宿國平

(西山煤電集團(tuán) 屯蘭選煤廠， 山西 太原 030026)

0 引言

為實現(xiàn)煤炭資源高效利用、減少污染排放、擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)效益，自動配煤系統(tǒng)成為選煤廠的關(guān)鍵設(shè)備之一。自動配煤系統(tǒng)可滿足不同客戶對煤質(zhì)的要求，可提高鍋爐熱效率，優(yōu)化煤質(zhì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高選煤廠經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。為進(jìn)一步提高自動配煤技術(shù)、提升混合煤的品質(zhì)，國內(nèi)外學(xué)者展開一系列的研究。如王浩然等[3]為解決鐵路煤炭裝車站配煤系統(tǒng)人工工作量較大、自動化程度不高的問題，將列車車號和儀表稱重數(shù)據(jù)智能關(guān)聯(lián)，將配煤儀表參數(shù)形成專家配方，優(yōu)化自動配煤過程，該系統(tǒng)在哈拉溝裝車站進(jìn)行實際應(yīng)用，效果良好。付勝等[4]將線性優(yōu)化算法應(yīng)用與自動配煤控制系統(tǒng)，建立配煤系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，引入配比線性控制，實現(xiàn)配煤參數(shù)的實時調(diào)整。于立軍等[5]為解決均質(zhì)配煤的問題，設(shè)計返煤自動配煤系統(tǒng)，基于模糊控制策略實現(xiàn)了配煤灰分精度控制在±1.5%以內(nèi)，并實際應(yīng)用于南屯選煤廠。萬麗榮等[6]考慮配煤過程的時變、非線性特征，設(shè)計基于模糊PID的遠(yuǎn)程自動控制自動配煤系統(tǒng)，有效穩(wěn)定了輸送帶運(yùn)煤量，提高了運(yùn)煤效率。陳波等[7]將動力煤的發(fā)熱量、灰分、硫分等6個參數(shù)作為自動配煤系統(tǒng)的約束條件，以經(jīng)濟(jì)總成本為目標(biāo)函數(shù)，建立動力煤自動配煤控制模型，以PLC、上位機(jī)、檢測裝置等搭建并實現(xiàn)自動配煤系統(tǒng)，經(jīng)實際使用可知該系統(tǒng)在簡化人工操作過程的同時，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。自動配煤系統(tǒng)面臨的主要技術(shù)難題是無法有效實現(xiàn)配煤參數(shù)的實時在線調(diào)整，從而導(dǎo)致當(dāng)原料煤煤質(zhì)參數(shù)變化時，混合煤的質(zhì)量不穩(wěn)定。針對上述問題，提出基于線性優(yōu)化算法與配煤系統(tǒng)閉環(huán)控制相結(jié)合的自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)配煤參數(shù)實時在線調(diào)整，提高并穩(wěn)定混合煤的質(zhì)量。

1 系統(tǒng)工作原理

自動配煤系統(tǒng)的工作原理為根據(jù)原料煤的配煤參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，求解出最優(yōu)配煤參數(shù)以及配煤帶式輸送機(jī)帶速，指導(dǎo)自動控制系統(tǒng)驅(qū)動帶式輸送機(jī)按照指定帶速對該原料煤進(jìn)行運(yùn)輸，以期滿足配煤產(chǎn)品質(zhì)量的同時，經(jīng)濟(jì)效益最大化。自動配煤系統(tǒng)如圖1所示，根據(jù)數(shù)學(xué)模型求解原料煤配比后，經(jīng)上位機(jī)將參數(shù)信息傳送至PLC控制器，并控制變頻器驅(qū)動帶式輸送機(jī)按照指定帶速運(yùn)輸原料煤；在帶式輸送機(jī)上安裝有稱重傳感器和速度傳感器，將信號傳送至核子皮帶秤，計算出帶式輸送機(jī)單位長度原料煤的重量和速度[8-10]。PLC控制器獲取核子皮帶秤傳送的原料煤的重量和速度，同時獲取煤質(zhì)監(jiān)測信號，與上位機(jī)給定的參數(shù)進(jìn)行對比、修正，經(jīng)邏輯處理后控制變頻器實現(xiàn)對帶式輸送機(jī)的按需調(diào)速，完成對原料煤配比的閉環(huán)控制。

圖1 選煤廠自動配煤系統(tǒng)

2 自動配煤模型與算法

自動配煤的目的為在滿足用戶對配煤產(chǎn)品質(zhì)量要求的同時，使得配比后的混合煤價格最低。自動配煤模型以原料煤的灰分、水分、硫、發(fā)熱量以及揮發(fā)份6個配煤參數(shù)為參考，基于線性優(yōu)化算法建立自動配置數(shù)學(xué)模型，給出前提條件、約束條件，求解出目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，為自動配煤系統(tǒng)理論依據(jù)。

1) 前提條件。定義自動配煤系統(tǒng)中參與混配原料煤種類為n，且原配比數(shù)據(jù)分別為x1,x2，…，xn，單價分別為P1,P2，…，Pn。原料煤配比指標(biāo)A灰分的約束值為As；M水分的約束值為Ms；S硫的約束值為Ss；Q發(fā)熱量的約束值為Qs；V揮發(fā)份的約束值為最大揮發(fā)份值Vmax、最小揮發(fā)份值Vmin。

2) 目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)為降低配煤成本，降低優(yōu)質(zhì)高價煤料配比、提高低質(zhì)廉價煤料配比、經(jīng)濟(jì)效益最大化，可表示為式(1):

(1)

3) 約束條件?；曳?、水分、硫、發(fā)熱量以及揮發(fā)份的約束條件見式(2)～(6)：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

