火电厂的煤质工程分析方法

刘彤　常连生　庞力平　刘衍平

摘　要　首先讨论了火电厂煤质工程分析方法的功能及特点，并结合火电厂电力生产过程和煤质工程分析关系图说明了煤质工程分析系统的结构。然后，针对煤质工程分析的难点和研究的薄弱环节——辅助系统进行了较深入的分析研究，开发出了一套制粉系统煤质工程分析软件，为进一步进行全厂的煤质工程分析及软件开发打下了良好的基础。
关键词　煤质工程；分析；制粉系统；软件
分类号　TQ 533；TK229.6

煤质变化是电厂必须面临的现实问题。煤质改变给电厂带来的问题主要有如下几个方面：煤质下降或燃煤某些参数的变化，可能造成锅炉机组的某些设备不能满负荷运行而限制锅炉的出力；煤质下降使电厂煤耗和厂用电率上升；煤质下降导致可用率下降；煤质下降使检修和更改工程费用大幅度上升；煤质下降使用于环保方面的费用上升。与此同时，煤的特性在很大程度上决定了煤的价格。因此，必须综合考虑煤质变化对电厂的影响。煤质工程分析(CQE A)方法就是根据煤的分析数据、发电厂的工程数据，对从煤到电的每一个环节进行技术经济分析、综合评价的方法。一些发达国家从70年代末期便开始了这方面的研究工作，已经获得了一些可喜的研究成果^［1］。英国IEA煤炭研究所对12个国家60个电厂进行了大量的调查，从电厂实践和经验来确定煤质对电厂运行的影响。美国电力研究院(EPRI)组织开发出“煤质影响模型”并将其应用于很多方面，包括对燃料进行评估，研究如何满足“清洁空气条例修正案”的要求，指导如何变更燃料以及在新建或改建电厂时进行过程评估等。美国Consol公司也开发了“煤质／电力成本”模型，该模型对制订燃料方案特别有效。我国过去在计划经济体制下，电厂燃煤由国家统配，这方面的研究工作起步较晚，目前还处在定性分析或局部系统的定量评估计算阶段，迫切需要尽快建立起符合我国国情的煤质工程分析模型，开发出能用于电力生产实际的煤质工程分析应用软件，使我国的煤质评估工作更加科学、合理，更有利于电厂安全和经济性的提高。

1　煤质工程分析方法

　　煤质工程分析关系的逻辑图如图1所示^［2］。煤质变化对电厂的影响是多方面的。例如，水分增加使煤的可磨性系数降低，导致磨煤机出力降低，同时制粉干燥风量相应增加，从而增加了排粉机的耗电量。另一方面，燃用水分较高煤种时，为了减轻低温受热面的腐蚀，不得不采用较高的排烟温度，同时水分增大，排烟容积增大，都使排烟热损失增加，锅炉效率下降。灰分的变化同样也引起一系列连锁反应。首先，灰分增加使排渣量和烟气含灰量增加，需要增加除渣设备和除尘设备出力；其次，排渣量和烟气含灰量增加也使机械不完全燃烧热损失增加，锅炉效率下降；烟气含灰量增加，还增加了受热面积灰、堵灰和磨损，使维修费用增加，对吹灰装置及操作提出了更高要求。另外，灰分增加，要求送入炉膛的煤粉粒度更小，需要增加磨煤机出力，使厂用电增加。从发电厂的各种设备来看，大都同时受到反映煤质特性的多个指标的制约，设备与设备之间也互相影响。由以上分析可以看出，煤质工程分析是一个庞大的系统工程，与设计、运行，安全、经济，设备、人员等诸多因素有关。

图1　煤质工程分析关系图

　　为了煤质工程分析的方便，把火电厂电力生产过程整理为图2所示的一些环节组成。

图2　火电厂电力生产过程示意图

　　应用煤质工程分析方法时，需要输入下列煤质方面数据：煤的价格、发热量、灰熔点、可磨性系数以及煤的工业分析和元素分析成分等；需要输入电厂方面的参数有：锅炉、汽轮机及其辅助设备的结构、型式、参数等；另外还要输入反映环保要求的参数及经济分析需要的参数。
　　煤质工程分析需要确定的关键数值如下：
　　(1)输煤设备的运行维护费用；
　　(2)制粉系统的运行维护费用；
　　(3)煤和油燃用后的费用；
　　(4)灰分处理费用；
　　(5)脱硫运行维护和废物处理费用；
　　(6)替代功率费用；
　　(7)净出力。
　　要得到以上数据，必须首先对电力生产各个环节或子系统分别深入研究，然后才能进行全厂的煤质工程分析工作。
　　整个煤质工程分析系统一般被划分为若干个具有独立功能的模块，如数据输入模块、模拟计算和输出模块、经济分析模块等，如图3所示。这些模块可以根据用户的需要进行组合，以对不同的方案进行评估计算，帮助决策。利用煤质工程分析系统可以完成以下工作：

