基于系统动力学对燃煤电厂配煤掺烧经济效益的研究

张 皓，李超凡

(河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300130)

近年来，煤价大幅上涨，配煤掺烧所产生的效益也受到从业者的关注。国内学者针对燃煤电厂的配煤掺烧做了大量的研究工作，并在混煤特性和配煤优化算法方面取得很多的研究成果[1-6]。例如通过核算、统计回归方式对电厂历史资料进行分析；火电厂发电成本的动态分析法；BP人工神经网络方法对发电成本进行分析预测。目前针对配煤掺烧直接或者间接的降低发电厂成本的研究并不多见。在建立求解经济效益最优化的模型时，“自上而下”和“自下而上”两种类型的分析方法各有利弊，本文采用“自下而上”的分析方法，又由于还使用系统动力学，可以在比较长的时间维度上考虑一系列市场影响，尽可能包含市场反馈与大环境下对电厂产生的经济影响。

本文将基于系统动力学对可能产生成本变化的生产过程建立数学模型，讨论发电燃料成本(锅炉效率、煤耗、投油量、热值差)、减排处理成本、辅机电耗成本、设备磨损成本、输煤磨煤成本、储煤成本和限电影响等，以并实际的发电厂为例，探讨配煤掺烧如何使火电厂的经济效益最大化，通过最大程度模拟现实的生产情况，具有良好的效果。

1 发电成本

生产总成本是由固定成本和可变成本构成，参配不同的煤质对设备折旧影响很小，故不考虑，可变成本中燃料是在总成本中占比最高的一项，而又不仅仅包括煤炭的价格。这里采用三分法，将发电成本定义为电量成本、外部成本和碳税成本(见图1)。

电量成本主要由总燃料成本和运行维护成本构成。外部成本包括电量损失成本、灰渣处理成本和二氧化硫处理成本。碳税成本是在考虑即将开启的碳税市场中，增加的影响发电成本的部分。容量成本的其中一项是人员福利和工资水平，因改变煤质而引起的总体成本变化与人员福利无关，故本文不考虑此项成本。

图1 三分法发电成本构成

1.1 电量成本

在燃料价格不断上涨的情况下，市场越来越紧张时，电厂可以选择优质煤与劣质煤掺烧，保证成本下降。又由于燃煤电厂的锅炉都是依据标准煤设计，所以参配的煤种差异也必将导致锅炉运行差异。本文中的电量成本C定义为由总燃料成本Cg和运行维护成本CS构成的成本(见图2)。

电量成本的高低与参配的煤种有关，煤炭的质量直接影响其价格，其间接又影响锅炉的煤耗等。掺烧低成本的煤炭，可以显著降低购入煤价，而入炉煤价会受很多因素影响，在电量成本中单讨论购入煤价是没有意义的，要考虑到混合影响的入炉煤价。

图2 本文中的电量成本构成

1.1.1总燃料成本

火电厂70%的成本用于购买煤炭，由于煤炭价格高，多数燃煤电厂在亏损状态，大多数电厂不能购买品质较高、售价较高的设计煤种。购买低品质的煤种，需要面对煤耗升高，磨损加剧的问题，影响总燃料成本。因此，选择不同品质的煤炭，评估因煤炭品质改变引起的成本变动，以保证入炉煤价费用最低，是降低电量成本的一个重要内容。

总燃料成本Cg=购入燃料成本Cf+运煤成本Cym+储煤成本Ccm+额外煤耗损失成本Ce

(1)燃料成本。燃料成本在本文指代煤炭价格，是燃煤电厂影响成本的最大因素。配煤掺烧也是由于煤炭价格高，而选择的参配方法。

燃料成本=混煤单价×混煤量

(2)煤耗(锅炉效率)。不同煤种发热量，组成成分等差异很大，由于电厂之间存在设计、运行等差异，为了应用广泛性进行适当简化。以600 MW燃煤机组为例，定量分析煤质对发电厂成本的影响。

因为锅炉实际效率需要考虑排烟损失、化学不完全燃烧损失、机械不完全燃烧损失、锅炉散热损失和其他热损失，并且在宏观层面与热效率之比相差不大。考虑到数据的易获取程度，本文将实际发电煤耗的算法简略，实际热效率与设计热效率之比乘以标准发电煤耗的值为实际发电煤耗。

锅炉效率直接影响煤耗，若劣质煤参配比例升高，锅炉负荷会降低，并需要投入助燃油，进而入炉煤价提高。

1.1.2运行维护成本

运用维护成本是指电厂运行中需要的维护费，以及运行中除煤炭的附加费用——助燃油费用。输煤和磨煤系统的处理费与煤质相关，参配不同品质的煤炭，输煤和磨煤系统的处理费不同。助燃油在起机时，如果煤炭热值过低，需加入的助燃剂越多。掺烧的劣质煤越多，助燃油则需要的越多。

