基于筒仓模式下的智能精准配煤系统研究与探索

杨瑞峰，解振海，章 力，胡运鹏

(1.中煤天津设计工程有限责任公司，天津 300131；2.内蒙古煤矿设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010020；3.中煤华晋集团有限公司 王家岭选煤厂，山西 运城 043300)

配煤是指通过将若干种不同种类、不同性质的煤炭按照一定比例掺配加工成混合煤，以满足不同燃烧条件下的煤质需求。配煤技术可充分发挥各煤种的优点，实现燃煤质量的均衡化，并且易于燃煤充分燃烧，提高煤炭利用效率，达到节约煤炭用量，减少污染物排放的目的，同时燃煤设备的运行安全性得到保证。使用燃煤配煤可同时达到节能和环保两大目的，经济效益十分明显。

但是目前国内多数筒仓生产模式下的带式输送机混合式配煤过程中各个煤仓的取出比例需要人工控制、未实现实时调节，各仓口实时出料质量情况未知，配煤误差较高、精度偏低，导致配销商品煤质量过低带来的销售罚款和质量过高带来的“高质低卖”等“双损”现象频发。

1 配煤技术研究概况

国内由于煤炭分布不均、运输能力不足，以及劣质煤储量大等各方面原因，使得许多电厂不能够燃烧锅炉设计煤种，为此不得不采用混烧不同煤的方法，以满足锅炉的需求。由于配煤使用的广泛性，我国近年来也开展了许多研究工作，主要集中在对配煤模型的研究及燃烧特性的研究。如煤炭科学研究院、西安热工院、浙江大学、华中科技大学煤燃烧国家重点实验室和株洲选煤厂等都进行了相关的研究，并提出了优化配煤的数学模型。西安热工院在研究劣质煤燃烧与锅炉改造时，对电厂的配煤特性、结渣特性做过研究，通过使用一维火焰燃烧炉、热天平等装置，研究了晋东南无烟煤及配煤的燃烧特性。浙江大学热能工程研究所对无烟煤、褐煤以及配煤的热解、着火、燃烧、结渣、固硫和助燃特性进行了研究，认为配煤特性与各单煤之间并非简单的加权关系，并通过神经网络和模糊数学等手段建立了优化配煤数学模型。华中科技大学煤燃烧国家重点实验室对配煤的着火特性、挥发分析出规律、燃尽特性、结渣特性、硫和氮的析出特性进行了研究，建立了配煤燃烧数学模型，预测了配煤的燃尽度。

综上所述，国内研究主要集中于对配煤模型的研究及燃烧特性的研究，对配煤控制系统方面的研究甚少。主要由于未能将煤质在线分析技术应用到配煤系统中，在此方面与国外仍有较大的差距。因此，如何将在线分析技术运用到配煤系统中已成为当前我国对配煤系统研究的关键性技术。

2 智能配煤在线监测技术与装备的新发展

智能配煤技术的核心是产品煤质量的准确在线监测、产品煤在仓内储存形态的准确分析以及依据产品煤质量构建的配煤模型，涉及到的关键技术与装备包括高精度在线测灰仪、高精度料位计以及筒仓模式下的物料流动模型构建技术。

2.1 X射线在线灰分仪

智能配煤系统采用X射线灰分仪进行产品煤灰分的在线检测，见图1所示。该灰分仪采用最新的X射线检测技术，采用与安检仪同款的Ⅲ类X射线机，灰分检测精度高，设备运行稳定，环保取证简单，X射线电源关闭后，没有任何辐射。该设备已经在斜沟选煤厂、哈尔乌素选煤厂、陈蛮庄选煤厂等多座选煤厂得到了应用，使用效果良好。

图1 X射线在线灰分仪

2.2 智能料位检测仪

采用智能料位检测仪准确监测产品煤在筒仓内的分布状态，见图2、图3所示。相较于常规的雷达料位计，智能料位检测仪可以实现立体测量，采用进口电磁波雷达在控制平台上实现360°检测覆盖，将仓内物料分布用三维可视方式呈现，精准反应仓储情况。调频连续波(FMCW)式雷达，具有高频、发射角小、抗干扰回波能力强的特点。近年来，该设备广泛应用于港口和物流园煤场的无人堆取料环节。

图2 智能料位检测仪

图3 仓内产品煤可视分布

2.3 物料流动模型

物料流动模型是基于产品煤在筒仓内堆放形态的准确监测而开发的，预测物料流动趋势的数字模型。

料仓内物料的移动混合过程涉及众多的复杂因素，包括加煤点和多个出料口的工作方式的任意组合，各加煤点的加料速率、各出料口的出料速率、以及各加煤点的煤质均随时间而改变等。因此，人工无法精准判断仓内热值的分布情况及一段时间内料仓出口的煤质信息，为此通过物料流动模型的建立来解决这一问题。具体技术路线如下：