且有x1,x2,…,xn≥0,x1+x2+…+xn-1+xn=1。

4) 求解。原料煤配比最優(yōu)解為(x1,x2,…,,xn-1,xn)。利用圖解法或單純形法可求得該最優(yōu)解，求得每一種原料煤的配比值xi，運(yùn)輸該原料煤的帶式輸送機(jī)帶速vi，混合煤的價格Z。以西山煤電集團(tuán)屯蘭選煤廠為例，基于線性優(yōu)化算法，利用Matlab求解原料煤配比最優(yōu)解，如表1所示。

表1 屯蘭選煤廠煤質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計

根據(jù)上述線性優(yōu)化算法并經(jīng)Matlab計算后可知，最優(yōu)配比值為1#原料煤x1為0.38，2#原料煤x2為0.35，3#原料煤x3為0.27，即最優(yōu)解為(0.38,0.35,0.27)，目標(biāo)函數(shù)Z為444.8。

3 自動配煤PLC控制系統(tǒng)

自動配煤系統(tǒng)以PLC控制器為核心控制單元，完成的工作包括：

1) 以CAN通信模式接收上位機(jī)的原料煤配比參數(shù)以及優(yōu)化后的原料煤配比參數(shù)，發(fā)送由煤質(zhì)監(jiān)測儀采集的煤質(zhì)參數(shù)給上位機(jī)。

2) 采集核子輸送帶秤的帶式輸送機(jī)單位長度的原料煤重量和運(yùn)煤速度，采集煤質(zhì)監(jiān)測儀信號。

3) 對采集到的信號、接收到原料煤配置參數(shù)經(jīng)邏輯處理后輸出控制指令給變頻器，以驅(qū)動帶式輸送機(jī)并進(jìn)行調(diào)速。

4) 完成對自動配煤系統(tǒng)的故障報警、急停、聯(lián)鎖控制以及手動、自動配煤模式控制。

為完成上述工作，需自動配煤系統(tǒng)的數(shù)字量輸入、輸出點、模擬量輸入、輸出點進(jìn)行統(tǒng)計，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果擴(kuò)展PLC控制系統(tǒng)的I/O點。自動配煤PLC控制系統(tǒng)部分I/O點分配見表2所示。

表2 自動配煤PLC控制系統(tǒng)I/O分配(部分)

自動配煤PLC控制器系統(tǒng)軟件流程如圖2所示，PLC控制器首先會根據(jù)上位機(jī)給定的原料煤配比參數(shù)驅(qū)動變頻器控制帶式輸送機(jī)運(yùn)行。自動配煤系統(tǒng)啟動后，核子皮帶秤實時采集稱重、速度傳感器信號并傳送至PLC控制器；同時PLC控制器會采集安裝在帶式輸送機(jī)機(jī)身的煤質(zhì)監(jiān)測儀信號，與上位機(jī)給定的配比參數(shù)進(jìn)行比較，不一致時，利用基于線性算法求解原料煤最優(yōu)配比參數(shù)以及帶式輸送機(jī)帶速，同時修正變頻器驅(qū)動輸出信號，進(jìn)而控制帶式輸送機(jī)調(diào)速運(yùn)行，實現(xiàn)原料煤配比實時調(diào)節(jié)。圖2中煤質(zhì)要求是指混合煤的揮發(fā)量、發(fā)熱量、水分、灰分、粒度等煤質(zhì)參數(shù)設(shè)計要求。經(jīng)自動配煤系統(tǒng)后的混合煤的上述煤質(zhì)參數(shù)實際指標(biāo)需滿足煤質(zhì)參數(shù)設(shè)計指標(biāo)，如表1所示。

圖2 自動配置系統(tǒng)控制流程

4 使用情況分析

2019年9月，西山煤電集團(tuán)屯蘭選煤廠對自動配煤系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，采用該自動配煤系統(tǒng)并進(jìn)行試運(yùn)行。圖3所示為設(shè)計的屯蘭選煤廠自動配煤系統(tǒng)監(jiān)控平臺，主要監(jiān)測參數(shù)為設(shè)定配比、準(zhǔn)確率以及煤料流速等。

升級改造前混合煤的平均灰分穩(wěn)定率為35%～70%，升級改造后的平均灰分穩(wěn)定率可提高40%左右。表3為自動配煤系統(tǒng)升級改造前后灰分穩(wěn)定率以及發(fā)熱量數(shù)據(jù)。由表3可知，改造后混合煤的參數(shù)有了較大的提升。據(jù)統(tǒng)計，屯蘭選煤廠自動配煤系統(tǒng)升級改造后，生產(chǎn)效率提高近10%，產(chǎn)品合格率提高近16%，在提高經(jīng)濟(jì)效益的同時，降低了現(xiàn)場工人的勞動強(qiáng)度。

表3 屯蘭選煤廠配煤系統(tǒng)升級前后參數(shù)比較

5 結(jié)論

設(shè)計的自動配煤系統(tǒng)，采用線性優(yōu)化模型與閉環(huán)控制結(jié)合的方法，使得配煤系統(tǒng)能夠?qū)崟r適應(yīng)配煤過程的時變、非線性特點，達(dá)到控制精度高、靈活性好的目的。在屯蘭選煤廠的實際使用證明，該系統(tǒng)可有效提高產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)效益明顯。在實際使用中發(fā)現(xiàn)，稱重傳感器、速度傳感器受帶式輸送機(jī)振動的影響較大，設(shè)計時應(yīng)選用質(zhì)量好、精度高的傳感器,使用時，需對上述設(shè)備及時維護(hù)。

圖3 屯蘭選煤廠自動配煤系統(tǒng)