選煤廠末煤動態(tài)摻配系統(tǒng)的設(shè)計

趙晉紅， 徐曉天， 王世隆

（1.山西晉煤集團晟泰能源投資有限公司技術(shù)服務(wù)分公司， 山西 晉城 048000； 2.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院， 山西 太原 030024）

引言

灰分為煤充分燃燒后的殘留渣質(zhì)，其存在會降低煤炭熱力輸出，增加燃煤設(shè)備運行負(fù)擔(dān)。受限于地質(zhì)條件和開采環(huán)境，出采的原煤灰分參差不齊，將原煤入洗可產(chǎn)出低灰分末煤。按比例摻配不同末煤調(diào)制成品煤灰分以滿足客戶需求是煤炭裝車出廠前的重要步驟。成莊礦現(xiàn)有配煤模式如圖1 所示。

圖1 成莊礦現(xiàn)有配煤模式

依據(jù)儲煤品質(zhì)計算配方，手動控制開倉放煤并專人核驗灰分達(dá)標(biāo)與否。此模式配方粗放，隨機性高、勞作強度大、經(jīng)濟效益低，不利于長期生產(chǎn)。更換部分配煤設(shè)備，把全過程狀態(tài)量接入控制系統(tǒng)，設(shè)計自動化算法替代原先配煤操作將有效壓縮成品煤灰分區(qū)間，降低人工干預(yù)，提升摻配效率[1-2]。

1 摻配硬件設(shè)備的改造

在煤倉中布置倉位監(jiān)測儀實時檢測倉位煤量信息。出洗后末煤依據(jù)灰分梯度入儲四個煤倉，其中1號、4 號為高灰分粗煤，2 號、3 號為低灰分精煤。煤倉四腳原先分列四臺給煤機，以固定速率出煤。改進(jìn)后每倉以一臺稱重給煤機替換一臺普通給煤機，通過變頻器調(diào)節(jié)稱重給煤機上電機轉(zhuǎn)速控制落煤量?？紤]到精煤不會混配，在傳送帶上部署2 臺皮帶秤，檢測1 號、2 號和3 號、4 號倉中部下方對應(yīng)傳送帶上的煤料質(zhì)量。傳送帶末端安裝帶稱重功能的灰分儀檢測成品煤灰分和總重量。成品煤由翻板控制流往貨運通道或列運通道。摻配全過程狀態(tài)量與控制參數(shù)通過AI/AO 或DI/DO 模塊傳入下位機S7-300，下位機通過CP343 模塊與上位機的相連。整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 摻配設(shè)備改造

2 摻配軟件算法的實現(xiàn)

系統(tǒng)依托PLC 和WinCC 上位機系統(tǒng)設(shè)計摻配算法程序，其主要構(gòu)成為保護(hù)檢測程序、灰分錨定程序和步進(jìn)PID 程序三部分。

2.1 保護(hù)檢測程序的設(shè)計

心跳保護(hù)：為保證PLC 和WinCC 連接正常，設(shè)定PLC 時鐘寄存器，傳輸固定頻率方波信號給WinCC，WinCC 接收后對應(yīng)回復(fù)，以此判識連接是否正常。若PLC 在10 s 內(nèi)未接收到回應(yīng)，即判斷連接有誤，動態(tài)摻配系統(tǒng)下線，切換為預(yù)設(shè)的固定摻配比并示警人工干預(yù)[3]。

啟停檢測：為保證龐大的摻配系統(tǒng)可靠運行，啟動前系統(tǒng)須運行自檢程序校準(zhǔn)子系統(tǒng)。即校驗煤倉煤位信號是否高于最低裕度，給煤機和翻板開停是否靈敏，灰分儀和皮帶秤顯示是否正常。自檢通過后方可加載摻配算法[4]。此前系統(tǒng)將視情況運行固定摻配比或停機待檢。