(1)输磨煤系统磨损。输煤磨煤系统的磨损与电量损耗，与煤质相关很大，煤质越好，输煤磨煤系统的磨损与电量损耗就越小。煤质越差，则反之。故参配一定比例的劣质煤会影响输磨煤系统磨损的成本。

(1)

式中cue，t/g——单位发电量输磨煤电耗成本；cg——单位发电煤耗；Qmix——混煤发热量；Qs——标煤发热量；Ce，t/g——输磨煤生产单耗；Pe——电价。

(2)投油成本。助燃油是在机组低负荷，燃煤热值低时，投入增加锅炉点火热值的辅助品。锅炉负荷越低，燃煤热值越低，所需要的投油量越高。在参配劣质煤时，会使用到助燃油。因此，使用助燃油会提高入炉煤价，进而增加运行维护成本。

(2)

式中D——助燃油量；Poil——油价；Lu——机组负荷。

1.2 外部成本

本文中的外部成本是指生产中，产生的附加成本和后续污染的处理成本(见图3)。考虑附加成本是在参配劣质煤时，会产生电量损失，电量损失包括脱硫电耗成本、除尘电耗成本、风机电耗成本、汽机辅机电耗。不同的煤质含灰量不同，故灰渣处理成本也不同。不同煤质含硫量也不同，二氧化硫的处理费也不同。

图3 外部成本构成

1.2.1煤质下降导致的电量损失

为简化分析，电量损失可近似认为，各设备的耗电量与煤耗量存在正相关关系。由于参配煤质不同，故不同比例的参配，其辅机耗电成本也不同，原煤输运及煤粉制造中产生的电量损失已经计算在输磨煤系统磨损当中，为了不重复计算，这里仅考虑脱硫电耗成本及除尘电耗成本。

Cf，j=10-3×Pd×bcs×P×i=15Mfj，i

(3)

式中Cf，j——相关辅机电耗；Pd——上网电价；bcs——锅炉煤耗预测值；P——机组负荷均值；Mfj，i——与配煤相关辅机单电耗。

1.2.2灰渣处理费

配煤过程中，不同煤质的含灰量不同，故燃烧掺烧不同煤质的比例不同，产生灰量不同。一般情况下，热值越低的煤，产生的灰量越多，故劣质煤掺烧比例提高后，灰渣量提高。

因为除尘效率达到99%，故单位发电量对应的设备和电耗成本与煤质关系不大，仅计算运灰与灰场储存费用。

(4)

式中Cg——单位发电煤耗；Cue，ar——除灰成本；a——煤种灰分；Ch——灰渣加湿系数；fash——灰渣运费；d——运输距离；ey——占用成本价格。

1.2.3二氧化硫处理费

目前我国的政策是只收取二氧化硫的排放费用。煤中硫转化为二氧化硫气体为1.6倍，即1 t硫产生1.6 t的二氧化硫气体。依照目前政策，国家环保局，对二氧化硫的进行环保收费。

(5)

式中PSO2——环保总成本；MSO2——每吨煤产生二氧化硫质量；PJY——浆液市场价格；ηSO2——脱硫效率；PS——二氧化硫国家收费标准(桥攀)。

1.3 碳税成本

应对气候变化是当前国际社会的焦点之一。我国碳排放权交易市场将于今年启动，碳税将成为发电成本中重要的一部分。

以每月为一个计算周期，按照目前煤电机组碳排放量的计算方法是

MCO2=kb/Qnet×Car×R

(6)

式中R=44/12；k——供电量；MCO2——完全燃烧后二氧化碳的排放量；Qnet——入炉煤低热发热量；Car——基碳；b——供电煤耗。

以600 MW机组半年为例，故k=负荷×24×30×6。

2 系统动力学方法应用于配煤掺烧的成本分析

2.1 系统动力学模型的适用性和基础

系统动力学(System Dynamics，简称SD)作为在信息反馈控制理论、决策理论、仿真技术和电子计算机应用基础上发展形成的一门交叉学科，通过定性与定量相结合、存量和流量相结合，通过建立严谨的因果关系方式来建立模型。因果回路图(Causal Loop Diagrams，简称CLD)包含多个变量，变量之间由标出因果关系的箭头(因果链)所连接，是表示系统反馈结构的重要工具。因果回路图中的常用符号见表1。

表1 因果回路图中的常用符号

系统动力学通过因果链建立系统各组成部分之间的明确且详尽的函数关系，以此建立涵盖所有影响因素在内的完整网络，并把它视之为一个完整严密的系统，通过调整其中任何自变量就可以观察到其对结果的影响，从而进行仿真模拟，得到最优的配置方案。

