最優化配煤理論的數學模型及應用

王 鵬

(中煤科工集團北京華宇工程有限公司，陜西西安 710075)

0 引言

配煤技術是將不同類別、不同品質的煤經過篩選、破碎和按比例摻配等過程，改變煤的物理特性和燃燒特性，使之達到煤質互補、優化產品結構、適應用戶燃煤設備對煤質的要求，達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均有一定的要求，在現有條件下，要提高鍋爐熱效率，就要保證鍋爐達到正常高效運行，使燃煤特性與鍋爐設計參數相匹配。煤質過高或過低都難以達到最佳效果。煤質過高，屬“良材劣用”，既浪費了資源，又增加用戶的生產成本;煤質過低，鍋爐難以正常運行，而采用配煤技術則可以通過優化配方，做到物盡其用。在滿足燃煤設備對煤質要求的前提下，采用配煤技術可最大限度地利用低質煤，或更充分地利用當地現有的煤炭資源。

不同品質煤的相互配合，還可以按不同地區對大氣環境、水質的要求，調節燃煤的硫分及氮、氯、砷、氟等有害元素含量，減少SO2、NOx及有害元素的排放，最大限度地滿足環境保護要求，達到合理利用煤炭資源的目的。

除燃煤特性與鍋爐設計參數相匹配外，燃煤質量的穩定與否對鍋爐的正常運行也有很大影響，而以“均質化”為其核心的配煤技術對煤質的波動具有很強的調節與緩沖作用，能夠為用戶提供質量穩定、符合燃燒與達到環境保護要求的煤炭。

1 常用配煤系統方案

1．1 配煤工藝

配煤工藝的三要素:①精確又連續地分析進場的煤炭;②精確有效地連續計量不斷通過的煤炭;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。

1．2 配煤系統

筒倉配煤系統:能夠適應原煤品種的多樣化，配煤比較精確，成品煤質量穩定且容易控制，配煤工藝簡單，易于實現自動化智能化控制。該系統包括若干個配煤倉、倉頂可逆配倉機、出倉機、給煤機以及進出倉輸送機，并在進出配煤倉的輸送機上設置高性能的煤質在線檢測系統和計量設備。按照用戶對煤炭質量的要求，針對原煤品種和質量提出配煤方案。配煤系統依據配煤方案，將不同種類的煤炭發送至不同的配煤倉中，系統根據配煤方案自動調整各配煤倉出倉設備的出倉能力，選定的若干個原煤配煤倉同時啟動出倉作業，各倉中煤炭落入位于倉底的稱重給煤機上，再輸送至倉底配煤帶式輸送機上。稱重給煤機對出倉煤炭進行計量，控制系統根據計量情況自動調整出廠設備能力，保證配煤作業配比的準確，實現原煤按比例精確配煤。但該方式投資大(需要配煤倉，僅1個1萬t煤倉投資約1 000萬)，后期運營費高(輸送機要爬50 m倉高，使得功率加大)。

堆場配煤系統:又分為料床混勻系統和帶式輸送機混配系統。料床混勻系統是利用煤炭堆場以及帶式輸送機、堆取料機，以堆料和取料2種方式進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;帶式輸送機混配系統是利用煤炭堆場以及帶式輸送機、堆取料機，以多臺取料機(或推煤至受煤口)同時分別取不同煤種物料，按比例輸送至混料帶式輸送機上實現煤炭的混配，原煤的計量采用電子皮帶秤，原煤的流量由配煤料倉(或漏斗)下的給煤設備調節和控制，此種配煤方式成品煤煤質比較穩定，但對于3種及以上的多品種煤混配，配煤系統堆場面積需求大。

1．3 配煤控制

計算機技術不發達時筒倉式配煤計量比堆場混合相對準確。現在通過安裝傳感器及精密計量儀，通過先進的控制軟件，輕而易舉地將各種皮帶機組合成配煤系統。將皮帶機用棧橋或暗道系統進行封閉，不但完全滿足環保的要求，而且占地少、投資少、見效快、配煤成本便宜。

配煤機電控制系統主要包括PLC控制系統、在線灰分儀、電子皮帶秤、帶式給煤機、暗道帶式輸送機、配煤帶式輸送機。該系統設置一臺服務器作為整個配煤系統的中樞，PLC控制系統所采集到的模擬量(如煤炭的重量、發熱量、灰分等)上傳至服務器歸檔，并為工作人員提供信息。以PLC控制系統作為計算核心，利用組態軟件對園區煤炭數量、煤質以及堆場信息進行實時監控。每條暗道帶式輸送機機頭均安裝1臺高精度電子皮帶秤，電子皮帶秤可以連續精確計量通過帶式輸送機的運量。在線灰分儀安裝在每條暗道帶式輸送機頭部，該儀器對帶式輸送機上的全部煤炭進行在線灰分分析，并輸出灰分對應的模擬量信號。帶式給煤機采用變頻驅動，能夠做到給料均勻、穩定并及時、準確地執行PLC系統傳送過來的命令。配煤機電控制系統軟件包括數據采集模塊、分儲模塊、配煤計算模塊、回控模塊。原料煤由每條暗道帶式輸送機匯入配煤帶式輸送機配煤，然后經轉載點、裝車倉完成煤炭混合。