2.2 灰分錨定程序的設(shè)計

場地限制迫使灰分儀置于傳送帶末端，不可避免地會出現(xiàn)控制滯環(huán)。配煤開始時系統(tǒng)按照煤倉煤品的入倉灰分和多年人工摻配經(jīng)驗估算大致配比并鎖定稱重給煤機頻率執(zhí)行固定摻配比配煤，持續(xù)1 min 后灰分儀開始顯示數(shù)據(jù)并反饋至S7-300，此時啟用動態(tài)摻配算法。

灰分儀實時灰分?jǐn)?shù)據(jù)波動較大，無法作為有效反饋使用，故在WinCC 中編寫腳本程序錨定灰分?jǐn)?shù)值變化，具體步驟如下：建立實時灰分?jǐn)?shù)組[a]并按序?qū)⑵淙∑骄⑵骄曳謹(jǐn)?shù)組[b]；比較數(shù)組[b]中當(dāng)前灰分均值和后一灰分均值建立灰分符號數(shù)組[c]。用“1”“-1”或“0”分別表示當(dāng)前灰分均值大于、小于或等于后一灰分均值；在數(shù)組[c]中按序每n個數(shù)一組求和得到符號和數(shù)組[d]；數(shù)組[d]中最接近于“0”的數(shù)據(jù)就是均灰分信號曲線的拐點，也可等效為實時灰分信號的峰值拐點[5]。

識別峰值拐點前后數(shù)組[d]中數(shù)據(jù)的增減情況即可得知該點是最高點還是最低點。取平均及求和步長可由監(jiān)控端設(shè)定以適應(yīng)現(xiàn)場實際。

2.3 PID 步進(jìn)整定程序的設(shè)計

程序的核心采用WinCC 腳本控制下的步進(jìn)PID 算法調(diào)配出煤量。獲取灰分曲線數(shù)據(jù)后，參考設(shè)置好的成品煤灰分閾值上下限，等時間間隔采集實時灰分值用于確認(rèn)當(dāng)前灰分?jǐn)?shù)據(jù)是否落在允許的灰分區(qū)間閾值內(nèi)。若不在該區(qū)間內(nèi)則算法程序依據(jù)預(yù)設(shè)步長逐步增大比例控制參數(shù)P的大小，使曲線盡快到達(dá)合理灰分區(qū)間之中。隨后采集P-P、X中、n、Δt四個參數(shù)量用于后續(xù)控制，其含義如表1 所示。

表1 灰分曲線中采集的參量

當(dāng)比例控制參數(shù)P粗調(diào)配置完成后，將依據(jù)上述四個參量細(xì)調(diào)PID 三參數(shù)，詳細(xì)的PID 步進(jìn)整定算法流程如圖3 所示。

PID 步進(jìn)整定開始后，若距離閾值區(qū)間較遠(yuǎn)，則每次步進(jìn)長度比上一次多增5%，以此來快速逼近設(shè)定區(qū)間上下限。每次摻配完成后，系統(tǒng)自動存儲該次摻配參數(shù)到數(shù)據(jù)庫，以便下次同模式配煤使用，提高靈活性[6]。

3 摻配性能的驗證

依據(jù)摻配算法經(jīng)行配煤實驗。設(shè)定成品煤目標(biāo)灰分為26%，選定煤品入倉灰分8%～12%的3 號倉和入倉灰分24%～28%的4 號倉。開啟動態(tài)摻配系統(tǒng)，動態(tài)配煤灰分曲線如圖4 所示。

圖3 PID 步進(jìn)整定算法流程

圖4 動態(tài)配煤灰分曲線

由圖可知，配煤系統(tǒng)穩(wěn)定后灰分上限閾值為25.6%，下線閾值為24.75%。全過程平均灰分為25.39%。與目標(biāo)灰分相差0.61%，系統(tǒng)運行良好，可靠性較高。

4 結(jié)論

在原有的手動摻配系統(tǒng)下簡單改造而成的成莊礦末煤動態(tài)摻配系統(tǒng)，全系統(tǒng)動態(tài)運行，精準(zhǔn)摻配，降低了人工干預(yù)成本，提高了資源配置效率，為同類工程項目設(shè)計提供了新思路。