，取強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則的中心值作為基準(zhǔn)值，即當(dāng)含硫量為0.55時(shí)，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(zhǔn)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(jì)性參數(shù)的確定可參照此方法進(jìn)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(shí)例分析

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)

在前面煤質(zhì)變化對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響的理論分析與數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，本文開發(fā)了燃煤采購(gòu)優(yōu)化指導(dǎo)系統(tǒng)，將理論結(jié)果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)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(tái)，開發(fā)工具為Visual C++6.0與Visual Studio 2008，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用了SQL Server 2000。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型，煤質(zhì)經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算程序流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

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

從整體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)可分為3個(gè)獨(dú)立模塊:(1)輸入模塊。由網(wǎng)頁(yè)輸入，具有界面友好，操作方便的特點(diǎn)，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(jià)等;機(jī)組參數(shù)，包括裝機(jī)容量、計(jì)劃發(fā)電量等;其他經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，包括上網(wǎng)電價(jià)、SO2排放單價(jià)等。該模塊具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，輸入過(guò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，下次輸入時(shí)可直接調(diào)用，避免重復(fù)輸入，同時(shí)可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除與修改的操作。(2)計(jì)算模塊。根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果與數(shù)學(xué)模型對(duì)煤質(zhì)的發(fā)電成本進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，為保證運(yùn)行的速度，該模塊由VC++實(shí)現(xiàn)，在后臺(tái)運(yùn)行，當(dāng)有需要分析的煤質(zhì)輸入時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算，并將結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。(3)輸出模塊。采用B/S模式，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行展示輸出，主要包括輔機(jī)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(duì)不同煤種的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，通過(guò)對(duì)比分析，使電廠對(duì)煤質(zhì)的發(fā)電成本有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，從而在煤質(zhì)多變的情況下為確定適合本廠的最經(jīng)濟(jì)煤種提供決策依據(jù)，指導(dǎo)燃煤采購(gòu)，降低發(fā)電成本。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

本文以某電廠SG-1080/17.6-M866亞臨界鍋爐機(jī)組為例，進(jìn)行煤質(zhì)經(jīng)濟(jì)性分析。煤質(zhì)資料表1中的4種燃煤為該廠供應(yīng)量較大的典型煤種。在計(jì)算期內(nèi)發(fā)電量、負(fù)荷一定的情況下，對(duì)電廠近3年的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，通過(guò)關(guān)聯(lián)規(guī)則算法確定了煤質(zhì)特性與各項(xiàng)成本參數(shù)的關(guān)系，并進(jìn)行了預(yù)測(cè)計(jì)算，通過(guò)數(shù)學(xué)模型確定了性價(jià)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(jì)劃發(fā)電量為762 120萬(wàn)kW·h(年度計(jì)劃電量)，負(fù)荷為電廠長(zhǎng)期運(yùn)行的平均負(fù)荷240 MW的工況下，得到的計(jì)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(jī)的單耗變化不大，機(jī)組的發(fā)電煤耗相應(yīng)發(fā)生變化，煤質(zhì)較好時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)電煤耗較低，折算到相同計(jì)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(wàn)t煤，意味著要多購(gòu)買、多運(yùn)輸、多輸煤、多磨煤91.7萬(wàn)t煤，其他相關(guān)輔機(jī)的電耗也將增加。

表2 不同煤質(zhì)下相關(guān)經(jīng)濟(jì)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(guò)對(duì)表3進(jìn)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(xiàng)對(duì)應(yīng)的成本支出也急劇增加。(2)設(shè)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(duì)應(yīng)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(jī)耗電成本和倒運(yùn)成本也就大幅增加。(4)燃煤采購(gòu)成本占總成本的80%以上，為最大的成本支出，但燃煤采購(gòu)成本越低并不意味著越經(jīng)濟(jì)，還應(yīng)考慮發(fā)電過(guò)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(jì)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(jì)的煤種，在燃煤采購(gòu)時(shí)不僅要考慮煤炭?jī)r(jià)格造成的成本差異，還應(yīng)綜合考慮煤質(zhì)變化對(duì)電廠運(yùn)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(duì)火電廠面臨的煤質(zhì)多變與成本壓力的實(shí)際問(wèn)題，本文找到了一種綜合評(píng)價(jià)電廠燃煤經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算模型，作為火電廠最優(yōu)經(jīng)濟(jì)煤種采購(gòu)的決策依據(jù)，不僅考慮了煤質(zhì)變化對(duì)煤價(jià)波動(dòng)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(gòu)指導(dǎo)軟件運(yùn)行結(jié)果與該廠的經(jīng)驗(yàn)值相符，對(duì)于降低火力發(fā)電成本，保證電廠的合理利潤(rùn)具有實(shí)際意義。

(2)本文計(jì)算模型的核心為煤質(zhì)與機(jī)組各發(fā)電成本的關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)近3年的煤質(zhì)在線數(shù)據(jù)與機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠提取出海量數(shù)據(jù)中隱含的規(guī)律，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)計(jì)算，與變煤種熱力試驗(yàn)等方法相比，節(jié)省了時(shí)間、物力和人力，不僅方便快捷而且因?yàn)榛跈C(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，更能反映機(jī)組的實(shí)際狀況。