图3　煤质工程分析图

　　(1)同一机组使用不同煤种的发电成本；
　　(2)不同煤质对同一机组出力影响情况；
　　(3)不同机组的发电成本；
　　(4)结合煤质在线测量装置，预报煤质对运行、维修成本的影响，计算实时上网电价。
　　国外有文献报道，较成熟的煤质工程分析软件已开发出来，但文献中也提到，该类软件对电厂的主要设备和系统考虑较多，而电厂众多的辅助系统却是研究的薄弱环节，导致评估出现一定的误差。因此，本文重点进行了一个重要的辅助系统——制粉系统的研究。

2　制粉系统的煤质工程分析

2.1　制粉系统的评价基准
　　目前，我国对制粉系统的评价沿用磨制建筑材料、矿物等单位时间产出物料的数量为基准的方法。制粉系统的主要任务是为锅炉源源不断地提供所需合格煤粉，制粉系统与锅炉的直接联系是煤粉量与经济煤粉细度。在锅炉容量不变的情况下，制粉系统磨煤量的决定因素是煤的低位发热量。因此，在制粉系统的煤质工程分析中，放弃传统的单位时间制粉量的大小的评价基准，而以单位时间内制粉系统能为锅炉提供以煤为介质的热量大小即采用单位热出力为基准。制粉系统的热出力，即单位时间内制粉系统磨制的煤粉能产生的热量。以热出力为基准，制粉系统的单位电耗可以表示为

(1)

式中E_q为以热出力为基准的单位电耗，kWh/kJs；W为单位时间内制粉系统用电量；Q_net._ar为煤的收到基低位发热量；B是单位时间输入锅炉的煤粉量；Q为单位时间内输入锅炉的热量。采用热出力为基准，就可以把煤的发热量与制粉费用联系起来，从而把制粉费用同煤的价格联系起来，使制粉系统的评价指标与全厂的评价指标一致。
2.2　制粉系统煤质工程分析的费用确定
　　制粉系统的总成本构成主要包括材料和动力消耗费用、固定资产的折旧和维修费及人员工资和管理费用三大项，下面分别予以说明。
2.2.1　材料和动力消耗费用
　　材料消耗费用主要指更换磨损或损坏设备，如磨煤机钢球、护甲等元件费用；动力消耗费用指制粉系统各动力设备的消耗，包括给煤机、磨煤机、分离器、排粉机以及中间储仓式系统的给粉机、输粉机等耗电费用；制粉系统干燥介质在干燥煤及煤粉时的热耗可以不考虑。因为干燥介质的很大一部分热量都返回到炉膛，而且，磨煤机在磨煤过程中，大部分功因为摩擦转变成了热，随煤粉一同进入炉膛，在数量上与热损失相差不大^［3］。综上所述，材料和动力消耗费用C_a可表示成

C_a=∑(m_ic_i)+C_t

(2)

式中：m_i为第i种材料的消耗量，c_i是第i种材料的单价，C_t是动力消耗的总费用，由各设备消耗的电功率计算。
2.2.2　固定资产的折旧和维修费用
　　制粉系统的固定资产包括厂房和各种设备，如按匀速折旧算，即由设备的总投资除以设备的经济寿命，写成

(3)

式中　D为匀速折旧费用；I₀为设备初投资原值；L是设备的经济寿命或年限；I_L为到L 年时设备的残值。一般情况下折旧费用变化不大。
　　制粉系统的设备维修分大修和经常性维修两类。大修间隔与检修工期都长，检修范围大，因而费用支出也多，一般根据固定资产的预计使用年限，按年或季度定期提取大修基金C_x。经常性维修费用一般较低，但维修频率高，且维修频率受煤质影响大，其维修费以C_xj表示。常把设备折旧费用与检修费计算在一起，以C_b表示，则

C_b＝D+C_x+C_xj

(4)

