火電廠燃煤摻燒經(jīng)濟(jì)性邊界分析研究

金生祥

(北京能源集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100022)

隨著電力體制機(jī)制改革加快推進(jìn)，市場環(huán)境發(fā)生重大變化，煤電市場從“市場煤、計(jì)劃電”向“市場煤、市場電”轉(zhuǎn)變。在目前“年度固定量+月度指數(shù)定價”的煤炭定價模式和市場交易電價下降的情況下，煤電企業(yè)利潤進(jìn)一步壓縮，同時火電機(jī)組利用小時數(shù)下降，導(dǎo)致發(fā)電邊際成本持續(xù)上漲。

面對煤電行業(yè)經(jīng)營困難局面，部分煤電企業(yè)實(shí)施低熱值煤的配煤摻燒工作。煤電企業(yè)通過配煤摻燒有效降低了燃料成本，但隨之帶來了機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的劣化，供電煤耗、廠用電率、生產(chǎn)維護(hù)成本、灰渣處置費(fèi)升高等一系列問題。

國家對動力配煤以及鍋爐用煤技術(shù)條件均發(fā)布了相關(guān)的指導(dǎo)性文件[1]和技術(shù)規(guī)范[2]，國內(nèi)各發(fā)電集團(tuán)和煤電企業(yè)均制定燃煤摻燒的相關(guān)規(guī)定，同時國內(nèi)相關(guān)人員對燃煤摻燒技術(shù)的安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面也做了大量的研究分析工作，特別是在動力煤處于高價位時，關(guān)于煤電企業(yè)燃煤摻燒的研究更為活躍。

根據(jù)目前國內(nèi)關(guān)于燃煤摻燒的研究論述內(nèi)容，筆者主要在以下五個方面進(jìn)行了分析研究：

(1) 關(guān)于保障機(jī)組燃煤摻燒安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的技術(shù)分析，分享了不同煤種摻燒的具體措施和經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)了燃煤摻燒在降低煤電企業(yè)燃料成本的積極作用[3]。

(2) 對燃煤摻燒過程中購煤、運(yùn)輸、運(yùn)行、環(huán)保排放、熱值損失等環(huán)節(jié)成本分析建立模型，在滿足鍋爐安全運(yùn)行和燃燒效率下降不大的情況下，采取總成本最小化原則指導(dǎo)摻燒工作[4]。

(3) 分析不同比例燃煤摻燒時機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和成本變化范圍，綜合考慮燃料采購成本、發(fā)電煤耗、廠用電率、鍋爐效率、污染物排放控制費(fèi)和檢修費(fèi)等以確定綜合發(fā)電成本和利潤[5-6]。

(4) 研究分析大差別熱力特性煤種摻燒經(jīng)濟(jì)性的分析方法[7]。

(5) 關(guān)于電廠燃料管理和優(yōu)化配煤軟件系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用[8-9]。

在目前燃煤摻燒的研究基礎(chǔ)上，筆者對煤炭價格、鍋爐效率、燃煤水分、燃煤灰分、廠用電率、環(huán)保排放控制、煤場管理、灰渣處置、設(shè)備檢修等成本變化因素進(jìn)行綜合分析，將復(fù)雜成本變化因素的關(guān)系表達(dá)轉(zhuǎn)換為以低位熱值為變量的簡單實(shí)用變化關(guān)系，最終通過分析研究獲得燃煤摻燒的經(jīng)濟(jì)性邊界以及最大摻燒收益熱值確定的方法和模型，更好地指導(dǎo)燃煤摻燒工作。

1 燃煤摻燒經(jīng)濟(jì)性影響因素

1.1 煤炭價格

燃料成本約占煤電企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營成本的70%～80%。從2011年進(jìn)入“十二五”時期，隨著煤炭價格的回落，電力行業(yè)利潤總額逐年提升。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)， 2015年火電行業(yè)利潤實(shí)現(xiàn)新高，見圖1，BSPI(Bohai-Rim Steam-Coal Price Index)-23 017.5 kJ表示以收到基低位熱值23 017.5 kJ為代表規(guī)格的動力煤環(huán)渤海價格指數(shù)。

