非線性動力配煤在自動化設備中的應用及展望

趙思寧

（世紀萬安科技（北京）有限公司，北京 100029）

引言

我國煤炭產地主要集中在內蒙古、山西和陜西三省，由于地區(qū)的不同，導致煤種間的煤質差異較大，單一煤種難以滿足市場需求。因此需要通過配煤的方式，利用不同煤種間成分的不同、化學性質的差異，使得所配的煤種可以針對不同使用場景即可以滿足終端用戶的使用需求，同時在指標參數(shù)上達到最佳的使用率[1]。其中，動力配煤，是以煤的物理、化學、燃燒學以及煤質檢測等學科為基礎的配煤方式，動力配煤以市場實際使用需求為主導，運用一系列物理化學的加工工藝，以其他煤種先匹配達到煤質互補的作用，對于保障鍋爐的熱效率、實現(xiàn)煤炭資源的節(jié)約并減少污染物排放有顯著意義[2]。

1 單煤指標與動力配煤間的非線性關系

1.1 動力煤煤化作用及主要指標

成煤作用過程十分復雜，并且需要大量的時間積累，整個過程分為泥炭化階段和成巖作用階段，具體參見圖1所示。

動力用按煤炭的分類可以劃分為：褐煤、長焰煤、不粘結煤、貧煤、氣煤以及少量的無煙煤。根據(jù)我國重點煤科院長期的對動力配煤技術的研究，由于單煤性質各異，在燃燒過程中不同顆粒之間會有相互影響。因此動力配煤與單煤的主要指標（如發(fā)熱量、灰分、水分、揮發(fā)分和灰熔融性等）之間呈非線型的關系，因此在數(shù)學建模方面，主要根據(jù)神經網絡技術描述所配混煤與單煤之間的非線性映射關系。

1.2 動力配煤與單煤主要指標的非線性關系

動力配煤的關鍵問題在于如何在用戶提出所需煤種指標的基礎上，更好的在現(xiàn)有煤種中以更低的成本配煤，使混煤的綜合的指標達到最佳。因此可以認為，動力配煤的本質是一個獲取最優(yōu)解的優(yōu)化學科。筆者以某客戶的選擇為例，列出總計10個配煤指標：包括發(fā)熱量Q、揮發(fā)分V、硫分S、水分M、灰分A、灰熔點q、結渣特性、著火特性、燃盡特性D及SO2的排放特性為參考進行優(yōu)化，數(shù)學模型設定為公式（1）[3]：

式中：Pmin為最小配煤成本；n為參配煤種數(shù)量，Ci為

各參配煤種單價，Xi為該參配煤種所占比例。

煤種A和煤種B的約束條件如下：

發(fā)熱量，QA≤Q=fq（Xi，Qi，Mi，Ai，Vi，F(xiàn)i）≤QB

揮發(fā)分，VA≤V=fv（Xi，Qi，Mi，Ai，Vi，F(xiàn)i）≤VB

硫分，SA≤V=fv（Xi，Si）≤SB

水分，MA≤V=fm（Xi，Qi，Mi，Ai，Vi，F(xiàn)i）≤MB

灰分，AA≤V=fa（Xi，Qi，Mi，Ai，Vi，F(xiàn)i）≤AB

著火溫度：tA≤t=ft（Xi，各單煤灰分）≤T2B

燃燼特性：DA≤D=fd（Xi，Qi，Mi，Ai，Vi，F(xiàn)i）≤DB

排放特性：qA≤q=fso2（Xi，Qi，Mi）≤qB

該模型的求解難點在于對各個目標函數(shù)確定值的計算和實際操作過程中對配比量的控制，也就是說即使對混煤的成份及煤質特性指標與組成該混煤的各單煤相應成份及煤質特性指標之間的關系并無法得到確切的數(shù)值，甚至對單煤仍有一些煤質分析數(shù)據(jù)或燃燒特性指標尚未能總結出一條較為精確的計算公式。

2 自動化配煤技術的工作原理及實現(xiàn)

動力配煤的非線性優(yōu)化技術對配煤的設備、工藝水平有了更高的要求，山西某洗煤廠對自身設備進行的優(yōu)化升級，具體如下所述。

2.1 自動配煤系統(tǒng)

新建的配煤工藝流程見圖2所示，具體過程為：煤炭在液壓閘板的控制下，分批次按量斜倒入計量式帶式稱重機，膠帶秤的稱重傳感器在第一時間將重量數(shù)據(jù)與PLC的Modbus通信模式連接，經稱重后獲得實際煤量[4]。實際給煤量與PLC測得的給煤量誤差不超過5%時認定配比合格。再通過變頻器來對給煤量進行二次的精確調控，從而達到給煤速度與供給量的均勻工作。在整體的配煤環(huán)節(jié)中即需要配煤量誤差較小，還需要速度配煤勻速進行，在達到既定比例后進行混合，獲得符合用戶要求的配煤數(shù)據(jù)。