2.2.3　人员工资和管理费用
　　人员年工资或月工资支出为C_s，附加工资率为a，则工资总支出为C_s(1+a)。一般情况下，管理费与工资常可以认为有一定比例关系，设其比率为b，管理费支出可写成b(1+a)C_s。以上两项总计为C_c，则

C_c＝c_s(1+a)+c_s(1+a)b＝(1+a)(1+b)c_s

(5)

　　在以上各种费用中，煤质工程分析最关心的是煤质发生变化时，哪些成本将发生变化，并定量计算出变化量。由上面的分析可知，材料和动力消耗费用及检修费受煤质影响最大。
2.3　制粉系统煤质工程分析及软件开发
　　火电厂采用的制粉系统有直吹式和中间储仓式两种型式。制粉系统包括从原煤仓到燃烧器之间的所有设备和管道，其中动力消耗最大的是磨煤机。电厂常用的磨煤机可以分为三大类，即低速磨煤机、中速磨煤机和高速磨煤机。低速磨主要是筒式钢球磨，又分为单进单出和双进双出两种；中速磨有RP型磨(改进型为HP型)、E型磨、MPS磨、Leosche磨和Lopuleo磨等；高速磨常用的是风扇磨，分为N型和S型。下面以磨煤机为例分析煤质变化带来的成本变化。
　　对于直吹式系统，当来煤的低位发热量升高时，要求给煤机出力下降，从而使磨煤机、排粉机的出力相应下降。除单进单出钢球磨煤机(一般配中储式)外，其它各种磨煤机动力消耗随出力下降而减少。对于中储式系统，发热量升高，锅炉所需煤耗减少，使磨煤机停机时间延长，减少制粉系统耗电量。
　　煤的可磨性指数，直接影响磨煤机出力，可磨性指数越低的煤，磨煤机动力消耗越大。
　　煤的磨损指数，一般与煤的其它性质没有必然联系，它主要与煤中所含石英及石英砂的排列顺序有关。磨损指数越大的煤，对磨煤机部件及管道磨损越严重，使材料消耗及维修费用增加。
　　挥发份对制粉系统的影响是通过煤粉经济细度来反映的。挥发份高的煤，煤粉经济细度也较高，在相同动力消耗下磨煤出力增加。直吹式系统等效于降低磨煤机负荷率。
　　灰分对磨煤机出力的影响不大，只有当煤中所含灰分超过一定临界值后，才对磨煤出力有影响。有实验表明，大约在灰分含量超过20%时才影响磨煤出力。但灰分对磨损指数影响非常明显，灰分升高，磨损指数成比例上升。
　　煤的水分对制粉系统的成本费用和安全运行都有一定影响。一方面水分影响磨煤机的干燥出力，从而限制磨煤机出力。磨煤机的研磨方式不同，水分的影响程度也不同，受影响最大的是锤击式和研磨式磨煤机。煤粉水分太高流动性变差，直接威胁制粉系统的安全。
　　制粉系统设备多、管路长，煤质变化对制粉系统影响复杂。因此，对制粉系统进行综合研究，即利用煤质工程分析方法研究制粉系统有着十分重要的意义。本文针对直吹式和中储式两种制粉系统，开发了一套通用的煤质工程分析软件。制粉系统总费用计算框图如下：

图4　制粉系统计算框图

　　本软件不仅能分别采用煤粉数量出力和热出力两种基准进行制粉系统成本计算，还能进行制粉系统数据库的管理、统计工作。该软件对制粉系统的分析结果存于独立的数据文件中，即可以打印出来，又方便全厂煤质工程分析时调用。为全厂的煤质工程分析软件开发打下了良好的基础。
　　本软件是针对北京第一热电厂6^＃机组220t／h锅炉制粉系统开发的，并完成了对该系统的经济性评价。

3　结　论

　　煤质工程分析方法可以全面、综合地研究煤质变化对电厂运行、成本的影响，为电厂提出最佳运行方案并计算出发电成本，对新建或改扩建电厂可用于方案评估，具有很大的实用价值和发展前景。
　　辅助系统的煤质工程分析工作国内外开展得都较少。本文开发的制粉系统煤质工程分析软件在这方面进行了有益的尝试，并为下一步进行全厂煤质工程分析和软件的开发打下了良好的基础。

*国家电力公司基金资助项目
作者简介：刘彤，1963年生，女，副教授，主要从事锅炉整体CAD的开发和应用的研究。常连生，1948年生，男，教授，主要从事电厂燃料输运及管理方面的研究。
作者单位：华北电力大学(北京)动能工程系，北京　102206