圖1 煤炭價格變化和行業(yè)利潤

從2016年進(jìn)入“十三五”時期，隨著煤炭價格急劇上漲，燃料成本大幅上升，利用小時數(shù)持續(xù)下降，火電行業(yè)利潤也急劇下降。燃料成本上漲成為了2017年煤電減利的最主要因素。

某煤電企業(yè)配置循環(huán)流化床機(jī)組，根據(jù)2015年到2017年該發(fā)電企業(yè)電價、燃料成本、利潤的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及國內(nèi)煤炭價格指數(shù)的變化情況，煤炭價格從2016年初最低位開始攀升，2017年中期處于比較平穩(wěn)的中高價位，燃料成本快速增長，電價降低19%，企業(yè)利潤從盈余轉(zhuǎn)為虧損，見圖2。

圖2 某煤電企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營情況

與全國火電行業(yè)相比，隨著煤炭價格上漲和電價下調(diào)，部分煤電企業(yè)利潤變化更加敏感，在2016年第二季度開始，該發(fā)電企業(yè)利潤已轉(zhuǎn)為虧損。在減利因素中，2016年標(biāo)煤單價上升的影響占到25%，電價下降的影響占到48%；2017年為標(biāo)煤單價上升的影響占52%，電價下降的影響占40%。

1.2 燃煤熱值

隨著電力行業(yè)煤電裝機(jī)的快速發(fā)展及嚴(yán)峻經(jīng)營形勢下多煤種摻燒的普及，部分煤電企業(yè)動力煤資源的供應(yīng)很難保障燃用單一礦區(qū)或單一煤種燃煤。鍋爐燃用非設(shè)計(jì)煤種的情況普遍存在。因此，筆者將燃煤熱值作為變量來表征燃料成本和生產(chǎn)成本的變化關(guān)系。

當(dāng)前煤電行業(yè)經(jīng)營形勢下，標(biāo)煤單價過高是制約發(fā)電企業(yè)效益水平的最主要因素。為了減輕煤價上漲對企業(yè)利潤的影響，部分企業(yè)加強(qiáng)了低熱值煤摻燒工作。根據(jù)燃用煤種到廠煤炭價格的折卡價(或折算標(biāo)煤單價)及標(biāo)煤用量得出燃料成本摻燒收益與煤種熱值的函數(shù)關(guān)系式為：

Crlsy,Q=(psj-pQ)·Mb

(1)

式中：Crlsy,Q為燃料成本摻燒收益，萬元；psj為設(shè)計(jì)熱值對應(yīng)的標(biāo)煤單價，元/t；pQ為不同熱值(摻燒比例)對應(yīng)綜合標(biāo)煤單價，元/t；Mb為發(fā)電量(或計(jì)劃電量)對應(yīng)標(biāo)煤量，萬t；Q為收到基低位熱值，kJ/kg。

從式(1)可以看出：pQ越小，Crlsy,Q越大。pQ由煤炭市場價格和煤種摻燒比例等因素決定。該發(fā)電企業(yè)通過摻燒非設(shè)計(jì)的低熱值煤降低了企業(yè)的綜合標(biāo)煤單價pQ，以設(shè)計(jì)熱值為基準(zhǔn)，不同熱值的燃料成本摻燒收益見圖3。

圖3 燃煤熱值與燃料成本的變化關(guān)系

該發(fā)電企業(yè)入廠煤主要分為兩類，主煤種為長協(xié)大礦煤，另一種為企業(yè)周邊的市場煤。2015年和2017年全廠綜合標(biāo)煤單價分別為167.13元/t和388.77元/t。長協(xié)大礦煤和市場煤的差價2015年為40元/t，2017年為51元/t。根據(jù)實(shí)際摻燒數(shù)據(jù)，確定長協(xié)大礦煤和市場煤摻配后的熱值以及相對設(shè)計(jì)熱值的燃料成本摻燒收益。