配煤機電控制系統的應用大大提高了勞動效率，節約了電耗(與傳統配煤比)，能夠實現精確配煤，既保證了配煤質量，也降低了企業成本。

1．4 最優化配煤的意義

尋求最優化的配煤方案一直是企業追求的目標，原因在于:一是在煤源、煤質一定的條件下可以促使企業生產成本最低;二是可以達到配煤產品煤質可控，在現有條件下獲得最優質的產品或符合環保要求的產品。

借助計算機系統建立數學模型的方式可以使尋求最優化配煤方案的過程大大簡化。

2 最優化配煤的數學模型

工程設計中所涉及到的最優化問題一般是選取一系列和目標設計指標相關的變量參數，并根據實際情況建立這些參數的約束條件，最后利用數學規劃的方法求解目標設計參數的值。最優化配煤的實質是在完全滿足約束條件下求解目標函數的極值問題。具體分為提出約束條件、建立目標函數、求解3個步驟。

2．1 主要質量指標的選取及約束條件

鍋爐燃煤的主要質量指標包括收到基低位發熱量(Qnet，ar)、干燥無灰基揮發分產率(Vdaf)。近年來，隨著環保對燃煤硫分的要求越來越嚴格，硫分也成為一個十分重要的指標。大量的試驗結果發現上述各種煤質指標都有較好的可加性，這也是配煤理論的前提。

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

各區煤質情況見表1。

表1 各煤種煤質資料表

根據表1內容可知，上述4種原料煤收到基低位發熱量(Qnet，ar)、干燥無灰基揮發分產率(Vdaf)、硫分(St，ad)相差都很大，因此在配煤時僅憑人工操作很難使配煤成本價達到最低。而建立數學模型進行配煤方案的優化能使配煤過程達到配煤成本最低、經濟效益最佳的效果，同時還能取得良好的社會效益和環境效益。

鍋爐對燃燒用煤的各種技術參數都有特定要求。為了簡化問題，應主要考慮發熱量(Qnet，ar)、揮發分(Vdaf)和硫分(St，ad)這3個主要因素。

使摻配后混煤性質接近蒲城電廠鍋爐設計煤種性質是配煤必須要滿足的要求。因此，首先應明確蒲城電廠鍋爐設計煤質數據，見表2。

根據表2數據可知配煤產品的各項技術參數要求，結合這些要求，可以確定優化配煤的約束條件:

首先，入爐原料煤的特征指標應符合鍋爐設計煤質要求，即:

式中:n—配煤質量指標數量，包括揮發分、硫分、發熱量指標;ajk—第k種煤第j個性能指標;Xk—第k種煤的配比，%;bj—配煤的j個性能指標。

表2 蒲城電廠鍋爐設計煤質數據

其次，在配煤方案中各煤種的比例應大于零，并使各煤種的配比之和等于1，即:

再次，各煤種的數量小于該煤種的可用量。

其中，W為各種煤的可用量。

依據上述理論，建立如下約束條件:

2．2 目標函數的建立

針對電廠而言，降低燃料煤成本至關重要，尤其是在當前全國范圍內用電緊張的市場形勢下。配煤的目的就是既要使摻配后產品煤質量滿足電廠要求，又要使購煤成本最低。據此，以配煤成本最低為目標函數，以各煤種可用量和鍋爐用煤質量要求為約束條件，建立如下數學模型:

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—煤種數量。

具體目標函數如下:

2．3 求解目標函數

依據上述各約束條件及目標函數，利用計算機輔助計算得出電廠所需各煤種的數量及配煤產品的各項技術參數，結果見表3。

表3 配煤最優化處理計算結果表

由表3可知，在現有煤源及煤量條件下，當配煤比例為神木煤37．50%，黃陵煤13．61%，渭北礦區商品煤25．00%，渭北地區劣質煤23．89%時，可以摻配得到的產品煤的技術特征為發熱量 Qnet，ar(4 808 kcal/kg)，揮發分 Vdaf(29．01%)，硫分 St，ad(1.22%)，各指標滿足并接近鍋爐設計煤質要求，這種情況下的原料煤采購成本是最低的。

3 結論

(1)確定約束條件、建立目標函數并對其進行最優化求解是最優化配煤理論的3個基本步驟。該過程簡便、快捷，為智能化配煤系統的設計提供了理論基礎，能夠提高企業生產效率，降低生產成本。

(2)在現有煤源及煤量條件下，當配煤比例為神木煤37．50%，黃陵煤13．61%，渭北礦區商品煤25．00%，渭北地區劣質煤23．89%時，摻配得到的產品煤指標滿足鍋爐設計煤質要求，這種情況下原料煤采購成本最低。