最優(yōu)化配煤理論的數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用

王 鵬

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，陜西西安 710075)

0 引言

配煤技術(shù)是將不同類別、不同品質(zhì)的煤經(jīng)過篩選、破碎和按比例摻配等過程，改變煤的物理特性和燃燒特性，使之達(dá)到煤質(zhì)互補(bǔ)、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、適應(yīng)用戶燃煤設(shè)備對煤質(zhì)的要求，達(dá)到提高燃煤效率和減少污染物排放的目的。

任何類型的鍋爐對煤質(zhì)均有一定的要求，在現(xiàn)有條件下，要提高鍋爐熱效率，就要保證鍋爐達(dá)到正常高效運(yùn)行，使燃煤特性與鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)相匹配。煤質(zhì)過高或過低都難以達(dá)到最佳效果。煤質(zhì)過高，屬“良材劣用”，既浪費(fèi)了資源，又增加用戶的生產(chǎn)成本;煤質(zhì)過低，鍋爐難以正常運(yùn)行，而采用配煤技術(shù)則可以通過優(yōu)化配方，做到物盡其用。在滿足燃煤設(shè)備對煤質(zhì)要求的前提下，采用配煤技術(shù)可最大限度地利用低質(zhì)煤，或更充分地利用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的煤炭資源。

不同品質(zhì)煤的相互配合，還可以按不同地區(qū)對大氣環(huán)境、水質(zhì)的要求，調(diào)節(jié)燃煤的硫分及氮、氯、砷、氟等有害元素含量，減少SO2、NOx及有害元素的排放，最大限度地滿足環(huán)境保護(hù)要求，達(dá)到合理利用煤炭資源的目的。

除燃煤特性與鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)相匹配外，燃煤質(zhì)量的穩(wěn)定與否對鍋爐的正常運(yùn)行也有很大影響，而以“均質(zhì)化”為其核心的配煤技術(shù)對煤質(zhì)的波動具有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)與緩沖作用，能夠?yàn)橛脩籼峁┵|(zhì)量穩(wěn)定、符合燃燒與達(dá)到環(huán)境保護(hù)要求的煤炭。

1 常用配煤系統(tǒng)方案

1．1 配煤工藝

配煤工藝的三要素:①精確又連續(xù)地分析進(jìn)場的煤炭;②精確有效地連續(xù)計(jì)量不斷通過的煤炭;③合理又便宜地將幾種煤炭均勻混合。

常用的配煤工藝:①筒倉式配煤;②堆場配煤系統(tǒng)。

1．2 配煤系統(tǒng)

筒倉配煤系統(tǒng):能夠適應(yīng)原煤品種的多樣化，配煤比較精確，成品煤質(zhì)量穩(wěn)定且容易控制，配煤工藝簡單，易于實(shí)現(xiàn)自動化智能化控制。該系統(tǒng)包括若干個(gè)配煤倉、倉頂可逆配倉機(jī)、出倉機(jī)、給煤機(jī)以及進(jìn)出倉輸送機(jī)，并在進(jìn)出配煤倉的輸送機(jī)上設(shè)置高性能的煤質(zhì)在線檢測系統(tǒng)和計(jì)量設(shè)備。按照用戶對煤炭質(zhì)量的要求，針對原煤品種和質(zhì)量提出配煤方案。配煤系統(tǒng)依據(jù)配煤方案，將不同種類的煤炭發(fā)送至不同的配煤倉中，系統(tǒng)根據(jù)配煤方案自動調(diào)整各配煤倉出倉設(shè)備的出倉能力，選定的若干個(gè)原煤配煤倉同時(shí)啟動出倉作業(yè)，各倉中煤炭落入位于倉底的稱重給煤機(jī)上，再輸送至倉底配煤帶式輸送機(jī)上。稱重給煤機(jī)對出倉煤炭進(jìn)行計(jì)量，控制系統(tǒng)根據(jù)計(jì)量情況自動調(diào)整出廠設(shè)備能力，保證配煤作業(yè)配比的準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)原煤按比例精確配煤。但該方式投資大(需要配煤倉，僅1個(gè)1萬t煤倉投資約1 000萬)，后期運(yùn)營費(fèi)高(輸送機(jī)要爬50 m倉高，使得功率加大)。