2.2 控制系統(tǒng)的結構與功能

配煤系統(tǒng)得到控制系統(tǒng)的結構原理見圖3，主要功能如下所述。

1）可對所有配煤設計設備進行集中操控。配煤系統(tǒng)所涉及的主要程序包括啟動、停止，聯(lián)合布控，緊急閉鎖、警示和單機控制等方面。整套配煤系統(tǒng)支持三種工作模式操作：順序控制、聯(lián)合集中控制和單機控制。順序控制是指所有配煤設備由計算機系統(tǒng)按照既定模式統(tǒng)一進行安排，通常設定為：啟動、停機、聯(lián)鎖循環(huán)自動化控制；聯(lián)合集中控制是指處理調配特殊煤種時，系統(tǒng)所有步驟將進行聯(lián)合適配，某些環(huán)節(jié)甚至需要手動控制；單及控制是當某一設備需要維護、檢修時針對該設備啟用的單獨調節(jié)模式。

2）系統(tǒng)支持緊急停機、故障示警功能。當給煤設備的供煤量超出遠小于設備預定給煤量時，將通過稱重傳感器的信號顯示在中央操作站，發(fā)出報警。作業(yè)人員可自行設置供煤量的上限和下限，以及警報時間及音量高低。

3）中央操作站具有顯示、操作、數(shù)值設定和數(shù)據(jù)查看的功能，顯示器畫面支持對主要工藝流程及測量參數(shù)、機器運行狀況的顯示及定位功能。

2.3 煤量的精確配比

膠帶稱重傳感器將實時采集的各煤種配煤量與PLC預設值進行比較，數(shù)據(jù)再經由經由modbus通信傳輸至變頻控制器，當有異常數(shù)據(jù)產生的時候將發(fā)出警報，自動改變輸送機的傳輸速度，調控各配煤通道的實際供給量，進而完成非線性配煤工作，主要工作分為參數(shù)的確定和程序的執(zhí)行兩部分[5]。

1）確定單項指標參數(shù)。配煤方在配煤前將根據(jù)對各項單一煤種的煤質化驗的結果進行配比方案的確定。在實際配煤時技術人員還將對現(xiàn)場各煤種儲量進行核查，確保煤量充足后選取某一（通常選取需量最大配煤）煤種為參考，再將該煤種的小時處理量輸入系統(tǒng)，微機配煤設置界面見圖4。

2）程序的執(zhí)行。所有參數(shù)確定完畢后，經程序的自動計算得到各煤種的小時配制量。配煤系統(tǒng)再根據(jù)計算所有單一煤種輸出量給出合理的煤機作業(yè)速度。煤機設備啟動后，系統(tǒng)還會根據(jù)膠帶稱重機自帶的計量裝置做出實時作出調整，獲得準確的輸煤量。

3 未來發(fā)展

通過實際研究發(fā)現(xiàn)，動力配煤技術可充分發(fā)揮各煤種的優(yōu)缺點，使最終產品達到取長補短的效果，從而提煉出綜合屬性更為合適的高質量煤種。但目前我國動力鍋爐主要以煤煙型為主，燃煤電廠每年向外排放出大量的SO2，對環(huán)境造成了極大的破壞。根據(jù)相關要求：我國的大中型城市城區(qū)及近郊區(qū)已不再新建燃煤火電廠；新建改造燃煤含硫量大于1%的電廠，必須建設脫硫設施。如何采用配煤技術滿足燃煤電廠中有關煤中硫含量的要求，將成為未來配煤技術發(fā)展的主要方向。例如煤種A的硫分在2.0%，煤種B的硫分為0.5%，兩種煤進行配比后，可使配煤硫分降低至1%以下，在采用化學添加劑脫硫后，最終配煤產品內硫分的含量還可降低60%左右。

4 結語

自動化非線性動力配煤的最大優(yōu)點在于平衡供煤質量，取得煤炭資源的最佳利用，從而達到提高鍋爐熱效率和節(jié)約用煤的目的。如何正確地認識動力配煤與其主要指標之間的關系，是直接配煤數(shù)學模型準確度的關鍵。因此需要先明確個組分的物理、化學意義，在利用先進的自動化配煤設備進行配比和管控。而在將來，動力配煤的發(fā)展必將以環(huán)保降硫為重要工作進行。