火电厂原煤混配数学模型的构建及软件系统的开发

邵守福，徐炳文

(华电国际电力股份有限公司莱城发电厂，山东 莱芜 271100)

0 引言

对火力发电企业来说，燃煤的质量和价格对企业的经济效益影响很大。2003年以后，煤炭市场供应形势严峻，煤炭价格上涨，电煤供应形势严峻，发电成本不断增加。面对电煤紧缺及发电成本攀升的现状，越来越多的发电企业选择价格较低的非设计煤种或劣质煤种[1-3]。锅炉燃用煤种偏离设计值时，势必会造成锅炉效率下降、燃烧不稳定、带负荷能力差等诸多问题，不仅增加了机组运行的安全隐患，同时也增加了企业运营成本。

原煤混配是根据锅炉稳燃要求，将若干不同煤质参数的煤种按照一定的比例掺配而成一种“新煤种”。国内外对原煤混配已做了大量研究，但对原煤混配后的煤质参数与各单煤种煤质参数之间的关系尚不明确[3-6]。因此，有必要对火电企业燃煤混配后的煤质情况进行深入研究，并在此基础上借助构建的混煤煤质预测数学模型开发一套原煤混配模拟系统平台，以便为火电企业的燃煤掺配提供更好的指导。

1 数学模型的建立

在实际的燃煤混配中，往往需要综合考虑发电企业的经济性、燃煤的煤质参数等多种因素。构建的燃煤混配数学模型主要以发电企业的燃煤成本作为目标函数，以煤的发热量、硫分、挥发分、水分、灰分等煤质参数作为约束条件。

1.1 目标函数

原煤混配的目的是克服单个煤种不适应锅炉稳燃要求的缺点，发挥各单煤种的优点，通过合理掺配形成适合锅炉燃烧的混合煤；同时，在保证锅炉稳定燃烧的前提下，力求掺配后的混煤成本最小化。有若干种煤种可供选择，从中选出n种煤进行掺配，各煤种的价格为Pi，各煤种所占比例为xi，则掺配后的最低混煤成本的目标函数表达式为

x1+x2+…+xi+…+xn=1 ，

0 ≤xi≤1,i=1，2，…，n。

1.2 约束条件

1.2.1 发热量(Qnet.ar)

原煤混配发热量需考虑发电成本和煤质参数2个方面的因素。燃煤的发热量低，不利于煤粉着火和燃尽，进而降低锅炉效率和经济性。因此，多个煤种掺配时，发热量最小值应满足以下条件

Qnet.ar, min≤Qnet.ar(Qi,xi,n) 。

1.2.2 挥发分(Vdaf)

掺配后的混煤挥发分不能太低，以免影响锅炉低负荷燃烧的稳定性和经济性；挥发分也不能过高，以防止锅炉喷燃器烧坏。燃煤掺配时应满足以下条件

Vdaf,min≤Vdaf(Vi,xi,n) ≤Vdaf,max。

1.2.3 硫分(Sar)

随着国家和各地政府对燃煤电厂环保减排的重视，火电企业在燃煤掺配时必须充分考虑锅炉燃用煤种硫分的高低，以满足环保需求。

Sar(Si,xi,n)≤Sar,max。

1.2.4 灰分(Aar)

煤的灰分直接影响锅炉运行的经济性，灰分越高，燃烧温度越低，煤粉的燃尽度越差，锅炉经济性也越差，其约束条件为

Aar(Ai,xi,n)≤Aar,max。

1.2.5 水分(Mt)

水分是煤中不可燃烧的成分，煤中水分含量越高，热值降低越多，燃烧过程中产生的烟气体积越大，由烟气带走的热量也越多，锅炉的效率就越低。煤中的水分不能超过某一值Mt,max，约束条件为

Mt(Mi,xi,n)≤Mt,max。

1.3 数学模型

目前，描述燃煤掺配的数学模型有2种[6-11]。一种是线性数学模型，认为掺配后的混煤煤质参数与各单煤种煤质参数之间存在简单的线性叠加，少数不呈线性关系的煤质参数也可利用简单的数学方法转换为线性关系。这种数学模型简单明了、易于求解，但通过该数学模型预测的混煤煤质参数与实际偏差较大，不能真实反映原煤混配实际情况。另一种是非线性数学模型，认为混煤煤质参数与各单煤种煤质参数间存在复杂的非线性关系，需要利用神经网络技术或模糊数学等方法建立该数学模型。但这种数学模型的应用需要发电企业大量的燃煤掺配实测数据作为依据，工作量大、计算复杂。