堆場配煤系統(tǒng):又分為料床混勻系統(tǒng)和帶式輸送機(jī)混配系統(tǒng)。料床混勻系統(tǒng)是利用煤炭堆場以及帶式輸送機(jī)、堆取料機(jī)，以堆料和取料2種方式進(jìn)行不同品種煤炭的混合，此種方式配煤效率高，但煤炭的混勻程度和配比精度不容易控制;帶式輸送機(jī)混配系統(tǒng)是利用煤炭堆場以及帶式輸送機(jī)、堆取料機(jī)，以多臺取料機(jī)(或推煤至受煤口)同時(shí)分別取不同煤種物料，按比例輸送至混料帶式輸送機(jī)上實(shí)現(xiàn)煤炭的混配，原煤的計(jì)量采用電子皮帶秤，原煤的流量由配煤料倉(或漏斗)下的給煤設(shè)備調(diào)節(jié)和控制，此種配煤方式成品煤煤質(zhì)比較穩(wěn)定，但對于3種及以上的多品種煤混配，配煤系統(tǒng)堆場面積需求大。

1．3 配煤控制

計(jì)算機(jī)技術(shù)不發(fā)達(dá)時(shí)筒倉式配煤計(jì)量比堆場混合相對準(zhǔn)確?，F(xiàn)在通過安裝傳感器及精密計(jì)量儀，通過先進(jìn)的控制軟件，輕而易舉地將各種皮帶機(jī)組合成配煤系統(tǒng)。將皮帶機(jī)用棧橋或暗道系統(tǒng)進(jìn)行封閉，不但完全滿足環(huán)保的要求，而且占地少、投資少、見效快、配煤成本便宜。

配煤機(jī)電控制系統(tǒng)主要包括PLC控制系統(tǒng)、在線灰分儀、電子皮帶秤、帶式給煤機(jī)、暗道帶式輸送機(jī)、配煤帶式輸送機(jī)。該系統(tǒng)設(shè)置一臺服務(wù)器作為整個(gè)配煤系統(tǒng)的中樞，PLC控制系統(tǒng)所采集到的模擬量(如煤炭的重量、發(fā)熱量、灰分等)上傳至服務(wù)器歸檔，并為工作人員提供信息。以PLC控制系統(tǒng)作為計(jì)算核心，利用組態(tài)軟件對園區(qū)煤炭數(shù)量、煤質(zhì)以及堆場信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。每條暗道帶式輸送機(jī)機(jī)頭均安裝1臺高精度電子皮帶秤，電子皮帶秤可以連續(xù)精確計(jì)量通過帶式輸送機(jī)的運(yùn)量。在線灰分儀安裝在每條暗道帶式輸送機(jī)頭部，該儀器對帶式輸送機(jī)上的全部煤炭進(jìn)行在線灰分分析，并輸出灰分對應(yīng)的模擬量信號。帶式給煤機(jī)采用變頻驅(qū)動，能夠做到給料均勻、穩(wěn)定并及時(shí)、準(zhǔn)確地執(zhí)行PLC系統(tǒng)傳送過來的命令。配煤機(jī)電控制系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)采集模塊、分儲模塊、配煤計(jì)算模塊、回控模塊。原料煤由每條暗道帶式輸送機(jī)匯入配煤帶式輸送機(jī)配煤，然后經(jīng)轉(zhuǎn)載點(diǎn)、裝車倉完成煤炭混合。

配煤機(jī)電控制系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了勞動效率，節(jié)約了電耗(與傳統(tǒng)配煤比)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確配煤，既保證了配煤質(zhì)量，也降低了企業(yè)成本。

1．4 最優(yōu)化配煤的意義

尋求最優(yōu)化的配煤方案一直是企業(yè)追求的目標(biāo)，原因在于:一是在煤源、煤質(zhì)一定的條件下可以促使企業(yè)生產(chǎn)成本最低;二是可以達(dá)到配煤產(chǎn)品煤質(zhì)可控，在現(xiàn)有條件下獲得最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品或符合環(huán)保要求的產(chǎn)品。

借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型的方式可以使尋求最優(yōu)化配煤方案的過程大大簡化。

2 最優(yōu)化配煤的數(shù)學(xué)模型

工程設(shè)計(jì)中所涉及到的最優(yōu)化問題一般是選取一系列和目標(biāo)設(shè)計(jì)指標(biāo)相關(guān)的變量參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況建立這些參數(shù)的約束條件，最后利用數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法求解目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)的值。最優(yōu)化配煤的實(shí)質(zhì)是在完全滿足約束條件下求解目標(biāo)函數(shù)的極值問題。具體分為提出約束條件、建立目標(biāo)函數(shù)、求解3個(gè)步驟。

2．1 主要質(zhì)量指標(biāo)的選取及約束條件

鍋爐燃煤的主要質(zhì)量指標(biāo)包括收到基低位發(fā)熱量(Qnet，ar)、干燥無灰基揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)。近年來，隨著環(huán)保對燃煤硫分的要求越來越嚴(yán)格，硫分也成為一個(gè)十分重要的指標(biāo)。大量的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)上述各種煤質(zhì)指標(biāo)都有較好的可加性，這也是配煤理論的前提。

