选煤厂配煤系统优化设计

薛永妍

(山西华阳集团新能股份有限公司 选煤质量管理中心，山西 阳泉 045000)

选煤厂配煤系统是根据用户需求生产质量稳定的产品煤的重要环节，研究并优化配煤系统能够大大提高产品煤的品种多样性和质量稳定率。由于现有选煤厂配煤系统存在配煤仓产品煤灰分模糊、以人工经验确定配煤比、最终产品煤灰分、硫分与目标值相差过大等缺陷，为选煤厂高效、稳定生产带来许多不利和困难。智能控制技术应用于选煤厂配煤系统，为精确控制煤的灰分、硫分，提升配煤效率带来质的飞跃，充分利用智能控制技术能够达到选煤厂配煤系统智能运行、灰分/硫分精确控制的目的[1-2]。笔者基于模糊神经网络控制(Fuzzy Neural Network Control，FNNC)技术对传统选煤厂配煤系统进行优化设计，并对配煤装备进行优化，重点对外销煤的灰分、硫分进行精确控制，对配煤系统运行模式进行优化。并通过系统试验验证上述功能的适用性和正确性，达到配煤系统智能化、信息化的目的，对提升选煤厂配煤过程的生产效率和安全性具有重要意义。

1 配煤系统装备优化

对选煤厂配煤系统装备进行优化升级，主要包括使用X光在线监测灰分仪、变频器和高精度智控电子皮带秤，增加配煤装备间的联动互锁关系。

(1)使用X光在线监测灰仪，将其安装在带式输送机终点附近，标识各产品煤的瞬时灰分、监测灰分、班次平均灰分以及累计开机灰分。该设备具备自学习功能，无漂移现象，能够保证监测精度，其输出为4～20 mA电流信号，可传送至上位机显示器。

(2)使用变频器，对给煤机采用变频控制方案，分别在原煤仓、末精煤仓、块精煤仓、高灰精煤仓配置ABB ACS 1200矿用变频器，通过控制给煤机运行速度对各煤仓的煤量进行微调。配煤系统控制器采用CAN总线通信模式对各变频器进行控制[3-4]。变频器与给煤机电机的控制方式为“一拖二”。

(3)使用YB-GZK-NT/12高精度智控电子皮带秤，实时掌握煤流总量大小，当灰分/硫分偏高时，减少高灰分高硫分给煤量，或者增加低灰分低硫分给煤量，或者同步进行。精确控制胶带上的煤流量，实现双向动态调节。同时使用高精度电子皮带秤可相对改善配煤系统的滞后现象，修正最终产品煤瞬时偏差波动性。

(4)增加配煤系统与装车设备启停控制之间的逻辑关系，重点对带式输送机、给煤机的启停进行联动、关联控制。

2 配煤控制方案优化

选煤厂配煤系统是一个多变量、非线性、大滞后的控制过程，具体表现在：

(1)给煤机给煤量与变频器的频率为非线性关系；

(2)在线测灰仪检测出的煤的灰度是经给煤机转换变化、带式输送机运输后导致煤流量变化的产物，具有大滞后性；

(3)煤的粒度、密度、含水量、煤与仓壁的摩擦力等变量都会对最终产品煤流量产生影响，具有多变量性。

基于上述考虑，采用基于产品煤灰分反馈的FNNC配煤控制方案[5]，提升配煤系统控制精度和生产效率。优化后的配煤控制方案系统结构如图1所示。

图1 选煤厂配煤控制方案系统结构

按照图1所示，设置配煤系统目标灰分为yd(t)，%；在线检测灰分为y(t)，%。输入信号灰分误差e(t)以及误差变化率可表示为式(1)、式(2)，为精确值。

e(t)=yd(t)-y(t)

(1)

ec(t)=e(t)-e(t-1)

(2)

设煤的灰分误差、灰分误差变化率、输出值的模糊化语言分别为E、EC、ΔU，模糊集均为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，对应表述为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，对应的论域为{-6，-4，-2，0，2，4，6}。根据选煤厂配煤实际工作经验，并消除配煤系统目标灰分与实际灰分误差，为目标建立模糊规则，形成模糊控制规则集，如表1所示。

表1 选煤厂配煤控制方案模糊控制规则集

将设计好的选煤厂配置控制方案模糊控制规则集作用于BP神经网络学习样本并进行模糊神经网络学习训练。构建五层前馈模糊神经网络，由输入层、模糊值层、模糊规则库层、结论层以及输出层组成，采用钟形隶属度函数，目标输出函数定义为式(3)。

其中：t为采样时刻，且取值为1，2，…，T；T为预定的控制系统调节时间。

3 仿真及试验

3.1 系统仿真

对优化后的选煤厂配煤系统进行仿真，该优化方案采用基于模糊神经网络控制方案，以最终产品煤灰分为控制目标。选择500组煤灰分样本的实际值与预测值进行对比分析并进行BP模糊神经网络学习，优化全局学习因子为1.62，权向量取值范围为[0.81，1.22]。应用经500组样本数据训练后的模糊神经控制网络对选煤厂配煤系统灰分值进行仿真，仿真时长为300 min。图2所示为配煤系统方案优化前后煤的灰分控制仿真。由仿真图2可知，经模糊神经网络控制后的配煤后灰分控制值与灰分目标值更接近，波动小，控制精度高，满足配煤灰分要求。

图2 选煤厂配煤系统优化方案煤的灰分分析变化曲线

3.2 系统试验

为验证优化后的选煤厂配煤系统的应用效果，在西山煤电集团西曲矿选煤厂进行系统试验，并对实际运行时产品煤灰分的目标值、控制值以及灰分波动范围数据进行统计并形成表2。由表2可知，优化后的配煤系统保证了销售煤产品质量，其灰分在小范围内波动，满足配煤系统控制要求，产品合格率提升至94%以上。

表2 选煤厂配煤系统优化方案实际运行效果数据统计

4 效益分析

选煤厂配煤系统是最终产品煤质量控制的最后环节，是提高煤炭产品质量稳定率、保证外运煤质的关键环节。采用优化后的配煤系统，将最终产品煤灰分精确控制在要求范围内，提升了销售产品煤质量等级。以选煤厂年生产100万t精煤、等级差价平均为4.2元/t为基准，平均1年可增收420万元[6]。优化后的配煤系统保证了最终产品煤质量的稳定性，减少质量过剩平均为0.42 MJ/kg，以选煤厂年销售220 万t，每0.42 MJ/kg按照4.9 元/ t计算，年增加收入为1 078万元。优化后的配煤系统还提升了产品煤仓的利用率，避免出现既有空仓又有满仓的情况，提升了配煤系统生产效率。

5 结 语

优化设计的选煤厂配煤系统以模糊神经网络控制技术为核心，与优化前的配煤系统相比，具有控制精度高、稳定性好、煤炭产品等级高的特点，提升了选煤厂配煤系统的控制水平。该配煤系统同时增加了在线灰分监测仪、变频器、高精度电子秤、设备闭锁联动关系等，满足了选煤厂智能化发展需求。该选煤厂配煤系统得出的结论为：

(1)通过优化配煤系统装置，提升配煤系统的智能控制水平；

(2)应用模糊神经网络控制方案，提升了最终产品煤灰分控制精度和稳定性；

(3)仿真试验、实际应用试验结果表明，优化后的配煤系统控制精确高、稳定性好，可产生较好的经济效益。