综合以上因素考虑，本研究采用的数学模型借鉴非线性数学优化模型，在线性关系数学模型的基础上引入修正系数λi(i=1，2，…，n)，该修正系数需要与火电企业部分混煤实测数据进行拟合比对。修正后的数学模型为

2 系统优化算法的实现

原煤混配实际是一个多约束条件下的最优规划问题，锅炉对掺配后混煤各项煤质参数的要求构成混煤数学模型的约束条件，在这些约束条件下，保证发电成本最小化。在燃煤掺配中，优化燃煤掺配功能就是对混煤煤质参数进行控制，计算出所有煤种的掺配情况及各种掺配比例下的混煤煤质参数，并从中筛选出满足锅炉稳燃要求的燃煤掺配方案，最后给出成本最低的原煤混配方案。其流程如图1所示。

图1 系统优化算法流程图

基于以上讨论，本研究开发了燃煤掺配模拟系统，系统的模拟计算软件开发工具采用Fortune语言。用户只需在系统界面录入燃煤掺配的约束条件(发热量、挥发分、硫分、灰分、水分等指标)、掺配煤种数量以及煤场现有各煤种的煤质参数，就可进行模拟计算，最后模拟系统给出一个原煤混配成本最低的掺配方案。同时，用户还可以通过模拟系统把实际测量的混煤参数录入系统数据库，用于比对拟合结果和确定数学模型中的修正系数。

3 实例分析

为进一步验证模拟系统的预测效果，将所开发的燃煤掺配模拟系统应用于燃煤掺配煤质预测。以某火力发电企业煤场现有存煤情况进行实例分析，各煤种的煤质参数见表1。

把以上各类煤质参数录入模拟系统进行计算，掺配煤种选择3种，约束条件依据锅炉设计校核值。模拟系统给出的部分燃煤掺配方案见表2。

燃煤掺配模拟系统在给出成本最低的燃煤掺配方案的同时，还会为用户提供一系列可选择的燃煤掺配方案，用户可以根据企业设备实际运行情况，有选择性地进行燃煤掺配掺烧。

表1 各煤种煤质参数

表2 系统给出的优化掺配方案

4 结束语

本文通过研究煤质特性及对锅炉燃烧的影响，构建了引入修正系数的原煤混配数学模型，并采用建模比对数学方法进行配煤优化。利用该数学模型开发了燃煤掺配模拟系统，该系统使用了Microsoft Windows 图形用户界面的先进特性和设计思想，能够根据锅炉对发热量、灰分、水分、挥发分、硫分的不同要求做出计算调整，得出满足锅炉稳燃需求的燃煤掺配方案。燃煤掺配模拟系统中还添加了实际燃煤掺配结果的录入界面，通过对数据库中积累的实测数据作进一步的分析对比，借鉴Elman神经网络模型和数学关联算法，找出各煤质参数之间准确的量化关系，进一步确定构建的数学模型中的各修正系数，最后将不同煤种掺配前、后煤质参数之间的关联关系定量地反映出来。

参考文献：

[1]钟辉,张军,撒应禄.配煤是稳定发电煤质的方法之一[J].锅炉技术,2001,32(12)：11-15.

[2]李天.沙角A电厂配煤燃烧技术的研究与应用[D].武汉:华中科技大学,2006.

[3]曾祥文.广州珠江发电厂动力配煤优化[D].武汉:华中科技大学,2004.

[4]Wieclaw Conrad,Hickinbotham Andrew.Blending for dollars[J].Power Engineering，2004,108(9):54-60.

[5]王丽春.合理配煤提高经济效益[J].煤质技术,2004(B04)：23-24.

[6]戴财胜.动力配煤的理论与应用研究[D].北京:中国矿业大学,2000.

[7]阮伟.优化配煤专家系统的研究以及电厂优化配煤数学模型的建立[D].杭州:浙江大学,2000.

[8]王彦贺.配煤对燃烧及污染物排放性能影响的试验研究和数值模拟[D].天津:天津大学,2002.

[9]靳智平,李东雄.用VB 6.0开发动力配煤适用软件[J].电力学报,2002,17(3):35-39.

[10]谢海深,孟军波,刘永新,等.配煤优化模型及其专家系统的设计[J].计算机与应用化学,2006,23(5):621-624.

[11]阮伟,张伟宁,周俊虎,等.电厂优化配煤多目标机会约束数学模型的建立[J].动力工程,2001,21(1):1090-1092.