非线性动力配煤在自动化设备中的应用及展望

赵思宁

（世纪万安科技（北京）有限公司，北京 100029）

引言

我国煤炭产地主要集中在内蒙古、山西和陕西三省，由于地区的不同，导致煤种间的煤质差异较大，单一煤种难以满足市场需求。因此需要通过配煤的方式，利用不同煤种间成分的不同、化学性质的差异，使得所配的煤种可以针对不同使用场景即可以满足终端用户的使用需求，同时在指标参数上达到最佳的使用率[1]。其中，动力配煤，是以煤的物理、化学、燃烧学以及煤质检测等学科为基础的配煤方式，动力配煤以市场实际使用需求为主导，运用一系列物理化学的加工工艺，以其他煤种先匹配达到煤质互补的作用，对于保障锅炉的热效率、实现煤炭资源的节约并减少污染物排放有显著意义[2]。

1 单煤指标与动力配煤间的非线性关系

1.1 动力煤煤化作用及主要指标

成煤作用过程十分复杂，并且需要大量的时间积累，整个过程分为泥炭化阶段和成岩作用阶段，具体参见图1所示。

动力用按煤炭的分类可以划分为：褐煤、长焰煤、不粘结煤、贫煤、气煤以及少量的无烟煤。根据我国重点煤科院长期的对动力配煤技术的研究，由于单煤性质各异，在燃烧过程中不同颗粒之间会有相互影响。因此动力配煤与单煤的主要指标（如发热量、灰分、水分、挥发分和灰熔融性等）之间呈非线型的关系，因此在数学建模方面，主要根据神经网络技术描述所配混煤与单煤之间的非线性映射关系。

1.2 动力配煤与单煤主要指标的非线性关系

动力配煤的关键问题在于如何在用户提出所需煤种指标的基础上，更好的在现有煤种中以更低的成本配煤，使混煤的综合的指标达到最佳。因此可以认为，动力配煤的本质是一个获取最优解的优化学科。笔者以某客户的选择为例，列出总计10个配煤指标：包括发热量Q、挥发分V、硫分S、水分M、灰分A、灰熔点q、结渣特性、着火特性、燃尽特性D及SO2的排放特性为参考进行优化，数学模型设定为公式（1）[3]：

式中：Pmin为最小配煤成本；n为参配煤种数量，Ci为

各参配煤种单价，Xi为该参配煤种所占比例。

煤种A和煤种B的约束条件如下：

发热量，QA≤Q=fq（Xi，Qi，Mi，Ai，Vi，Fi）≤QB

挥发分，VA≤V=fv（Xi，Qi，Mi，Ai，Vi，Fi）≤VB

硫分，SA≤V=fv（Xi，Si）≤SB

水分，MA≤V=fm（Xi，Qi，Mi，Ai，Vi，Fi）≤MB

灰分，AA≤V=fa（Xi，Qi，Mi，Ai，Vi，Fi）≤AB

着火温度：tA≤t=ft（Xi，各单煤灰分）≤T2B

燃烬特性：DA≤D=fd（Xi，Qi，Mi，Ai，Vi，Fi）≤DB

排放特性：qA≤q=fso2（Xi，Qi，Mi）≤qB

该模型的求解难点在于对各个目标函数确定值的计算和实际操作过程中对配比量的控制，也就是说即使对混煤的成份及煤质特性指标与组成该混煤的各单煤相应成份及煤质特性指标之间的关系并无法得到确切的数值，甚至对单煤仍有一些煤质分析数据或燃烧特性指标尚未能总结出一条较为精确的计算公式。

