基于MATLAB的300 MW煤-氣混燒汽輪發(fā)電機(jī)組廠用電分析

牛東風(fēng)，李兆豐，盧進(jìn)福，邵 頌

首鋼京唐公司，河北 唐山 063200

0 引言

煤-氣混燒汽輪發(fā)電機(jī)組多見于鋼鐵廠，原因在于鋼鐵企業(yè)主流程即煉鐵、煉鋼工藝流程，會(huì)產(chǎn)生大量的高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣等副產(chǎn)品。因此，基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)背景的鋼鐵廠煤-氣混燒發(fā)電機(jī)組就成為較為理想的能源循環(huán)方式。因電廠機(jī)組的燃?xì)夤?yīng)量要視煉鋼、煉鐵、焦化及全鋼廠的燃?xì)馄胶獯_定，導(dǎo)致煤-氣混燒機(jī)組燃料調(diào)整較為頻繁，鍋爐輔機(jī)耗電功率波動(dòng)較大，廠用電率參數(shù)不穩(wěn)定，上網(wǎng)電量預(yù)測準(zhǔn)確性低等不利情況發(fā)生。鑒于以上情況，研究分析煤氣混燒機(jī)組的廠用電波動(dòng)情況，建立相對(duì)合理精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)鋼鐵廠的整體能源電力平衡有重要意義[1]。

1 煤-氣混燒汽輪發(fā)電機(jī)組的主要耗能輔機(jī)

一般來說，鋼鐵廠自備電廠發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量不超過300 MW。文章以國內(nèi)某鋼鐵公司自備電站機(jī)組為研究對(duì)象，分析廠用電指標(biāo)的影響因素。

某鋼廠自備電廠配置2×300 MW煤氣混燒汽輪發(fā)電機(jī)組，主要廠用輔機(jī)耗電量情況如表1所示。其中，鍋爐系統(tǒng)輔機(jī)耗電占比最高，波動(dòng)幅度最大，如圖1所示。鍋爐系統(tǒng)主要輔機(jī)設(shè)備包括2臺(tái)引風(fēng)機(jī)、2臺(tái)送風(fēng)機(jī)、2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)、5臺(tái)磨煤機(jī)，其中引風(fēng)機(jī)額定功率達(dá)4 900 kW，是廠用電經(jīng)常性負(fù)荷中的最大負(fù)載，又因其運(yùn)行工況直接受鍋爐燃料調(diào)整影響，電流波動(dòng)頻繁且幅度較大。

圖1 多重應(yīng)用場景下新能源電力系統(tǒng)儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

表1 某典型月份廠用電系統(tǒng)主要輔機(jī)耗電情況

圖1 鍋爐鋪機(jī)耗電量占比圖

2 廠用電耗電量模型

該電廠正常運(yùn)行時(shí)，在300 MW滿負(fù)荷工況下，引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)2臺(tái)引風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行；磨煤機(jī)系統(tǒng)視高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣摻燒情況分別投運(yùn)3臺(tái)、4臺(tái)、5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行；2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)耗電量基本隨給煤量正向變動(dòng)；2臺(tái)送風(fēng)機(jī)耗電量則與總?cè)剂狭肯嚓P(guān)，且電流基本穩(wěn)定。鍋爐輔機(jī)的耗電量情況隨機(jī)組工況不同變動(dòng)較為明顯。文章重點(diǎn)分析負(fù)荷300 MW不變時(shí)，幾種不同燃燒運(yùn)行方式下的鍋爐系統(tǒng)輔機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)情況。

廠用電消耗構(gòu)成可分為以下三個(gè)部分。（1）除鍋爐輔機(jī)外的用電部分，主要包括發(fā)電機(jī)系統(tǒng)廠用電負(fù)荷、汽輪機(jī)系統(tǒng)廠用電負(fù)荷。這部分用電負(fù)荷較為穩(wěn)定，在機(jī)組滿足負(fù)荷300 MW的工況下，這部分廠用電負(fù)荷基本不變。（2）廠用電公用部分。這部分負(fù)荷在機(jī)組滿負(fù)荷工況下，基本保持能耗恒定（3）鍋爐輔機(jī)部分。這部分可認(rèn)為是耗煤量變量和高爐煤氣量、焦?fàn)t煤氣量變量的函數(shù)，這里著重分析鍋爐輔機(jī)部分耗電量[2-3]。

根據(jù)上述內(nèi)容，可以初步建立廠用電耗電量基礎(chǔ)模型：

根據(jù)數(shù)據(jù)可知，引風(fēng)機(jī)電流與引風(fēng)機(jī)總風(fēng)量存在強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。

