面向電力現貨市場的分時段配煤摻燒方案研究

肖克 曹建軍 陳春輝 朱天宇

（1 國能粵電臺山發電有限公司 廣東臺山 529228 2 武漢華中思能科技有限公司 湖北武漢 430074）

0 引言

配煤摻燒是發電企業降本增效、提高核心競爭力的重要舉措，又是解決機組燃煤緊張且煤種多變、運行性能欠佳的有效方法。由于目前我國燃煤價格居高不下，電廠用煤成本持續增加，并且采購煤源無法有效控制，越來越多的燃煤發電企業對配煤摻燒提出了新的要求［1-3］。因此配煤摻燒也越來越引起高度重視并得到了深入研究［4-6］。

對于以往發電企業的配煤摻燒，動力配煤可以抽象為1 個在一定的約束條件和目標函數下的數學規劃問題。通常以鍋爐的煤質和燃燒特性指數為約束，以混煤的價格最低為目標，或者兼顧配煤方案的安全性和環保性，增加存煤、輸煤、制粉和燃燒等多方面因素約束，得到1 個可行且最優配煤方案。當煤場存量煤結構不發生根本性變化，一般長期沿用該方案［7-9］。

但目前此種情況已發生根本上的改變。因采購煤源的不穩定性，無法在較長周期內采用較少煤種的摻燒形式；另外，面對電力市場改革，不同的配煤摻燒方案直接影響機組的帶負荷能力、調峰能力以及燃燒成本，這些均對電力現貨報價產生重大影響［10-13］。電力現貨市場的出清結果，又決定了發電企業能分配電量和電價，分時電量進一步決定機組的分時負荷，而不同的負荷采用不同的配煤方案，對企業的燃煤成本直接產生影響。在分時電價一定的情況下，合理的配煤方案對企業獲取利潤的能力起到關鍵的作用。

1 現貨市場下智能配煤的含義

在日益嚴峻的電力現貨市場規則情況下，傳統的配煤摻燒方案已無法跟上現貨的步伐。筆者根據多年的電廠運行經驗，以及對廣東現貨市場的充分了解，提出遵循“削峰填谷”的分時摻燒策略，主要原則為：高負荷時燒高熱低硫煤，低負荷時盡量多燒低熱高硫煤，在保負荷、保排放的基礎上，最大化地摻燒低價煤，進一步改變以往1 個摻燒方案管1 d 的情況，調整為分時段的配煤方案；對于機組不同時段的負荷要求，采用不同的配煤方案，并提出可行的建議，進而實現摻燒效益的最大化。

根據煤場存煤情況，煤倉內的存煤情況以及機組的配煤約束條件和優化目標——現貨市場下企業利益最大化（利潤最大），自動計算出最佳的煤倉配煤方案和分倉配煤方案，并將上倉指令發給配煤控制系統實現自動配煤。具體包括4 個功能：

（1）智能配煤。提供智能配煤模型、中間推理結果和計算結果分析。同時具有二次配煤功能，即根據實時入爐煤種和現貨出清后的分時負荷，對給煤機的組態及各給煤機的煤量進行二次調整，以實現更加精細的配煤，調整原煤倉上煤策略。

（2）配煤人工決策。在特殊情況下，可人工設定煤種、權重等，并啟動配煤計算程序。

（3）配煤邊界設置。系統可根據負荷的變化自動匹配機組的最佳配煤邊界。

（4）配煤摻燒在線評價。配煤摻燒在線效果評價包括鍋爐安全性評價、配煤摻燒經濟性評價和配煤摻燒環保性評價、鍋爐安全性評價包括設備參數綜合評價，鍋爐負荷能力評價指數以及結渣反饋指數；配煤摻燒經濟性評價包括熱效率、廠用電率、供電煤耗等。