從圖3可以看出：(1)熱值越低，摻燒收益越大，即增加低熱值煤的摻燒比例，會取得更大的摻燒收益；(2)煤價越高，摻燒低熱值煤取得的收益越大，即同樣熱值(摻燒比例)下，2017年降低燃煤成本摻燒收益要大于2015年。

1.3 生產(chǎn)成本變化

非設(shè)計(jì)的低熱值煤摻燒往往引起鍋爐效率下降、廠用電率升高等主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)劣化，以及雙細(xì)則考核，發(fā)電計(jì)劃、調(diào)峰性能考核，灰渣處置費(fèi)，環(huán)保排放控制費(fèi)，檢修及設(shè)備磨損等費(fèi)用增加，造成生產(chǎn)成本升高。

1.3.1 運(yùn)行檢修費(fèi)用

在煤炭工業(yè)分析指標(biāo)中，水分、灰分對電站鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響較大。該發(fā)電企業(yè)設(shè)計(jì)煤種和燃用煤種的熱值、水分和灰分見表1。

表1 燃煤熱值、水分和灰分

該發(fā)電企業(yè)燃用非設(shè)計(jì)煤種期間，其環(huán)保排放控制、煤場管理、灰渣處置、設(shè)備檢修等環(huán)節(jié)發(fā)生費(fèi)用情況見表2。

表2 運(yùn)行檢修年費(fèi)用 萬元

表2中煤場管理費(fèi)、輸煤系統(tǒng)清堵人工費(fèi)、輸煤給煤系統(tǒng)防堵技改折舊費(fèi)的增加主要與燃煤水分的增加有關(guān)；環(huán)保排放控制費(fèi)(灰分增加引起床溫升高，導(dǎo)致鈣硫比增加)、雙細(xì)則考核、灰渣處置費(fèi)、輸煤排渣設(shè)備檢修費(fèi)以及鍋爐本體檢修費(fèi)的增加主要與燃煤灰分增加有關(guān)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，同一礦區(qū)不同煤質(zhì)低位熱值與全水分和灰分比例呈線性關(guān)系，對于不同礦區(qū)不同煤種，煤炭低位熱值與煤炭的全水分和灰分含量負(fù)相關(guān)[10]。根據(jù)燃煤低位熱值、灰分和水分關(guān)系的相關(guān)研究成果，煤質(zhì)水分和灰分變化引起的熱值變化量為[11]：

ΔQnet,ar=-(aΔw(Ad)+bΔw(Mar))

(2)

式中：ΔQnet,ar為水分或灰分變化引起的收到基低位熱值變化量，kJ/kg；Δw(Ad)為干燥基灰分變化量，%；a為比例系數(shù)，表示灰分每增減1%，干燥無灰基低位熱值變化值，a=Qnet,daf/100；Δw(Mar)為收到基水分變化量，%；b為比例系數(shù)，表示水分每增減1%，干燥無灰基低位熱值變化值，b=Qnet,daf/100+0.023。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)、煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換系數(shù)，以及式(2)中灰分、水分與熱值折算關(guān)系，煤質(zhì)水分相關(guān)的運(yùn)行檢修年費(fèi)用計(jì)算見式(3)～式(4)，灰分相關(guān)的運(yùn)行檢修年費(fèi)用計(jì)算見式(5)～式(6)，機(jī)組運(yùn)行檢修年費(fèi)用變化的熱值表達(dá)見式(7)。

kΔw(Mar)=C2,3,4/(b·Δw(Mar,max))

(3)

CΔw(Mar,Q)=kΔw(Mar)(Qnet,ar,sj-Q)

(4)

kΔw(Aar)=C1,5,6,7,8/(a·Δw(Aar,max))

