火電廠原煤混配數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建及軟件系統(tǒng)的開發(fā)

邵守福，徐炳文

(華電國際電力股份有限公司萊城發(fā)電廠，山東 萊蕪 271100)

0 引言

對(duì)火力發(fā)電企業(yè)來說，燃煤的質(zhì)量和價(jià)格對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益影響很大。2003年以后，煤炭市場(chǎng)供應(yīng)形勢(shì)嚴(yán)峻，煤炭?jī)r(jià)格上漲，電煤供應(yīng)形勢(shì)嚴(yán)峻，發(fā)電成本不斷增加。面對(duì)電煤緊缺及發(fā)電成本攀升的現(xiàn)狀，越來越多的發(fā)電企業(yè)選擇價(jià)格較低的非設(shè)計(jì)煤種或劣質(zhì)煤種[1-3]。鍋爐燃用煤種偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成鍋爐效率下降、燃燒不穩(wěn)定、帶負(fù)荷能力差等諸多問題，不僅增加了機(jī)組運(yùn)行的安全隱患，同時(shí)也增加了企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本。

原煤混配是根據(jù)鍋爐穩(wěn)燃要求，將若干不同煤質(zhì)參數(shù)的煤種按照一定的比例摻配而成一種“新煤種”。國內(nèi)外對(duì)原煤混配已做了大量研究，但對(duì)原煤混配后的煤質(zhì)參數(shù)與各單煤種煤質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系尚不明確[3-6]。因此，有必要對(duì)火電企業(yè)燃煤混配后的煤質(zhì)情況進(jìn)行深入研究，并在此基礎(chǔ)上借助構(gòu)建的混煤煤質(zhì)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型開發(fā)一套原煤混配模擬系統(tǒng)平臺(tái)，以便為火電企業(yè)的燃煤摻配提供更好的指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

在實(shí)際的燃煤混配中，往往需要綜合考慮發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)性、燃煤的煤質(zhì)參數(shù)等多種因素。構(gòu)建的燃煤混配數(shù)學(xué)模型主要以發(fā)電企業(yè)的燃煤成本作為目標(biāo)函數(shù)，以煤的發(fā)熱量、硫分、揮發(fā)分、水分、灰分等煤質(zhì)參數(shù)作為約束條件。

1.1 目標(biāo)函數(shù)

原煤混配的目的是克服單個(gè)煤種不適應(yīng)鍋爐穩(wěn)燃要求的缺點(diǎn)，發(fā)揮各單煤種的優(yōu)點(diǎn)，通過合理摻配形成適合鍋爐燃燒的混合煤；同時(shí)，在保證鍋爐穩(wěn)定燃燒的前提下，力求摻配后的混煤成本最小化。有若干種煤種可供選擇，從中選出n種煤進(jìn)行摻配，各煤種的價(jià)格為Pi，各煤種所占比例為xi，則摻配后的最低混煤成本的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為

x1+x2+…+xi+…+xn=1 ，

0 ≤xi≤1,i=1，2，…，n。

1.2 約束條件

1.2.1 發(fā)熱量(Qnet.ar)

原煤混配發(fā)熱量需考慮發(fā)電成本和煤質(zhì)參數(shù)2個(gè)方面的因素。燃煤的發(fā)熱量低，不利于煤粉著火和燃盡，進(jìn)而降低鍋爐效率和經(jīng)濟(jì)性。因此，多個(gè)煤種摻配時(shí)，發(fā)熱量最小值應(yīng)滿足以下條件

Qnet.ar, min≤Qnet.ar(Qi,xi,n) 。

1.2.2 揮發(fā)分(Vdaf)

摻配后的混煤揮發(fā)分不能太低，以免影響鍋爐低負(fù)荷燃燒的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性；揮發(fā)分也不能過高，以防止鍋爐噴燃器燒壞。燃煤摻配時(shí)應(yīng)滿足以下條件

Vdaf,min≤Vdaf(Vi,xi,n) ≤Vdaf,max。

1.2.3 硫分(Sar)

隨著國家和各地政府對(duì)燃煤電廠環(huán)保減排的重視，火電企業(yè)在燃煤摻配時(shí)必須充分考慮鍋爐燃用煤種硫分的高低，以滿足環(huán)保需求。

Sar(Si,xi,n)≤Sar,max。

1.2.4 灰分(Aar)

煤的灰分直接影響鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，灰分越高，燃燒溫度越低，煤粉的燃盡度越差，鍋爐經(jīng)濟(jì)性也越差，其約束條件為

Aar(Ai,xi,n)≤Aar,max。

1.2.5 水分(Mt)

水分是煤中不可燃燒的成分，煤中水分含量越高，熱值降低越多，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣體積越大，由煙氣帶走的熱量也越多，鍋爐的效率就越低。煤中的水分不能超過某一值Mt,max，約束條件為