2 面向電力現貨的智能配煤

近年來煤炭價格大幅震蕩，運輸壓力增大，絕大多數燃煤電站難以保證燃用設計煤種或接近設計煤種。以廣東某大型燃煤發電企業為例，近年來加大了印尼煤、俄羅斯煤等外貿煤的摻燒量。該發電企業機組多，煤場多，配燒過程關聯復雜，在配煤摻燒的過程中環節多，涉及煤的“堆、存、取、配、送、燒”全流程，目前依靠人工摻燒調度的方式工作量大，且缺乏科學性。由于憑借經驗實施配煤摻燒，缺乏全面的理論指導和統一的調度平臺，使得燃燒的經濟性、負荷的適應性、爐膛結渣防治、設備磨損防護、煤場自燃防范、制粉系統防爆等問題難以全部得到解決。

此外，電力現貨市場競爭壓力越來越大，電廠發電成本需尋找降本空間。配煤摻燒是一項最為重要的工作和技術手段，但單靠人工經驗很難實現精確配煤，使鍋爐達到最佳燃燒狀態、最優的熱效率和最低燃煤成本。因此急需構建高效的算法模型，根據燃料市場狀況，逐步擴大經濟煤種摻燒，在保障電力安全、環保生產前提下，降低發電成本，提高電力現貨市場競爭力。

現貨出清即發電企業等市場主體以市場化交易的形式提供電力服務的交易機制，主要包括日前、日內、實時的電能量交易，通過競爭形成分時市場出清價格和電量。發電企業根據電量安排機組負荷，形成次日分時段負荷。

基于現貨出清的配煤方案尋優方法，其實質是庫存煤種和庫存量、磨煤機出力和機組負荷上下限約束下配煤方案尋優問題。結合日前電力現貨出清結果，包括次日的分時電量及電價情況，形成不同的配煤方案；再根據配煤方案預測燃煤成本，從而進一步預測次日收益，判斷次日收益是否最大化。收益最大則輸出該配煤方案作為次日分時分負荷配煤方案，否則重新尋優，直到收益最大提出次日分時的配煤摻燒方案。

電力現貨條件下的智能配煤流程圖見圖1。

圖1 面向電力現貨的智能配煤流程

3 電力現貨下的約束條件和目標函數

3.1 分負荷段約束條件

在電廠實際應用配煤中，應考慮煤的自燃特性、污染物排放特性、燃煤帶負荷能、煤的儲存量和煤的可磨性問題，分別與摻燒煤種的揮發分、硫分、熱值以及庫存相關。本文將煤的自燃特性等煤質參數和儲量問題分別作為1 個負指標和1 個正指標放在目標函數集中，而因為在電廠很難獲取可磨性指數的數據，所以忽略可磨性指數的影響。

基本參數：各單煤的發熱量（Qi）、揮發分（Vi）、灰分（Ai）、水分（Mi）、硫分（Si）、灰熔點（STi）、灰成份以及煤價（Pi）

約束條件如下：

單煤比例：ΣXi=1，i=1，2，…，n，Xi≥0

發熱量：Q=fQ（Xi，Qi）≥QA

揮發分：V=fV（Xi，Vi）≥VA

灰分：A=fA（Xi，Ai）≤AB

水分：M=fM（Xi，Mi）≤MB

硫分：S=fS（Xi，Si）≤SB

灰熔點：ST≥STA

式中：Xi為第i 種單煤的比例，下標A 表示指標的下界，下標B表示指標的上界。

另外，針對現貨下不同負荷段、不同的出清電價情況，還需要對燃煤熱值、硫分與負荷段進行詳細的邊界劃分。如在高負荷段要保證機組帶負荷能力以及滿足脫硫、除灰的要求，則需進一步對不同負荷段的配煤摻燒提出更高更精確的邊界設定，廣東某1 000 MW 機組的分負荷段配煤邊界如表1 所示。

表1 某1 000 MW 機組分負荷段配煤邊界設置

3.2 磨煤機組合條件

針對不同負荷段的磨煤機組合方式，以及各磨煤機如何上煤，是智能配煤重點考慮的對象。

在電力現貨條件下，不同時段的出清電價、電量均有差異，這要求機組對精細化配煤有著更高的要求。其中，在不同負荷段下，啟用不同的磨煤機組合以及摻燒不同煤種，對機組效益起到決定性的作用。

