基于系統(tǒng)動力學(xué)對燃煤電廠配煤摻燒經(jīng)濟(jì)效益的研究

張 皓，李超凡

(河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300130)

近年來，煤價大幅上漲，配煤摻燒所產(chǎn)生的效益也受到從業(yè)者的關(guān)注。國內(nèi)學(xué)者針對燃煤電廠的配煤摻燒做了大量的研究工作，并在混煤特性和配煤優(yōu)化算法方面取得很多的研究成果[1-6]。例如通過核算、統(tǒng)計回歸方式對電廠歷史資料進(jìn)行分析；火電廠發(fā)電成本的動態(tài)分析法；BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對發(fā)電成本進(jìn)行分析預(yù)測。目前針對配煤摻燒直接或者間接的降低發(fā)電廠成本的研究并不多見。在建立求解經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)化的模型時，“自上而下”和“自下而上”兩種類型的分析方法各有利弊，本文采用“自下而上”的分析方法，又由于還使用系統(tǒng)動力學(xué)，可以在比較長的時間維度上考慮一系列市場影響，盡可能包含市場反饋與大環(huán)境下對電廠產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)影響。

本文將基于系統(tǒng)動力學(xué)對可能產(chǎn)生成本變化的生產(chǎn)過程建立數(shù)學(xué)模型，討論發(fā)電燃料成本(鍋爐效率、煤耗、投油量、熱值差)、減排處理成本、輔機(jī)電耗成本、設(shè)備磨損成本、輸煤磨煤成本、儲煤成本和限電影響等，以并實(shí)際的發(fā)電廠為例，探討配煤摻燒如何使火電廠的經(jīng)濟(jì)效益最大化，通過最大程度模擬現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)情況，具有良好的效果。

1 發(fā)電成本

生產(chǎn)總成本是由固定成本和可變成本構(gòu)成，參配不同的煤質(zhì)對設(shè)備折舊影響很小，故不考慮，可變成本中燃料是在總成本中占比最高的一項，而又不僅僅包括煤炭的價格。這里采用三分法，將發(fā)電成本定義為電量成本、外部成本和碳稅成本(見圖1)。

電量成本主要由總?cè)剂铣杀竞瓦\(yùn)行維護(hù)成本構(gòu)成。外部成本包括電量損失成本、灰渣處理成本和二氧化硫處理成本。碳稅成本是在考慮即將開啟的碳稅市場中，增加的影響發(fā)電成本的部分。容量成本的其中一項是人員福利和工資水平，因改變煤質(zhì)而引起的總體成本變化與人員福利無關(guān)，故本文不考慮此項成本。

圖1 三分法發(fā)電成本構(gòu)成

1.1 電量成本

在燃料價格不斷上漲的情況下，市場越來越緊張時，電廠可以選擇優(yōu)質(zhì)煤與劣質(zhì)煤摻燒，保證成本下降。又由于燃煤電廠的鍋爐都是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)煤設(shè)計，所以參配的煤種差異也必將導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行差異。本文中的電量成本C定義為由總?cè)剂铣杀綜g和運(yùn)行維護(hù)成本CS構(gòu)成的成本(見圖2)。

電量成本的高低與參配的煤種有關(guān)，煤炭的質(zhì)量直接影響其價格，其間接又影響鍋爐的煤耗等。摻燒低成本的煤炭，可以顯著降低購入煤價，而入爐煤價會受很多因素影響，在電量成本中單討論購入煤價是沒有意義的，要考慮到混合影響的入爐煤價。

圖2 本文中的電量成本構(gòu)成

1.1.1總?cè)剂铣杀?/p>

火電廠70%的成本用于購買煤炭，由于煤炭價格高，多數(shù)燃煤電廠在虧損狀態(tài)，大多數(shù)電廠不能購買品質(zhì)較高、售價較高的設(shè)計煤種。購買低品質(zhì)的煤種，需要面對煤耗升高，磨損加劇的問題，影響總?cè)剂铣杀?。因此，選擇不同品質(zhì)的煤炭，評估因煤炭品質(zhì)改變引起的成本變動，以保證入爐煤價費(fèi)用最低，是降低電量成本的一個重要內(nèi)容。

總?cè)剂铣杀綜g=購入燃料成本Cf+運(yùn)煤成本Cym+儲煤成本Ccm+額外煤耗損失成本Ce

(1)燃料成本。燃料成本在本文指代煤炭價格，是燃煤電廠影響成本的最大因素。配煤摻燒也是由于煤炭價格高，而選擇的參配方法。

燃料成本=混煤單價×混煤量

(2)煤耗(鍋爐效率)。不同煤種發(fā)熱量，組成成分等差異很大，由于電廠之間存在設(shè)計、運(yùn)行等差異，為了應(yīng)用廣泛性進(jìn)行適當(dāng)簡化。以600 MW燃煤機(jī)組為例，定量分析煤質(zhì)對發(fā)電廠成本的影響。

