趙思寧

（世紀(jì)萬安科技（北京）有限公司，北京 100029）

引言

我國(guó)煤炭產(chǎn)地主要集中在內(nèi)蒙古、山西和陜西三省，由于地區(qū)的不同，導(dǎo)致煤種間的煤質(zhì)差異較大，單一煤種難以滿足市場(chǎng)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(xué)性質(zhì)的差異，使得所配的煤種可以針對(duì)不同使用場(chǎng)景即可以滿足終端用戶的使用需求，同時(shí)在指標(biāo)參數(shù)上達(dá)到最佳的使用率[1]。其中，動(dòng)力配煤，是以煤的物理、化學(xué)、燃燒學(xué)以及煤質(zhì)檢測(cè)等學(xué)科為基礎(chǔ)的配煤方式，動(dòng)力配煤以市場(chǎng)實(shí)際使用需求為主導(dǎo)，運(yùn)用一系列物理化學(xué)的加工工藝，以其他煤種先匹配達(dá)到煤質(zhì)互補(bǔ)的作用，對(duì)于保障鍋爐的熱效率、實(shí)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(biāo)與動(dòng)力配煤間的非線性關(guān)系

1.1 動(dòng)力煤煤化作用及主要指標(biāo)

成煤作用過程十分復(fù)雜，并且需要大量的時(shí)間積累，整個(gè)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(dòng)力用按煤炭的分類可以劃分為：褐煤、長(zhǎng)焰煤、不粘結(jié)煤、貧煤、氣煤以及少量的無煙煤。根據(jù)我國(guó)重點(diǎn)煤科院長(zhǎng)期的對(duì)動(dòng)力配煤技術(shù)的研究，由于單煤性質(zhì)各異，在燃燒過程中不同顆粒之間會(huì)有相互影響。因此動(dòng)力配煤與單煤的主要指標(biāo)（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(guān)系，因此在數(shù)學(xué)建模方面，主要根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)描述所配混煤與單煤之間的非線性映射關(guān)系。

1.2 動(dòng)力配煤與單煤主要指標(biāo)的非線性關(guān)系

動(dòng)力配煤的關(guān)鍵問題在于如何在用戶提出所需煤種指標(biāo)的基礎(chǔ)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(biāo)達(dá)到最佳。因此可以認(rèn)為，動(dòng)力配煤的本質(zhì)是一個(gè)獲取最優(yōu)解的優(yōu)化學(xué)科。筆者以某客戶的選擇為例，列出總計(jì)10個(gè)配煤指標(biāo)：包括發(fā)熱量Q、揮發(fā)分V、硫分S、水分M、灰分A、灰熔點(diǎn)q、結(jié)渣特性、著火特性、燃盡特性D及SO2的排放特性為參考進(jìn)行優(yōu)化，數(shù)學(xué)模型設(shè)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(jià)，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(diǎn)在于對(duì)各個(gè)目標(biāo)函數(shù)確定值的計(jì)算和實(shí)際操作過程中對(duì)配比量的控制，也就是說即使對(duì)混煤的成份及煤質(zhì)特性指標(biāo)與組成該混煤的各單煤相應(yīng)成份及煤質(zhì)特性指標(biāo)之間的關(guān)系并無法得到確切的數(shù)值，甚至對(duì)單煤仍有一些煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)或燃燒特性指標(biāo)尚未能總結(jié)出一條較為精確的計(jì)算公式。

2 自動(dòng)化配煤技術(shù)的工作原理及實(shí)現(xiàn)

動(dòng)力配煤的非線性優(yōu)化技術(shù)對(duì)配煤的設(shè)備、工藝水平有了更高的要求，山西某洗煤廠對(duì)自身設(shè)備進(jìn)行的優(yōu)化升級(jí)，具體如下所述。

2.1 自動(dòng)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(jì)量式帶式稱重機(jī)，膠帶秤的稱重傳感器在第一時(shí)間將重量數(shù)據(jù)與PLC的Modbus通信模式連接，經(jīng)稱重后獲得實(shí)際煤量[4]。實(shí)際給煤量與PLC測(cè)得的給煤量誤差不超過5%時(shí)認(rèn)定配比合格。再通過變頻器來對(duì)給煤量進(jìn)行二次的精確調(diào)控，從而達(dá)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(jìn)行，在達(dá)到既定比例后進(jìn)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(jié)構(gòu)與功能

