沈宏

(杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國年發(fā)電量已超過美國位居世界第一，但燃煤發(fā)電仍是電力生產(chǎn)的主要形式，燃煤發(fā)電裝機(jī)容量約占全部發(fā)電裝機(jī)容量的60%，燃煤成本約占發(fā)電總成本的70%，降低燃煤成本對(duì)發(fā)電企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效有著事半功倍的作用。

1 燃煤熱值與標(biāo)煤單價(jià)的關(guān)系

燃煤的主要成分有碳、氫、氧、氮、硫、水分及灰分，其中發(fā)熱量(也稱熱值)是煤的重要參數(shù)。單位質(zhì)量的煤完全燃燒所釋放的熱量稱為燃煤熱值，煤種不同，釋放的發(fā)熱量也不同，從理論上講，每千克碳完全燃燒可放出約32 700 kJ的熱量。燃煤發(fā)熱量分為高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量，發(fā)電企業(yè)的燃煤熱值一般用低位發(fā)熱量來反映。為便于電廠煤耗的計(jì)算和比較，將低位發(fā)熱量為29 288 kJ/kg的煤作為標(biāo)準(zhǔn)煤，以此為基準(zhǔn)進(jìn)行煤耗的計(jì)算及比較分析。

設(shè)熱值為Q0(kJ)的原煤出礦單價(jià)為P1(元/t)，運(yùn)輸單價(jià)為P2(元/t)，每噸燃煤運(yùn)輸損耗率為η1(%)，每噸燃煤堆場(chǎng)損耗率為η2(%)。又設(shè)1/(1-η1)=R，則R≥1(當(dāng)η1=0時(shí)，R=1)；設(shè)1/(1-η2)=L，則L≥1(當(dāng)η2=0時(shí)，L=1)。

此時(shí)，原煤到廠單價(jià)為(P1+P2)/(1-η1)=R(P1+P2)；入爐原煤單價(jià)為RL(P1+P2)；到廠標(biāo)煤單價(jià)為[(P1+P2)/(1-η1)]÷(Q0/29 288)=29 288R(P1/Q0+P2/Q0)；入爐標(biāo)煤單價(jià)為29 288RL(P1/Q0+P2/Q0)。

出礦原煤單價(jià)與熱值直接相關(guān)，當(dāng)熱值為Q(Q≥Q0)時(shí)，一般出礦價(jià)為PQ/Q0，此時(shí)原煤到廠單價(jià)為(P1Q/Q0+P2)/(1-η1)=R(P1Q/Q0+P2)；原煤到廠標(biāo)煤單價(jià)為R(P1Q/Q0+P2)÷(Q/29 288)=29 288R(P1/Q0+P2/Q)；入爐標(biāo)煤單價(jià)為29 288RL(P1/Q0+P2/Q)。

由于Q≥Q0，所以P2/Q0≥P2/Q，則

29 288RL(P1/Q0+P2/Q0)≥29 288RL(P1/Q0+P2/Q)。

通過上述運(yùn)算可知，在燃煤出礦單價(jià)、運(yùn)輸單價(jià)、途損、場(chǎng)損一定的情況下，采購的燃煤熱值越高，到廠煤、入爐煤的標(biāo)煤單價(jià)就越低。因?yàn)樵谠毫肯嗤那闆r下，運(yùn)費(fèi)相同，原煤熱值越高，標(biāo)煤量越大，單位標(biāo)煤運(yùn)費(fèi)就越低。因此，發(fā)電企業(yè)總是盡可能采購高熱值燃煤。當(dāng)然，如果P2為0，即煤炭不需要運(yùn)輸，那么任何熱值的標(biāo)煤單價(jià)就相同，這就失去了本文探討的意義。因此，在不考慮其他因素的情況下，標(biāo)煤單價(jià)與熱值兩者的變化關(guān)系可用曲線描述，如圖1所示。

圖1 燃煤熱值與標(biāo)煤單價(jià)的關(guān)系

從圖1可以看出，熱值與發(fā)電標(biāo)煤單價(jià)的關(guān)系曲線是一條非線性的反比例函數(shù)曲線。當(dāng)燃煤熱值從Q0降到Q點(diǎn)時(shí)，標(biāo)煤單價(jià)幾乎不變，對(duì)降低燃煤成本的影響微乎其微，但燃煤熱值從設(shè)計(jì)值降到Q0時(shí)，標(biāo)煤單價(jià)明顯下降，降本增效明顯。