因?yàn)殄仩t實(shí)際效率需要考慮排煙損失、化學(xué)不完全燃燒損失、機(jī)械不完全燃燒損失、鍋爐散熱損失和其他熱損失，并且在宏觀層面與熱效率之比相差不大?？紤]到數(shù)據(jù)的易獲取程度，本文將實(shí)際發(fā)電煤耗的算法簡略，實(shí)際熱效率與設(shè)計熱效率之比乘以標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電煤耗的值為實(shí)際發(fā)電煤耗。

鍋爐效率直接影響煤耗，若劣質(zhì)煤參配比例升高，鍋爐負(fù)荷會降低，并需要投入助燃油，進(jìn)而入爐煤價提高。

1.1.2運(yùn)行維護(hù)成本

運(yùn)用維護(hù)成本是指電廠運(yùn)行中需要的維護(hù)費(fèi)，以及運(yùn)行中除煤炭的附加費(fèi)用——助燃油費(fèi)用。輸煤和磨煤系統(tǒng)的處理費(fèi)與煤質(zhì)相關(guān)，參配不同品質(zhì)的煤炭，輸煤和磨煤系統(tǒng)的處理費(fèi)不同。助燃油在起機(jī)時，如果煤炭熱值過低，需加入的助燃劑越多。摻燒的劣質(zhì)煤越多，助燃油則需要的越多。

(1)輸磨煤系統(tǒng)磨損。輸煤磨煤系統(tǒng)的磨損與電量損耗，與煤質(zhì)相關(guān)很大，煤質(zhì)越好，輸煤磨煤系統(tǒng)的磨損與電量損耗就越小。煤質(zhì)越差，則反之。故參配一定比例的劣質(zhì)煤會影響輸磨煤系統(tǒng)磨損的成本。

(1)

式中cue，t/g——單位發(fā)電量輸磨煤電耗成本；cg——單位發(fā)電煤耗；Qmix——混煤發(fā)熱量；Qs——標(biāo)煤發(fā)熱量；Ce，t/g——輸磨煤生產(chǎn)單耗；Pe——電價。

(2)投油成本。助燃油是在機(jī)組低負(fù)荷，燃煤熱值低時，投入增加鍋爐點(diǎn)火熱值的輔助品。鍋爐負(fù)荷越低，燃煤熱值越低，所需要的投油量越高。在參配劣質(zhì)煤時，會使用到助燃油。因此，使用助燃油會提高入爐煤價，進(jìn)而增加運(yùn)行維護(hù)成本。

(2)

式中D——助燃油量；Poil——油價；Lu——機(jī)組負(fù)荷。

1.2 外部成本

本文中的外部成本是指生產(chǎn)中，產(chǎn)生的附加成本和后續(xù)污染的處理成本(見圖3)?？紤]附加成本是在參配劣質(zhì)煤時，會產(chǎn)生電量損失，電量損失包括脫硫電耗成本、除塵電耗成本、風(fēng)機(jī)電耗成本、汽機(jī)輔機(jī)電耗。不同的煤質(zhì)含灰量不同，故灰渣處理成本也不同。不同煤質(zhì)含硫量也不同，二氧化硫的處理費(fèi)也不同。

圖3 外部成本構(gòu)成

1.2.1煤質(zhì)下降導(dǎo)致的電量損失

為簡化分析，電量損失可近似認(rèn)為，各設(shè)備的耗電量與煤耗量存在正相關(guān)關(guān)系。由于參配煤質(zhì)不同，故不同比例的參配，其輔機(jī)耗電成本也不同，原煤輸運(yùn)及煤粉制造中產(chǎn)生的電量損失已經(jīng)計算在輸磨煤系統(tǒng)磨損當(dāng)中，為了不重復(fù)計算，這里僅考慮脫硫電耗成本及除塵電耗成本。

Cf，j=10-3×Pd×bcs×P×i=15Mfj，i

(3)

式中Cf，j——相關(guān)輔機(jī)電耗；Pd——上網(wǎng)電價；bcs——鍋爐煤耗預(yù)測值；P——機(jī)組負(fù)荷均值；Mfj，i——與配煤相關(guān)輔機(jī)單電耗。

1.2.2灰渣處理費(fèi)

配煤過程中，不同煤質(zhì)的含灰量不同，故燃燒摻燒不同煤質(zhì)的比例不同，產(chǎn)生灰量不同。一般情況下，熱值越低的煤，產(chǎn)生的灰量越多，故劣質(zhì)煤摻燒比例提高后，灰渣量提高。