在磨煤機組合約束條件中，一方面考慮磨煤機的運行條件即此磨煤機是否具備啟停條件，以及最大出力情況；另一方面，還將考慮不同負荷段下，磨煤機摻燒煤種情況，并根據不同時段不同摻燒情況，提供日度分時段的上煤計劃，方法如下：

（1）根據次日分時負荷，確定低負荷段和高負荷段時間。一般而言，低負荷段在凌晨至8∶00 之間；高負荷段為中午至21∶00。

（2）根據低負荷段燒差煤，高負荷段摻燒優質煤的原則，對不同磨煤機進行分時上煤計劃。

①低負荷段時，機組磨煤機組合為底層磨及中層磨。底層磨煤機由于鍋爐穩燃要求，煤質要求較高；中層磨則摻燒高硫低熱值煤，必要時，可運行2 臺中層磨，摻燒更多的劣質煤。

②高負荷段時，為滿足機組帶負荷能力，一般5 臺或者6 臺磨煤機運行；此時中層磨摻燒熱值將適當提高，高層磨摻燒低熱值煤；必要時，在滿足脫硫和機組安全條件下，運行2 臺頂層磨，均摻燒劣質煤，提高機組整體的經濟性。

對于機組摻燒不同煤質的燃煤，其煤耗產生的影響，將利用系統記錄案例庫，形成煤耗與摻燒熱值與負荷的擬合函數，據此對不同摻燒煤種的經濟性進行評價與計算。

（3）滿足磨煤機上煤時序性。由于實際配煤摻燒，不可能做到每小時更換煤種，則對于1 臺磨煤機在不同時段摻燒不同煤種，需滿足上煤的時序性要求，即在1 d 之內，更換煤種需根據時段進行控制，并且最好不要多次更換煤種；以目前廣東某大型電力企業配煤摻燒的管理上來看，可滿足1 d 內更換1 次煤種的需求。

對于最終生成配煤計劃，需對低負荷段以及高負荷段磨煤機摻燒煤種進行細致區分，在滿足上煤條件情況下（如不同的煤種，是否能上到1 臺磨煤機），才能進行配煤計劃安排。

3.3 目標函數

面向電力現貨市場的分時段配煤摻燒模型，除了需考慮機組在不同煤種下的帶負荷能力、調峰能力、污染物排放、除灰能力等，還需要考慮不同負荷下采用的磨煤機組合、不同磨煤機入爐煤質情況，使得燃煤成本最低，機組獲取利潤能力最大。

電力現貨市場未開啟前，多位學者采用多目標尋優算法進行配煤摻燒方案的求解［14-15］；考慮于現貨的實時性，以企業獲取最大利潤為目標，其他安全因素作為約束條件，并結合現貨的分時負荷下的煤質要求、磨煤機的組合條件等為調節約束，進行最終求解，得到次日最優的分時段配煤方案。

在上述約束條件下，以企業利潤最大P（售電收入-燃煤成本）為目標函數，進行智能配煤計算，求解獲得現貨出清后次日最佳配煤方案。

其中售電收入計算見式（1）。

式中：p 是分時電價；M 是分時電量。

燃煤成本預測采用煤耗擬合的計算方案計算燃料成本，以下為詳細方案：收集機組歷史摻燒煤種情況下的負荷和煤耗情況，獲得不同煤種在不同負荷下的煤耗曲線；另外，可以以發熱量為特征參數代替煤種，獲得機組在不同摻燒煤種熱值和負荷情況下的煤耗曲線，即c=f（Qnet，l）；由此獲得次日不同配煤摻燒方案下的燃料成本，見式（2）。

式中：Ai為分時配煤摻燒入爐煤價；ci為當前時段的平均煤耗，可通過上述方法，結合機組歷史運行參數進行統計；li為當前時段的平均負荷，即li=Mi/1h；t=1h，為時段時間。