例如，M發(fā)電企業(yè)擁有2臺(tái)600 MW機(jī)組，年發(fā)電量為67.2 億kW·h，到礦方去采購燃煤。N礦煤炭的平均熱值為18 828 kJ左右，正好適合M發(fā)電企業(yè)鍋爐燃燒，經(jīng)雙方洽談，合同約定18 828 kJ熱值的煤炭出礦單價(jià)為270 元/t，高于或低于該熱值的煤炭按熱值比例提價(jià)或降價(jià)。該煤炭運(yùn)到M發(fā)電企業(yè)的運(yùn)費(fèi)為200 元/t，運(yùn)損率為1.0%，場(chǎng)損率為0.5%。以不同煤種為例，按照前述公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。從表1可知：

表1 不同煤種的煤價(jià)

(1)對(duì)于M發(fā)電企業(yè)，雖然熱值為18 828 kJ的入廠原煤單價(jià)比熱值為20 920 kJ的原煤單價(jià)低30.3 元/t，但入爐標(biāo)煤單價(jià)卻升高了31.58 元/t。

(2)以熱值為18 828 kJ的煤種為基準(zhǔn)，對(duì)比熱值為16 736 kJ和23 012 kJ的煤種，兩者入廠原煤單價(jià)相差90.9 元，但反映到入爐標(biāo)煤單價(jià)上，兩者相差了96.9 元，差值放大。

可見，在不考慮其他因素的情況下，采購煤炭的熱值越高越好。

2 燃煤熱值與單位發(fā)電標(biāo)煤耗的關(guān)系

發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，在其他條件一定的情況下，燃煤熱值直接影響鍋爐效率。鍋爐效率取決于燃煤在燃燒過程中的機(jī)械未完全燃燒熱損失、化學(xué)未完全燃燒熱損失、排煙熱損失以及爐膛、煙道的散熱損失。鍋爐燃燒設(shè)計(jì)煤種時(shí)，隨著燃料量的增加，鍋爐的負(fù)荷(蒸發(fā)量)也在增加，達(dá)到額定負(fù)荷時(shí)，鍋爐效率最高，此時(shí)的發(fā)電標(biāo)煤耗也就為最佳值。當(dāng)鍋爐燃燒煤種的熱值低于或高于設(shè)計(jì)值時(shí)，鍋爐效率會(huì)下降，發(fā)電標(biāo)煤耗升高，說明燃煤發(fā)電企業(yè)的鍋爐對(duì)煤種具有適燒性。

由于發(fā)電標(biāo)煤耗數(shù)據(jù)的測(cè)定一般通過試驗(yàn)獲取，因此可以根據(jù)鍋爐燃燒試驗(yàn)獲取燃煤數(shù)據(jù)，找出燃煤熱值與發(fā)電標(biāo)煤耗之間的關(guān)系。此種關(guān)系因鍋爐的不同而有所區(qū)別，可能是折線、可能是拋物線，也可能是雙曲線，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)得，如圖2所示。

圖2 燃煤熱值與單位發(fā)電煤耗的關(guān)系

仍以上述M發(fā)電企業(yè)為例，對(duì)煤種的適燒性進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)燃煤熱值為18 828 kJ時(shí)，發(fā)電煤耗最低，為304 g/(kW·h)，此時(shí)的單位發(fā)電燃煤料成本為742.19×304×10-6=0.225 626 (元/(kW·h))，年發(fā)電燃煤成本為67.2×0.225 626=15.16 (億元)。

設(shè)y為煤耗，單位為g/(kW·h)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出發(fā)電煤耗y與燃煤熱值Q的關(guān)系為

y=Q/167 360+191.5(213 38≥

Q≥18 828) ，

(1)

y=-Q/167 360+416.5(18 828>

Q≥16 736) 。

(2)