初步自定義引風(fēng)機(jī)風(fēng)總量的計(jì)算式，其中高爐煤氣密度、焦?fàn)t煤氣密度初步按1.29 kg/m3和0.5 kg/m3計(jì)算，得到公式（4）。

總耗煤量與一次風(fēng)量關(guān)系計(jì)算式如下：

磨煤機(jī)總耗電與總煤量關(guān)系計(jì)算式如下：

總風(fēng)量關(guān)系計(jì)算式如下：

總風(fēng)量與總煤量、高爐煤氣量、焦?fàn)t煤氣量關(guān)系計(jì)算式如下：

3 MATLAB多項(xiàng)式擬合

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，分別采集記錄300 MW煤-氣混燒機(jī)組的鍋爐系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如表2所示。

根據(jù)表2，經(jīng)MATLAB擬合算法，得到一次風(fēng)機(jī)電流-總耗煤量擬合曲線，如圖2所示。

表2 負(fù)荷300 MW 時(shí)不同燃料工況鍋爐系統(tǒng)參數(shù)

圖2 一次風(fēng)機(jī)電流-總耗煤量擬合曲線

總風(fēng)量與總煤量、高爐煤氣量、焦?fàn)t煤氣量關(guān)系計(jì)算式如下：

整理后可得到鍋爐輔機(jī)總耗電和燃料量間的擬合關(guān)系：

鍋爐輔機(jī)總耗電=引風(fēng)機(jī)總耗電+一次風(fēng)機(jī)總耗電+送風(fēng)機(jī)總耗電+磨煤機(jī)總耗電=21.3×總煤量+1.4×高爐

以上是分參數(shù)分別進(jìn)行MATLAB曲線擬合再綜合構(gòu)成廠用電模型公式，經(jīng)過多次擬合后，累計(jì)誤差過大而不可接受[4]。下面直接對(duì)鍋爐輔機(jī)總耗電進(jìn)行分析，影響因素直接用高爐煤氣量、焦?fàn)t煤氣量、總煤量，得到式（16）：

利用MATLAB fmincon模塊進(jìn)行最小值計(jì)算，可得出如下結(jié)論：當(dāng)滿足總?cè)剂狭俊?30 t標(biāo)準(zhǔn)煤熱值的約束條件下，鍋爐輔機(jī)的最小耗電量工況發(fā)生時(shí)，燃煤、高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣的優(yōu)先順序?yàn)榻範(fàn)t煤氣→燃煤→高爐煤氣。

根據(jù)以上模型及計(jì)算分析，帶入數(shù)據(jù)驗(yàn)證，并與現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況比對(duì)，可以制定燃料摻燒的配比原則，即單從降低廠用電率角度考慮，要在滿足機(jī)組300 MW負(fù)荷熱值前提下盡量增加焦?fàn)t煤氣燃燒量，盡可能降低高爐煤氣摻燒量，對(duì)燃煤量作出相應(yīng)調(diào)整。

需要注意的是，數(shù)學(xué)模型中對(duì)磨煤機(jī)的總耗電進(jìn)行了線性處理，導(dǎo)致磨煤機(jī)系統(tǒng)在總煤量處于105～109 t范圍區(qū)間時(shí)，要注意3臺(tái)磨煤機(jī)工況至4臺(tái)磨煤機(jī)工況的轉(zhuǎn)換，此間數(shù)據(jù)可能需要單獨(dú)驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

煤氣混燒汽輪發(fā)電機(jī)組的廠用電耗電量波動(dòng)情況較為復(fù)雜，文章以某300 MW電廠的煤-氣混燒機(jī)組作為研究對(duì)象，選擇發(fā)電機(jī)組不同典型工況下的典型參數(shù)，并借助MATLAB工業(yè)軟件的曲線擬合算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提出了廠用電優(yōu)化調(diào)整的初步結(jié)論。研究的意義在于提出了一種廠用電耗電量的量化計(jì)算分析思路方法，對(duì)于廠用電量預(yù)測和生產(chǎn)計(jì)劃具有一定的參考意義。不足在于各種工況的選取具有局限性，數(shù)據(jù)量有限而導(dǎo)致曲線擬合后多項(xiàng)式精確度不足，系數(shù)值存在偏差。優(yōu)化思路應(yīng)著重于各個(gè)工況下的單獨(dú)分析，即避免工況切換導(dǎo)致的參數(shù)變化影響，應(yīng)在每個(gè)典型工況下分別單獨(dú)分析，進(jìn)行大數(shù)據(jù)采集，以求得到更加準(zhǔn)確的計(jì)算參數(shù)。