以神木、黃陵、渭北礦區(qū)的大礦所生產(chǎn)的商品煤和渭北礦區(qū)周邊小礦生產(chǎn)的劣質(zhì)煤摻配后做為蒲城電廠燃料煤為例。

各區(qū)煤質(zhì)情況見表1。

表1 各煤種煤質(zhì)資料表

根據(jù)表1內(nèi)容可知，上述4種原料煤收到基低位發(fā)熱量(Qnet，ar)、干燥無灰基揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)、硫分(St，ad)相差都很大，因此在配煤時(shí)僅憑人工操作很難使配煤成本價(jià)達(dá)到最低。而建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行配煤方案的優(yōu)化能使配煤過程達(dá)到配煤成本最低、經(jīng)濟(jì)效益最佳的效果，同時(shí)還能取得良好的社會效益和環(huán)境效益。

鍋爐對燃燒用煤的各種技術(shù)參數(shù)都有特定要求。為了簡化問題，應(yīng)主要考慮發(fā)熱量(Qnet，ar)、揮發(fā)分(Vdaf)和硫分(St，ad)這3個(gè)主要因素。

使摻配后混煤性質(zhì)接近蒲城電廠鍋爐設(shè)計(jì)煤種性質(zhì)是配煤必須要滿足的要求。因此，首先應(yīng)明確蒲城電廠鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)數(shù)據(jù)，見表2。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知配煤產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)要求，結(jié)合這些要求，可以確定優(yōu)化配煤的約束條件:

首先，入爐原料煤的特征指標(biāo)應(yīng)符合鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)要求，即:

式中:n—配煤質(zhì)量指標(biāo)數(shù)量，包括揮發(fā)分、硫分、發(fā)熱量指標(biāo);ajk—第k種煤第j個(gè)性能指標(biāo);Xk—第k種煤的配比，%;bj—配煤的j個(gè)性能指標(biāo)。

表2 蒲城電廠鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)數(shù)據(jù)

其次，在配煤方案中各煤種的比例應(yīng)大于零，并使各煤種的配比之和等于1，即:

再次，各煤種的數(shù)量小于該煤種的可用量。

其中，W為各種煤的可用量。

依據(jù)上述理論，建立如下約束條件:

2．2 目標(biāo)函數(shù)的建立

針對電廠而言，降低燃料煤成本至關(guān)重要，尤其是在當(dāng)前全國范圍內(nèi)用電緊張的市場形勢下。配煤的目的就是既要使摻配后產(chǎn)品煤質(zhì)量滿足電廠要求，又要使購煤成本最低。據(jù)此，以配煤成本最低為目標(biāo)函數(shù)，以各煤種可用量和鍋爐用煤質(zhì)量要求為約束條件，建立如下數(shù)學(xué)模型:

式中:P—配煤成本，元 /t;Ck—第k種煤的成本，元 /t;Xk—第k種煤的配比，%;k—煤種數(shù)量。

具體目標(biāo)函數(shù)如下:

2．3 求解目標(biāo)函數(shù)

依據(jù)上述各約束條件及目標(biāo)函數(shù)，利用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算得出電廠所需各煤種的數(shù)量及配煤產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 配煤最優(yōu)化處理計(jì)算結(jié)果表

由表3可知，在現(xiàn)有煤源及煤量條件下，當(dāng)配煤比例為神木煤37．50%，黃陵煤13．61%，渭北礦區(qū)商品煤25．00%，渭北地區(qū)劣質(zhì)煤23．89%時(shí)，可以摻配得到的產(chǎn)品煤的技術(shù)特征為發(fā)熱量 Qnet，ar(4 808 kcal/kg)，揮發(fā)分 Vdaf(29．01%)，硫分 St，ad(1.22%)，各指標(biāo)滿足并接近鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)要求，這種情況下的原料煤采購成本是最低的。

3 結(jié)論

(1)確定約束條件、建立目標(biāo)函數(shù)并對其進(jìn)行最優(yōu)化求解是最優(yōu)化配煤理論的3個(gè)基本步驟。該過程簡便、快捷，為智能化配煤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，能夠提高企業(yè)生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

(2)在現(xiàn)有煤源及煤量條件下，當(dāng)配煤比例為神木煤37．50%，黃陵煤13．61%，渭北礦區(qū)商品煤25．00%，渭北地區(qū)劣質(zhì)煤23．89%時(shí)，摻配得到的產(chǎn)品煤指標(biāo)滿足鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)要求，這種情況下原料煤采購成本最低。