3 發(fā)電燃煤熱值的確定

根據(jù)上述分析可知，企業(yè)采購發(fā)電用燃煤時(shí)，不會(huì)采購低于單位發(fā)電標(biāo)煤耗最低時(shí)對(duì)應(yīng)熱值的燃煤，因?yàn)榈陀谶@一熱值，單位發(fā)電標(biāo)煤耗上升，標(biāo)煤單價(jià)同步上升，發(fā)電燃煤成本也上升。因此，燃煤發(fā)電企業(yè)采購煤炭時(shí)，盡可能選擇等于或高于發(fā)電標(biāo)煤耗最低時(shí)對(duì)應(yīng)熱值的燃煤。也就是說，燃煤發(fā)電企業(yè)一般不需考慮式(2)的情況。但是，發(fā)電用燃煤的熱值不是越高越好，因?yàn)槿济簾嶂翟礁?，單位?biāo)單價(jià)越低，但單位發(fā)電標(biāo)煤耗在不斷上升。

將圖1和圖2的數(shù)據(jù)疊加后得到圖3，圖中的Q點(diǎn)為最經(jīng)濟(jì)發(fā)電成本的煤炭熱值點(diǎn)。

那么單位發(fā)電燃煤成本最低點(diǎn)時(shí)的熱值如何確定呢？單位發(fā)電燃煤成本是單位發(fā)電標(biāo)煤耗與發(fā)電用標(biāo)煤單價(jià)的乘積，在煤炭出礦價(jià)、運(yùn)價(jià)、途損、場(chǎng)損一定的情況下，單位發(fā)電燃煤成本是與熱值相關(guān)的一個(gè)函數(shù)式，通過對(duì)該函數(shù)式求一階導(dǎo)數(shù)，令該一階

圖3 燃煤熱值與單位發(fā)電燃煤成本的關(guān)系

導(dǎo)數(shù)為零，求出的熱值指標(biāo)就是最佳(最低)單位發(fā)電燃煤成本時(shí)的熱值指標(biāo)。

設(shè)單位發(fā)電燃煤成本為Y(元/(kW·h))，單位發(fā)電標(biāo)煤耗最低時(shí)的煤炭熱值為Q0(kJ)，實(shí)際采購原煤的熱值為Q(Q≥Q0)，那么

Y=y×10-6×29 288RL(P1/Q0+P2/Q) 。

仍以M發(fā)電企業(yè)為例，在R，L，P1，P2，Q0均為定值、Q為變量的情況下

Y= 29 288RL×10-6×(P1Q/167.36Q0+

191.5P2/Q+P2/167.36+191.5P1/Q0)，

令Y的一階導(dǎo)數(shù)Y′=0，則

29 288RL×10-6×(P1/167.36Q0-

191.5P2/Q2)=0 ，

Q=(32 049.44P2Q0/P1)1/2=21 141.96 (kJ) 。

當(dāng)原煤熱值為21 141.96 kJ時(shí)，出礦價(jià)為303.18 元/t，原煤到廠單價(jià)為508.26 元/t時(shí)，入爐原煤單價(jià)為510.80 元/t，到廠標(biāo)煤單價(jià)為704.10 元/t，入爐標(biāo)煤單價(jià)為707.61 元/t；此時(shí)的發(fā)電煤耗為317.83 g/(kW·h)，單位發(fā)電燃煤成本為0.224 9 元/(kW·h)，年發(fā)電燃煤成本為15.11 億元。

若M發(fā)電企業(yè)采購發(fā)熱量為18 828 kJ的原煤來發(fā)電，發(fā)電煤耗可以達(dá)到最低點(diǎn)304.00 g/(kW·h)，即能耗最低，但是單位發(fā)電燃煤成本為0.225 6 元/(kW·h)，年發(fā)電燃煤成本為15.16 億元。

5 結(jié)束語

通過比較，綜合考慮發(fā)電煤耗和單位發(fā)電燃煤成本，為了達(dá)到最佳效果，作為M發(fā)電企業(yè)來說，煤炭熱值最好為18 828～21 141.96 kJ。也就是說燃煤熱值最好介于煤耗最低點(diǎn)和單位發(fā)電燃煤成本最低點(diǎn)之間，以實(shí)現(xiàn)燃煤發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。