(5)

CΔw(Aar,Q)=kΔw(Aar)(Qnet,ar,sj-Q)

(6)

Cyj,Q=CΔw(Mar,Q)+CΔw(Aar,Q)

(7)

式中：kΔw(Mar)為比例系數(shù)，表示燃煤水分變化對應(yīng)單位熱值成本變化量；C2,3,4為表2中2、3、4項(xiàng)目中的成本費(fèi)用，萬元；Δw(Mar,max)為燃用煤種水分與設(shè)計(jì)值最大偏差值，根據(jù)表1取值為6.6%；kΔw(Aar)為比例系數(shù)，表示燃煤灰分變化對應(yīng)的單位熱值成本變化量；C1,5,6,7,8為表2中1、5、6、7、8項(xiàng)目中的成本費(fèi)用，萬元；Δw(Aar,max)為燃用煤種灰分與設(shè)計(jì)值最大偏差值，根據(jù)表1取值為3.4%；Qnet,ar,sj為設(shè)計(jì)煤種低位熱值，根據(jù)表1取值為13 684 kJ/kg；CΔw(Mar,Q)為煤種水分變化對應(yīng)的運(yùn)行檢修費(fèi)用，是煤種熱值變化的函數(shù)，萬元；CΔw(Aar,Q)為煤種灰分變化對應(yīng)的運(yùn)行檢修費(fèi)用，是煤種熱值變化的函數(shù)，萬元；Cyj,Q為煤種水分和灰分變化對應(yīng)的運(yùn)行檢修費(fèi)用變化量，是煤種熱值變化的函數(shù)，萬元。

利用煤質(zhì)水分和灰分與熱值對應(yīng)關(guān)系，將水分和灰分偏離設(shè)計(jì)值引起的成本變化變換為煤質(zhì)低位熱值的函數(shù)。式(3)～(6)中的比例系數(shù)kΔw(Mar)和kΔw(Aar)將成本、水分、灰分和低位熱值結(jié)合起來，并實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)成本與熱值的函數(shù)變換。根據(jù)式(7)計(jì)算得到不同熱值對應(yīng)的成本增量，以及不同熱值對應(yīng)的灰分和水分相對設(shè)計(jì)值的變化量，其水分和灰分變化引起的費(fèi)用變化關(guān)系見圖4。

圖4 運(yùn)行檢修費(fèi)用與熱值變化關(guān)系

從圖4可以看出：當(dāng)燃煤熱值高于設(shè)計(jì)熱值時，生產(chǎn)成本的上升主要由水分的增加引起。燃煤熱值低于設(shè)計(jì)熱值時，水分和灰分的增加共同造成了生產(chǎn)成本的上升，而且隨著灰分的增加，運(yùn)行檢修費(fèi)增長較快。

1.3.2 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

非設(shè)計(jì)低熱值煤摻燒會引起經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和經(jīng)營成本的變化，燃煤熱值、灰分、水分等指標(biāo)的變化會造成鍋爐效率、廠用電率的變化。鍋爐效率變化以設(shè)計(jì)效率為基準(zhǔn)，廠用電率的變化以鍋爐燃用設(shè)計(jì)煤的廠用電率為基準(zhǔn)，廠用電率統(tǒng)計(jì)包括鍋爐風(fēng)機(jī)、輸煤系統(tǒng)、除灰、脫硫等系統(tǒng)電耗。根據(jù)近幾年生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，不同燃煤熱值對應(yīng)的鍋爐效率和廠用電率變化見圖5。

圖5 鍋爐效率和廠用電率與燃煤熱值關(guān)系

從圖5可以看出：隨著低熱值煤摻燒比例增加，燃煤熱值降低，鍋爐效率下降，廠用電率升高，煤耗增加，供電成本上升。

根據(jù)燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐效率變化引起的煤耗變化見式(8)[12-13]，不同熱值的煤價和上網(wǎng)電價確定鍋爐效率變化和廠用電率變化對應(yīng)的運(yùn)行成本計(jì)算見式(9)～式(10)。