Mt(Mi,xi,n)≤Mt,max。

1.3 數(shù)學(xué)模型

目前，描述燃煤摻配的數(shù)學(xué)模型有2種[6-11]。一種是線性數(shù)學(xué)模型，認(rèn)為摻配后的混煤煤質(zhì)參數(shù)與各單煤種煤質(zhì)參數(shù)之間存在簡(jiǎn)單的線性疊加，少數(shù)不呈線性關(guān)系的煤質(zhì)參數(shù)也可利用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)換為線性關(guān)系。這種數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單明了、易于求解，但通過該數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)的混煤煤質(zhì)參數(shù)與實(shí)際偏差較大，不能真實(shí)反映原煤混配實(shí)際情況。另一種是非線性數(shù)學(xué)模型，認(rèn)為混煤煤質(zhì)參數(shù)與各單煤種煤質(zhì)參數(shù)間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，需要利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或模糊數(shù)學(xué)等方法建立該數(shù)學(xué)模型。但這種數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用需要發(fā)電企業(yè)大量的燃煤摻配實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，工作量大、計(jì)算復(fù)雜。

綜合以上因素考慮，本研究采用的數(shù)學(xué)模型借鑒非線性數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，在線性關(guān)系數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上引入修正系數(shù)λi(i=1，2，…，n)，該修正系數(shù)需要與火電企業(yè)部分混煤實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合比對(duì)。修正后的數(shù)學(xué)模型為

2 系統(tǒng)優(yōu)化算法的實(shí)現(xiàn)

原煤混配實(shí)際是一個(gè)多約束條件下的最優(yōu)規(guī)劃問題，鍋爐對(duì)摻配后混煤各項(xiàng)煤質(zhì)參數(shù)的要求構(gòu)成混煤數(shù)學(xué)模型的約束條件，在這些約束條件下，保證發(fā)電成本最小化。在燃煤摻配中，優(yōu)化燃煤摻配功能就是對(duì)混煤煤質(zhì)參數(shù)進(jìn)行控制，計(jì)算出所有煤種的摻配情況及各種摻配比例下的混煤煤質(zhì)參數(shù)，并從中篩選出滿足鍋爐穩(wěn)燃要求的燃煤摻配方案，最后給出成本最低的原煤混配方案。其流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)優(yōu)化算法流程圖

基于以上討論，本研究開發(fā)了燃煤摻配模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)的模擬計(jì)算軟件開發(fā)工具采用Fortune語言。用戶只需在系統(tǒng)界面錄入燃煤摻配的約束條件(發(fā)熱量、揮發(fā)分、硫分、灰分、水分等指標(biāo))、摻配煤種數(shù)量以及煤場(chǎng)現(xiàn)有各煤種的煤質(zhì)參數(shù)，就可進(jìn)行模擬計(jì)算，最后模擬系統(tǒng)給出一個(gè)原煤混配成本最低的摻配方案。同時(shí)，用戶還可以通過模擬系統(tǒng)把實(shí)際測(cè)量的混煤參數(shù)錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，用于比對(duì)擬合結(jié)果和確定數(shù)學(xué)模型中的修正系數(shù)。

3 實(shí)例分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證模擬系統(tǒng)的預(yù)測(cè)效果，將所開發(fā)的燃煤摻配模擬系統(tǒng)應(yīng)用于燃煤摻配煤質(zhì)預(yù)測(cè)。以某火力發(fā)電企業(yè)煤場(chǎng)現(xiàn)有存煤情況進(jìn)行實(shí)例分析，各煤種的煤質(zhì)參數(shù)見表1。

把以上各類煤質(zhì)參數(shù)錄入模擬系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，摻配煤種選擇3種，約束條件依據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)校核值。模擬系統(tǒng)給出的部分燃煤摻配方案見表2。

燃煤摻配模擬系統(tǒng)在給出成本最低的燃煤摻配方案的同時(shí)，還會(huì)為用戶提供一系列可選擇的燃煤摻配方案，用戶可以根據(jù)企業(yè)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，有選擇性地進(jìn)行燃煤摻配摻燒。

表1 各煤種煤質(zhì)參數(shù)

表2 系統(tǒng)給出的優(yōu)化摻配方案

4 結(jié)束語

本文通過研究煤質(zhì)特性及對(duì)鍋爐燃燒的影響，構(gòu)建了引入修正系數(shù)的原煤混配數(shù)學(xué)模型，并采用建模比對(duì)數(shù)學(xué)方法進(jìn)行配煤優(yōu)化。利用該數(shù)學(xué)模型開發(fā)了燃煤摻配模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了Microsoft Windows 圖形用戶界面的先進(jìn)特性和設(shè)計(jì)思想，能夠根據(jù)鍋爐對(duì)發(fā)熱量、灰分、水分、揮發(fā)分、硫分的不同要求做出計(jì)算調(diào)整，得出滿足鍋爐穩(wěn)燃需求的燃煤摻配方案。燃煤摻配模擬系統(tǒng)中還添加了實(shí)際燃煤摻配結(jié)果的錄入界面，通過對(duì)數(shù)據(jù)庫中積累的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析對(duì)比，借鑒Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)算法，找出各煤質(zhì)參數(shù)之間準(zhǔn)確的量化關(guān)系，進(jìn)一步確定構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型中的各修正系數(shù)，最后將不同煤種摻配前、后煤質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系定量地反映出來。

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