因?yàn)槌龎m效率達(dá)到99%，故單位發(fā)電量對應(yīng)的設(shè)備和電耗成本與煤質(zhì)關(guān)系不大，僅計算運(yùn)灰與灰場儲存費(fèi)用。

(4)

式中Cg——單位發(fā)電煤耗；Cue，ar——除灰成本；a——煤種灰分；Ch——灰渣加濕系數(shù)；fash——灰渣運(yùn)費(fèi)；d——運(yùn)輸距離；ey——占用成本價格。

1.2.3二氧化硫處理費(fèi)

目前我國的政策是只收取二氧化硫的排放費(fèi)用。煤中硫轉(zhuǎn)化為二氧化硫氣體為1.6倍，即1 t硫產(chǎn)生1.6 t的二氧化硫氣體。依照目前政策，國家環(huán)保局，對二氧化硫的進(jìn)行環(huán)保收費(fèi)。

(5)

式中PSO2——環(huán)?？偝杀荆籑SO2——每噸煤產(chǎn)生二氧化硫質(zhì)量；PJY——漿液市場價格；ηSO2——脫硫效率；PS——二氧化硫國家收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)(橋攀)。

1.3 碳稅成本

應(yīng)對氣候變化是當(dāng)前國際社會的焦點(diǎn)之一。我國碳排放權(quán)交易市場將于今年啟動，碳稅將成為發(fā)電成本中重要的一部分。

以每月為一個計算周期，按照目前煤電機(jī)組碳排放量的計算方法是

MCO2=kb/Qnet×Car×R

(6)

式中R=44/12；k——供電量；MCO2——完全燃燒后二氧化碳的排放量；Qnet——入爐煤低熱發(fā)熱量；Car——基碳；b——供電煤耗。

以600 MW機(jī)組半年為例，故k=負(fù)荷×24×30×6。

2 系統(tǒng)動力學(xué)方法應(yīng)用于配煤摻燒的成本分析

2.1 系統(tǒng)動力學(xué)模型的適用性和基礎(chǔ)

系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics，簡稱SD)作為在信息反饋控制理論、決策理論、仿真技術(shù)和電子計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)上發(fā)展形成的一門交叉學(xué)科，通過定性與定量相結(jié)合、存量和流量相結(jié)合，通過建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊蚬P(guān)系方式來建立模型。因果回路圖(Causal Loop Diagrams，簡稱CLD)包含多個變量，變量之間由標(biāo)出因果關(guān)系的箭頭(因果鏈)所連接，是表示系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)的重要工具。因果回路圖中的常用符號見表1。

表1 因果回路圖中的常用符號

系統(tǒng)動力學(xué)通過因果鏈建立系統(tǒng)各組成部分之間的明確且詳盡的函數(shù)關(guān)系，以此建立涵蓋所有影響因素在內(nèi)的完整網(wǎng)絡(luò)，并把它視之為一個完整嚴(yán)密的系統(tǒng)，通過調(diào)整其中任何自變量就可以觀察到其對結(jié)果的影響，從而進(jìn)行仿真模擬，得到最優(yōu)的配置方案。

2.2 系統(tǒng)動力學(xué)對配煤摻燒的系統(tǒng)建模的適用性

系統(tǒng)動力學(xué)在能源行業(yè)發(fā)展規(guī)劃中也具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。系統(tǒng)動力學(xué)同樣可以適用于能源行業(yè)更微觀的研究領(lǐng)域，如研究物料投放的最優(yōu)配置，研究能源投入的最優(yōu)方案等，系統(tǒng)動力學(xué)都顯現(xiàn)出其特有的優(yōu)勢。

目前主流的有兩種研究方式，分別是“自上而下”類的模型，一般采用宏觀經(jīng)濟(jì)學(xué)方法，以經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對地區(qū)的影響出發(fā)，給出經(jīng)濟(jì)變化引起的能源系統(tǒng)供求關(guān)系變化。此類模型能夠較好地描述國民經(jīng)濟(jì)各部門相互作用以及資源和經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)系，但對資源生產(chǎn)和利用技術(shù)描述比較抽象，資源消耗變化原因不夠清晰?！白韵露稀鳖惖哪Ｐ蛷?qiáng)調(diào)了工程方法，強(qiáng)調(diào)技術(shù)的變化和經(jīng)濟(jì)區(qū)域綜合效益的影響，并對各種技術(shù)詳細(xì)描述過程，但忽略了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和非技術(shù)因素的市場反饋[7]。而在配煤摻燒中采取系統(tǒng)動力學(xué)的分析方法，既能從宏觀角度分析，國家政策及經(jīng)濟(jì)形勢對煤電廠成本影響，例如調(diào)整電價，就可以觀察發(fā)電成本的變化；調(diào)整國家對二氧化硫收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，也可以直觀反映到發(fā)電成本的變化。即使是“自下而上”的方式，也可以從技術(shù)層面描述生產(chǎn)變化的詳細(xì)過程，例如改變機(jī)組負(fù)荷，改變助燃油量等，都可以影響到發(fā)電成本。