2.2 系统动力学对配煤掺烧的系统建模的适用性

系统动力学在能源行业发展规划中也具有很强的优势。系统动力学同样可以适用于能源行业更微观的研究领域，如研究物料投放的最优配置，研究能源投入的最优方案等，系统动力学都显现出其特有的优势。

目前主流的有两种研究方式，分别是“自上而下”类的模型，一般采用宏观经济学方法，以经济的发展对地区的影响出发，给出经济变化引起的能源系统供求关系变化。此类模型能够较好地描述国民经济各部门相互作用以及资源和经济之间的关系，但对资源生产和利用技术描述比较抽象，资源消耗变化原因不够清晰。“自下而上”类的模型强调了工程方法，强调技术的变化和经济区域综合效益的影响，并对各种技术详细描述过程，但忽略了经济发展和非技术因素的市场反馈[7]。而在配煤掺烧中采取系统动力学的分析方法，既能从宏观角度分析，国家政策及经济形势对煤电厂成本影响，例如调整电价，就可以观察发电成本的变化；调整国家对二氧化硫收费标准，也可以直观反映到发电成本的变化。即使是“自下而上”的方式，也可以从技术层面描述生产变化的详细过程，例如改变机组负荷，改变助燃油量等，都可以影响到发电成本。

(1)简洁性。利用系统动力学的方法分析配煤掺烧，可以使各因果变量更加直观，改变一个值，便可直观看到整体的变化。

(2)近似性。因系统动力学可引入较多的变量，包括微观的技术问题，宏观的国家政策，所以配煤掺烧的结果，可使模拟结果与实际情况相似。

(3)目的适度。系统动力学可以改变其中一个量或多个量，而引起发电成本的改变。本文的目的正是希望改变其中一个变量，而观察整个发电成本的改变

建立配煤掺烧影响发电成本的的系统模型既要着眼于宏观政策，又要兼顾技术特点。系统动力学是多角度研究配煤掺烧的方法。

2.3 配煤掺烧的因果图

配煤掺烧基于系统动力学因果关系见图4。

图4 配煤掺烧基于系统动力学因果关系图

图4中，辅助变量为常数或是可变更的自变量，状态变量为受其他变量影响的因变量。

2.4 仿真测试与分析

以西部某电厂600 MW机组为例，模拟时间为2017年1～6月，利用本文提出的系统动力学模型进行仿真测试。

仿真中用到的主要参数有：

煤的标准发热量29 271(kJ/kg)[6]

脱销单耗0.49

脱硫单耗18.08

加湿系数1.4

单位公里灰渣运费5.18元/t

灰渣运输距离3 t/km

灰渣占用灰厂成本6.25 t

脱硫效率0.975

浆液价格市场678.6元/t

二氧化硫国家收费标准1.26元/t

电价0.24元/kW·h

油价5 967元/t

发热量、混煤量、混煤单价、收到基碳、含灰量、含硫量、助燃油量随煤质不同而改变，利用该发电厂的煤泥掺烧测算表，可以直接查询，见表2。

表2 发电厂煤泥掺烧测算表

(1)发电成本分析。比较100%高热量煤，50%高热量煤50%煤泥(下面简称混煤)，100%煤泥三种掺配当时，在64%负荷下，时间6个月，运行系统得出结论。

各项辅助变量输如下：

发电成本，高热值煤>煤泥>混煤；

外部成本，煤泥>混煤>高热值煤；

电量成本，高热值煤>煤泥>混煤；

碳税成本，高热值煤>混煤>煤泥。

(2)外部成本分析：

外部成本，煤泥>混煤>高热量煤

二氧化硫处理费，煤泥>混煤=高热量煤；

灰渣处理费最高，煤泥>混煤>高热量煤；

煤质下降导致的电量损失三者相差不多。

(3)电量成本分析：

电量成本，高热值煤>煤泥>混煤；

总燃料成本，高热值煤>煤泥>混煤；

运行维护成本，高热值煤>煤泥>混煤。

(4)碳税成本分析：

碳税，高热值煤>混煤>煤泥。

(5)结果分析。在6个月的时间内，利用混煤发电成本最低，随时间增加差距扩大；在另一方面，比如污染处理费，高热值煤有更大优势；碳税成本煤泥有更大的优势。随着外部环境的改变，应当选择不同掺烧方式，更有利于电厂降低成本。

3 结语

采用系统动力学探究配煤掺烧成本可以在很大程度上模拟真实情况，不论时间维度还是多变量方面，都具有很强的优势，本文提出了用系统动力学的方法研究配煤掺烧的成本模型，该系统既涵盖了技术因素，又涵盖了政策因素。今后的工作侧重模拟多次，探究不同机组、不同负荷等情况下的发电成本问题，并且应导出标明具体数据，探究长时间的结果。