2 自动化配煤技术的工作原理及实现

动力配煤的非线性优化技术对配煤的设备、工艺水平有了更高的要求，山西某洗煤厂对自身设备进行的优化升级，具体如下所述。

2.1 自动配煤系统

新建的配煤工艺流程见图2所示，具体过程为：煤炭在液压闸板的控制下，分批次按量斜倒入计量式带式称重机，胶带秤的称重传感器在第一时间将重量数据与PLC的Modbus通信模式连接，经称重后获得实际煤量[4]。实际给煤量与PLC测得的给煤量误差不超过5%时认定配比合格。再通过变频器来对给煤量进行二次的精确调控，从而达到给煤速度与供给量的均匀工作。在整体的配煤环节中即需要配煤量误差较小，还需要速度配煤匀速进行，在达到既定比例后进行混合，获得符合用户要求的配煤数据。

2.2 控制系统的结构与功能

配煤系统得到控制系统的结构原理见图3，主要功能如下所述。

1）可对所有配煤设计设备进行集中操控。配煤系统所涉及的主要程序包括启动、停止，联合布控，紧急闭锁、警示和单机控制等方面。整套配煤系统支持三种工作模式操作：顺序控制、联合集中控制和单机控制。顺序控制是指所有配煤设备由计算机系统按照既定模式统一进行安排，通常设定为：启动、停机、联锁循环自动化控制；联合集中控制是指处理调配特殊煤种时，系统所有步骤将进行联合适配，某些环节甚至需要手动控制；单及控制是当某一设备需要维护、检修时针对该设备启用的单独调节模式。

2）系统支持紧急停机、故障示警功能。当给煤设备的供煤量超出远小于设备预定给煤量时，将通过称重传感器的信号显示在中央操作站，发出报警。作业人员可自行设置供煤量的上限和下限，以及警报时间及音量高低。

3）中央操作站具有显示、操作、数值设定和数据查看的功能，显示器画面支持对主要工艺流程及测量参数、机器运行状况的显示及定位功能。

2.3 煤量的精确配比

胶带称重传感器将实时采集的各煤种配煤量与PLC预设值进行比较，数据再经由经由modbus通信传输至变频控制器，当有异常数据产生的时候将发出警报，自动改变输送机的传输速度，调控各配煤通道的实际供给量，进而完成非线性配煤工作，主要工作分为参数的确定和程序的执行两部分[5]。

1）确定单项指标参数。配煤方在配煤前将根据对各项单一煤种的煤质化验的结果进行配比方案的确定。在实际配煤时技术人员还将对现场各煤种储量进行核查，确保煤量充足后选取某一（通常选取需量最大配煤）煤种为参考，再将该煤种的小时处理量输入系统，微机配煤设置界面见图4。

2）程序的执行。所有参数确定完毕后，经程序的自动计算得到各煤种的小时配制量。配煤系统再根据计算所有单一煤种输出量给出合理的煤机作业速度。煤机设备启动后，系统还会根据胶带称重机自带的计量装置做出实时作出调整，获得准确的输煤量。

3 未来发展

通过实际研究发现，动力配煤技术可充分发挥各煤种的优缺点，使最终产品达到取长补短的效果，从而提炼出综合属性更为合适的高质量煤种。但目前我国动力锅炉主要以煤烟型为主，燃煤电厂每年向外排放出大量的SO2，对环境造成了极大的破坏。根据相关要求：我国的大中型城市城区及近郊区已不再新建燃煤火电厂；新建改造燃煤含硫量大于1%的电厂，必须建设脱硫设施。如何采用配煤技术满足燃煤电厂中有关煤中硫含量的要求，将成为未来配煤技术发展的主要方向。例如煤种A的硫分在2.0%，煤种B的硫分为0.5%，两种煤进行配比后，可使配煤硫分降低至1%以下，在采用化学添加剂脱硫后，最终配煤产品内硫分的含量还可降低60%左右。

4 结语

自动化非线性动力配煤的最大优点在于平衡供煤质量，取得煤炭资源的最佳利用，从而达到提高锅炉热效率和节约用煤的目的。如何正确地认识动力配煤与其主要指标之间的关系，是直接配煤数学模型准确度的关键。因此需要先明确个组分的物理、化学意义，在利用先进的自动化配煤设备进行配比和管控。而在将来，动力配煤的发展必将以环保降硫为重要工作进行。