(1)簡潔性。利用系統(tǒng)動力學(xué)的方法分析配煤摻燒，可以使各因果變量更加直觀，改變一個值，便可直觀看到整體的變化。

(2)近似性。因系統(tǒng)動力學(xué)可引入較多的變量，包括微觀的技術(shù)問題，宏觀的國家政策，所以配煤摻燒的結(jié)果，可使模擬結(jié)果與實(shí)際情況相似。

(3)目的適度。系統(tǒng)動力學(xué)可以改變其中一個量或多個量，而引起發(fā)電成本的改變。本文的目的正是希望改變其中一個變量，而觀察整個發(fā)電成本的改變

建立配煤摻燒影響發(fā)電成本的的系統(tǒng)模型既要著眼于宏觀政策，又要兼顧技術(shù)特點(diǎn)。系統(tǒng)動力學(xué)是多角度研究配煤摻燒的方法。

2.3 配煤摻燒的因果圖

配煤摻燒基于系統(tǒng)動力學(xué)因果關(guān)系見圖4。

圖4 配煤摻燒基于系統(tǒng)動力學(xué)因果關(guān)系圖

圖4中，輔助變量為常數(shù)或是可變更的自變量，狀態(tài)變量為受其他變量影響的因變量。

2.4 仿真測試與分析

以西部某電廠600 MW機(jī)組為例，模擬時間為2017年1～6月，利用本文提出的系統(tǒng)動力學(xué)模型進(jìn)行仿真測試。

仿真中用到的主要參數(shù)有：

煤的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)熱量29 271(kJ/kg)[6]

脫銷單耗0.49

脫硫單耗18.08

加濕系數(shù)1.4

單位公里灰渣運(yùn)費(fèi)5.18元/t

灰渣運(yùn)輸距離3 t/km

灰渣占用灰廠成本6.25 t

脫硫效率0.975

漿液價格市場678.6元/t

二氧化硫國家收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)1.26元/t

電價0.24元/kW·h

油價5 967元/t

發(fā)熱量、混煤量、混煤單價、收到基碳、含灰量、含硫量、助燃油量隨煤質(zhì)不同而改變，利用該發(fā)電廠的煤泥摻燒測算表，可以直接查詢，見表2。

表2 發(fā)電廠煤泥摻燒測算表

(1)發(fā)電成本分析。比較100%高熱量煤，50%高熱量煤50%煤泥(下面簡稱混煤)，100%煤泥三種摻配當(dāng)時，在64%負(fù)荷下，時間6個月，運(yùn)行系統(tǒng)得出結(jié)論。

各項輔助變量輸如下：

發(fā)電成本，高熱值煤>煤泥>混煤；

外部成本，煤泥>混煤>高熱值煤；

電量成本，高熱值煤>煤泥>混煤；

碳稅成本，高熱值煤>混煤>煤泥。

(2)外部成本分析：

外部成本，煤泥>混煤>高熱量煤

二氧化硫處理費(fèi)，煤泥>混煤=高熱量煤；

灰渣處理費(fèi)最高，煤泥>混煤>高熱量煤；

煤質(zhì)下降導(dǎo)致的電量損失三者相差不多。

(3)電量成本分析：

電量成本，高熱值煤>煤泥>混煤；

總?cè)剂铣杀?，高熱值?煤泥>混煤；

運(yùn)行維護(hù)成本，高熱值煤>煤泥>混煤。

(4)碳稅成本分析：

碳稅，高熱值煤>混煤>煤泥。

(5)結(jié)果分析。在6個月的時間內(nèi)，利用混煤發(fā)電成本最低，隨時間增加差距擴(kuò)大；在另一方面，比如污染處理費(fèi)，高熱值煤有更大優(yōu)勢；碳稅成本煤泥有更大的優(yōu)勢。隨著外部環(huán)境的改變，應(yīng)當(dāng)選擇不同摻燒方式，更有利于電廠降低成本。

3 結(jié)語

采用系統(tǒng)動力學(xué)探究配煤摻燒成本可以在很大程度上模擬真實(shí)情況，不論時間維度還是多變量方面，都具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，本文提出了用系統(tǒng)動力學(xué)的方法研究配煤摻燒的成本模型，該系統(tǒng)既涵蓋了技術(shù)因素，又涵蓋了政策因素。今后的工作側(cè)重模擬多次，探究不同機(jī)組、不同負(fù)荷等情況下的發(fā)電成本問題，并且應(yīng)導(dǎo)出標(biāo)明具體數(shù)據(jù)，探究長時間的結(jié)果。