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

1）可對(duì)所有配煤設(shè)計(jì)設(shè)備進(jìn)行集中操控。配煤系統(tǒng)所涉及的主要程序包括啟動(dòng)、停止，聯(lián)合布控，緊急閉鎖、警示和單機(jī)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(jī)控制。順序控制是指所有配煤設(shè)備由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按照既定模式統(tǒng)一進(jìn)行安排，通常設(shè)定為：?jiǎn)?dòng)、停機(jī)、聯(lián)鎖循環(huán)自動(dòng)化控制；聯(lián)合集中控制是指處理調(diào)配特殊煤種時(shí)，系統(tǒng)所有步驟將進(jìn)行聯(lián)合適配，某些環(huán)節(jié)甚至需要手動(dòng)控制；單及控制是當(dāng)某一設(shè)備需要維護(hù)、檢修時(shí)針對(duì)該設(shè)備啟用的單獨(dú)調(diào)節(jié)模式。

2）系統(tǒng)支持緊急停機(jī)、故障示警功能。當(dāng)給煤設(shè)備的供煤量超出遠(yuǎn)小于設(shè)備預(yù)定給煤量時(shí)，將通過稱重傳感器的信號(hào)顯示在中央操作站，發(fā)出報(bào)警。作業(yè)人員可自行設(shè)置供煤量的上限和下限，以及警報(bào)時(shí)間及音量高低。

3）中央操作站具有顯示、操作、數(shù)值設(shè)定和數(shù)據(jù)查看的功能，顯示器畫面支持對(duì)主要工藝流程及測(cè)量參數(shù)、機(jī)器運(yùn)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(shí)時(shí)采集的各煤種配煤量與PLC預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)再經(jīng)由經(jīng)由modbus通信傳輸至變頻控制器，當(dāng)有異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)候?qū)l(fā)出警報(bào)，自動(dòng)改變輸送機(jī)的傳輸速度，調(diào)控各配煤通道的實(shí)際供給量，進(jìn)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(xiàng)指標(biāo)參數(shù)。配煤方在配煤前將根據(jù)對(duì)各項(xiàng)單一煤種的煤質(zhì)化驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行配比方案的確定。在實(shí)際配煤時(shí)技術(shù)人員還將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各煤種儲(chǔ)量進(jìn)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(shí)處理量輸入系統(tǒng)，微機(jī)配煤設(shè)置界面見圖4。

2）程序的執(zhí)行。所有參數(shù)確定完畢后，經(jīng)程序的自動(dòng)計(jì)算得到各煤種的小時(shí)配制量。配煤系統(tǒng)再根據(jù)計(jì)算所有單一煤種輸出量給出合理的煤機(jī)作業(yè)速度。煤機(jī)設(shè)備啟動(dòng)后，系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)膠帶稱重機(jī)自帶的計(jì)量裝置做出實(shí)時(shí)作出調(diào)整，獲得準(zhǔn)確的輸煤量。

3 未來發(fā)展

通過實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力配煤技術(shù)可充分發(fā)揮各煤種的優(yōu)缺點(diǎn)，使最終產(chǎn)品達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果，從而提煉出綜合屬性更為合適的高質(zhì)量煤種。但目前我國(guó)動(dòng)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(duì)環(huán)境造成了極大的破壞。根據(jù)相關(guān)要求：我國(guó)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(shè)脫硫設(shè)施。如何采用配煤技術(shù)滿足燃煤電廠中有關(guān)煤中硫含量的要求，將成為未來配煤技術(shù)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(jìn)行配比后，可使配煤硫分降低至1%以下，在采用化學(xué)添加劑脫硫后，最終配煤產(chǎn)品內(nèi)硫分的含量還可降低60%左右。

4 結(jié)語

自動(dòng)化非線性動(dòng)力配煤的最大優(yōu)點(diǎn)在于平衡供煤質(zhì)量，取得煤炭資源的最佳利用，從而達(dá)到提高鍋爐熱效率和節(jié)約用煤的目的。如何正確地認(rèn)識(shí)動(dòng)力配煤與其主要指標(biāo)之間的關(guān)系，是直接配煤數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。因此需要先明確個(gè)組分的物理、化學(xué)意義，在利用先進(jìn)的自動(dòng)化配煤設(shè)備進(jìn)行配比和管控。而在將來，動(dòng)力配煤的發(fā)展必將以環(huán)保降硫?yàn)橹匾ぷ鬟M(jìn)行。