(8)

CΔη,gl,Q=Δbgl,Q×Wf×pQ×10-6

(9)

CΔLcy,Q=ΔLcy,Q×Wf×pe×10-2

(10)

式(8)～(10)中鍋爐效率、廠用電率隨熱值的變化均根據(jù)近年來不同熱值不同工況下的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)歸納和擬合，鍋爐效率變化造成的煤耗成本變化及廠用電率變化導(dǎo)致的供電成本變化與燃煤熱值的關(guān)系見圖6。

從圖6可以看出：隨著低熱值煤摻燒量的增加，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)劣化，機(jī)組運(yùn)行成本相應(yīng)升高。在燃煤熱值低于設(shè)計(jì)熱值的區(qū)間，煤耗成本增長較快。

圖6 鍋爐效率和廠用電率變化對應(yīng)成本

1.3.3 生產(chǎn)成本與燃煤熱值變化分析

非設(shè)計(jì)低熱值燃煤摻燒降低了煤電企業(yè)燃料成本，在燃煤熱值降低，水分和灰分升高的復(fù)雜因素下，鍋爐本體以及輔助系統(tǒng)的運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)出現(xiàn)較大偏差，造成了生產(chǎn)成本的上升。因此，燃煤摻燒需要結(jié)合生產(chǎn)成本進(jìn)行綜合定量分析，才能有效指導(dǎo)摻燒工作。

將該企業(yè)燃煤摻燒增加的運(yùn)行檢修費(fèi)用和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)劣化增加的成本綜合得到生產(chǎn)成本Csccb,Q與燃煤熱值變化關(guān)系：

Csccb,Q=Cyj,Q+CΔη,gl,Q+CΔLcy,Q

(11)

根據(jù)式(11)計(jì)算數(shù)據(jù)，生產(chǎn)成本與燃煤熱值關(guān)系見圖7。

從圖7可以看出：因?yàn)槊弘娖髽I(yè)目前周邊采購煤種的水分均高于設(shè)計(jì)煤種水分，其在煤場和輸煤系統(tǒng)均有治堵防堵費(fèi)用的增加，因此生產(chǎn)成本的增加以治堵防堵費(fèi)為起點(diǎn)，隨著低熱值煤摻燒比例的增加，熱值降低，生產(chǎn)成本升高。在12 555 kJ/kg熱值區(qū)域，煤質(zhì)灰分和水分的共同作用，加速了鍋爐及輔助系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的劣化，生產(chǎn)成本急劇上升。

2 燃煤摻燒經(jīng)濟(jì)性邊界

僅從降低燃料成本的角度講，低熱值燃煤摻燒的收益是顯而易見的，而且隨著熱值降低，摻燒量的增加，其收益更大。從燃煤摻燒經(jīng)濟(jì)性綜合定量分析，燃煤摻燒存在經(jīng)濟(jì)性邊界。根據(jù)式(1)和式(11)可確定燃煤摻燒的經(jīng)濟(jì)性邊界：

ΔCQ=Crlsy,Q-Csccb,Q

(12)

式中：ΔCQ為某摻燒比例下，燃料成本摻燒收益與生產(chǎn)成本差值，萬元。

從式(12)可以看出：當(dāng)ΔCQ大于0時，燃料成本收益大于生產(chǎn)成本，燃煤摻燒取得了收益；當(dāng)ΔCQ等于0時，燃料成本收益與生產(chǎn)成本持平，燃煤摻燒收益為零；當(dāng)ΔCQ小于0時，燃料成本收益被抵消，生產(chǎn)成本增加，反而出現(xiàn)虧損。

一般情況下，燃料成本的摻燒收益隨著摻燒量的增加而提高，生產(chǎn)成本亦隨著摻燒量的增加而上升，兩者不同的變化趨勢會產(chǎn)生交點(diǎn)，并包圍形成一個摻燒經(jīng)濟(jì)收益區(qū)域，見圖8。