利潤P 見式（3）。

在分時電價和電量一定情況下，最大利潤目標即最小燃料成本。目標函數見式（4）。

本文通過滿足配煤約束條件下的不同配煤方案，采用動態規劃模型［16-17］，將1 d 分成24 h 段，以最大利潤為目標，在結合現貨出清條件下，不同負荷段、磨煤機組合方式、機組煤質要求等約束條件下，進行配煤求解，最終獲得最優的分時段配煤方案，即不同時段（不同的負荷）情況下，提供不同的配煤方案，滿足企業每日利潤最大化的目標要求。

4 智能配煤案例分析

筆者根據上述智能配煤模型，針對廣東某大型燃煤發電企業配煤摻燒的實際問題，基于對電廠常用煤種的實驗研究和理論研究，以及鍋爐與煤種之間的耦合特性，建立了電廠智能配煤摻燒優化的軟件系統，予以決策支撐，實現鍋爐配煤摻燒下的安全、環保、經濟運行。

4.1 現貨出清數據分析

面向電力現貨市場的燃煤火電企業分時段智能配煤決策，是在現貨條件下，滿足各種約束條件，最終以利潤最大為目標而獲得的次日分時段配煤摻燒方案。日前出清結果是配煤摻燒決策的前提因素以及重要參考。

廣東某大型然燃煤發電企業某日各機組（說明：#2 機組和#5 機組當日停運）出清分時電價及分時負荷情況見圖2 和圖3。

圖2 日前現貨出清次日分時段出清電價

圖3 日前現貨出清次日分時段負荷

從圖2 和圖3 可以發現，機組運行存在低負荷段和高負荷段；在低負荷段，出清電價最低，此時為保證企業盈利能力，需進一步將其燃料成本，則大量摻燒劣質煤；在高負荷高電價階段，如早上9∶00 到11∶00 之間，為保證機組帶負荷能力，可運行優質煤頂層磨；在出清價格適中情況，如下午時段，可加大劣質煤頂層磨的運行。

4.2 配煤約束條件

智能配煤決策，應先對配煤邊界進行細致的設定。具體約束條件設定如下步驟：

（1）機組設備可用狀態確認。根據機組起停運狀態以及機組磨煤機可使用狀態，對機組以及磨煤機進行可用設定，如圖4 所示。

圖4 機組設備可用狀態

（2）可用煤種確定。針對目前煤場可用煤種，根據庫存結構狀態，進行優先燃用設定，如圖5 所示。

圖5 可用煤種

（3）不同負荷段機組邊界設定。根據機組不同負荷段對于燃煤的要求，進行入爐煤邊界設定，如圖6 所示。

圖6 機組邊界設定

4.3 智能配煤

針對上述配煤邊界設定，再結合不同煤種的污染物排放、結渣特性、自然特性條件，以機組利潤最大化為目標進行尋優，最終得到面向電力現貨市場的分時段配煤摻燒決策意見，如圖7 所示。

圖7 智能配煤

5 結論

本文開發了1 種高效率、高精度的多目標配煤尋優算法，以安全、環保為約束條件，建立以穩燃特性、庫存結構、結渣特性以及利潤最大等為最佳優化目標進行尋優計算。完成面向電力現貨的燃煤火電企業分時段配煤摻燒方案研究，并建立智能配煤模型及軟件平臺，可為我國燃煤電力企業起到如下促進作用：

（1）提供不同的煤種不同負荷下的最佳摻配摻燒方式，針對目前電力現貨市場，充分挖掘配煤摻燒給電廠帶來的經濟效益。

（2）為燃煤電廠提供配煤摻燒綜合管理和調度的平臺，為電廠如何選擇合適的配煤煤種和摻混比例做出科學的決策，也可以在配煤方案的基礎上對燃燒提出優化指導意見。

（3）本模型結合電力現貨中次日出清分時負荷電價，尋優次日分時分負荷收益最大配煤方案，實現配煤摻燒收益最大化和精細化管理，從而使燃煤發電廠在滿足電力現貨市場規則下增效降本，提高企業競爭力。