圖8 燃煤摻燒的成本與收益

從圖8可以看出：

(1) 低熱值煤達(dá)到一定摻燒量后，降低燃料成本取得的經(jīng)濟(jì)收益抵消增加的生產(chǎn)成本后，即越過熱值邊界A，低熱值煤摻燒的經(jīng)濟(jì)收益才可能有所顯現(xiàn)。

(2) 隨著低熱值煤摻燒量的增加，燃用煤綜合熱值降低，水分和灰分份額增加，生產(chǎn)成本上升。當(dāng)生產(chǎn)成本增加量超過燃料成本的收益時，即越過熱值邊界B，增加低熱值煤的摻燒量已經(jīng)不存在經(jīng)濟(jì)收益，反而增加電廠運(yùn)營成本。

(3) 熱值邊界A和B之間存在一個最大摻燒收益的熱值，在此熱值附近區(qū)域可獲得較高摻燒收益。

3 煤炭價格對摻燒經(jīng)濟(jì)性邊界的影響

如上所述，煤炭價格的變化對煤電企業(yè)燃料成本和生產(chǎn)成本均有影響；同樣，煤炭價格對摻燒經(jīng)濟(jì)性邊界也存在一定的影響。根據(jù)該煤電企業(yè)2015年和2017年的標(biāo)煤單價，煤炭價格對摻燒經(jīng)濟(jì)性邊界的影響見圖9。

圖9 煤炭價格對摻燒經(jīng)濟(jì)性邊界的影響

從圖9可以看出：

(1) 隨著煤炭價格上漲，燃料成本收益和生產(chǎn)成本上升幅度均有所增加，熱值邊界外延，即低熱值煤摻燒收益熱值邊界更寬(邊界B)。

(2) 隨著煤炭價格上漲，低熱值煤摻燒收益區(qū)域有所擴(kuò)大，即煤炭價格越高，低熱值煤摻燒收益更大。

(3) 隨著煤炭價格上漲，最大摻燒收益有所增加，2015年為330萬元，2017年為450萬元。

4 結(jié)語

通過對煤電企業(yè)低熱值燃煤摻燒經(jīng)濟(jì)性邊界的分析研究，明確了煤炭價格對煤電企業(yè)利潤的顯著影響，綜合定量分析了低熱值煤摻燒過程中煤電企業(yè)生產(chǎn)成本的變化因素，獲得燃煤摻燒中燃料成本和生產(chǎn)成本與熱值的變化關(guān)系，提出燃煤摻燒經(jīng)濟(jì)性邊界的概念以及分析方法，將燃煤熱值作為變量進(jìn)行摻燒經(jīng)濟(jì)性邊界的應(yīng)用分析，能有效地指導(dǎo)煤電企業(yè)的配煤摻燒工作。

需要強(qiáng)調(diào)的是：

(1) 以設(shè)計(jì)熱值為基準(zhǔn)確定燃煤摻燒經(jīng)濟(jì)性邊界和最大摻燒收益熱值的新分析方法能有效指導(dǎo)摻燒工作，但燃煤摻燒取得的收益在縮小煤炭價格上漲和電價下降造成的煤電企業(yè)減利幅度上只能發(fā)揮一定的積極作用，作用的大小與煤電市場的變化息息相關(guān)。

(2) 煤炭價格、電價、燃煤熱力特性、系統(tǒng)配置不一樣，各發(fā)電企業(yè)燃煤摻燒經(jīng)濟(jì)性邊界和最大摻燒收益熱值的差異也較大。因此，發(fā)電企業(yè)根據(jù)企業(yè)特點(diǎn)和煤電市場變化情況對燃煤摻燒經(jīng)濟(jì)性邊界和最大摻燒收益熱值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，才能有效指導(dǎo)配煤摻燒工作。

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