(1)将料仓划分为大量网格单元(约数万级规模)，建立描述散料在网格间运动特性的数学模型，通过计算机实时计算，跟踪各个网格内产品煤的质量信息(如：容积份额、灰分、水分等)和运动信息(Vx，Vy，Vz)，从而实现对整个料仓内煤炭运动的动态实时仿真。

(2)针对产品煤在网格间的运动，建立其在料仓内运动的“堆积散体移动数学模型”。将堆积散体的运动分为在重力作用下的垂直下落运动和在重力与浓度梯度共同作用下的坍塌剪切运动，散体在网格间的运动满足质量守恒和动量守恒定律。

最终实现对仓内各网格处的物料料流路径的建立，从而能够预测出一段时间内某个出料口出料的相关信息，为实现精准配煤提供精准的数据。

3 智能精准配煤系统应用研究

智能精准配煤系统要求根据客户订单要求(数量及质量)及现有产品煤情况，完成自动掺配作业，以实现销售的商品煤满足客户需求。

智能配煤系统应用研究方案包括数字料仓和智能配煤2个子模块。数字料仓模块主要实现对产品仓内信息的数字化建模呈现以及料流模型的建立；智能配煤模块以数字料仓的数据为基础，实现配煤过程中的热值平衡、仓储平衡以及配煤热值与目标热值偏差的最小化。

该系统可设置1套智能配煤系统PLC控制主站，配置可运行操作系统的CPU模块，接收给定信号、反馈信号，发出执行信号，所有数据建模、智能算法计算、PID调节控制功能均由智能配煤系统PLC控制主站完成，同时需要增加相关检测的设备及装置。

3.1 数字料仓

数字料仓系统实时采集产品仓上带式输送机的来料信息，包括来煤的类型、灰分、水分和重量等，同时采集仓上卸料点位置、料位等信息，结合料仓的几何边界尺寸，系统通过计算建立数字料仓模型，能够实时呈现料仓内的料位高度、各层的热值分布、料面高低等信息。数字料仓设备配置见图4。

图4 数字料仓设备安装示意

根据煤仓几何边界条件、进料方式、出料方式等通过数学建模，联合运用欧拉方法、拉格朗日方法、软球模型的建模技术路线及进、出料组合方式进行数值模拟计算，获取料仓内散体的运动流线，建立料流模型，根据现场进、出料情况实时调取相应流场计算散体的运动。从而给出当前整个料仓内的煤量分布和灰分分布、当前料仓内总煤量和总热值、某时间段内的卸煤总量和总热值等。料仓流动示意见图5。

图5 料仓流动示意

3.2 智能配煤计算与控制模块

通过数字料仓的仓储信息以及料仓流动模型，系统能够实时掌握料仓内的信息，同时实时预测每个仓内产品煤及仓下给煤机出煤的煤质信息数据，系统根据装车任务目标自动执行配煤，给出最优的料仓选择方案、相应的配比，以及开启给煤机的编号及频率的设定值等，并将最优方案推送至调度人员，调度人员根据实际生产情况进行确认。配煤方案确定后，系统自动开启相应料仓的给煤机并设定相应的频率，根据装车仓上带式输送机在线灰分仪的反馈数据、仓下转载胶带秤的数据，实时调整给煤机的开启数量、编号及频率，实现配煤目标热值与实际热值的吻合。

智能配煤系统自动启停，启停的前置输入条件是装车站缓冲仓料位。装车首次启动需要经调度人员确认后开启。智能配煤系统硬件配置及控制原则如图6、图7所示。

图6 智能配煤硬件安装示意

4 智能精准配煤系统应用研究目标与经济效益

4.1 系统目标

智能精准配煤系统完成后，可实现煤仓的数字化管理，以此为基础，实现带煤量和煤量配比的自动控制，保证产品发热量误差不超过50 kcal/kg(209 kJ/kg)。通过数字料仓、灰分仪、水分仪和料位计的数据，以及精准配煤结果数据对比，实现系统的自学习及相互矫正，随着数据的不断积累，不断的自学习、自矫正，系统会不断的成长，变得更智能，更精准。

图7 智能配煤数据流向示意

4.2 经济效益

通过构建智能配煤系统，可严格控制销售产品煤发热量与目标煤质的差值，提升产品质量精度，提高了外销商品煤目标热值的稳定性，缩小了与客户要求质量的差值，既避免了实际销售产品煤发热量过低带来的销售罚款，又避免了产品煤发热量过高带来的“高质低卖”，实现“双”收益。以“高质低卖”为例，按照每年8.00 Mt产品煤计算，约有50%的“高质低卖”，将50%的“高质低卖”减少20 kcal(83.6 kJ)的波动，按照0.1元/kcal(4.18 kJ)计算，每年减少损失约800万元。

5 结 语

配煤技术可充分发挥各种产品煤的优点，实现燃煤质量的均衡化，节能和环保优势明显，经济效益显著。基于筒仓模式下的智能精准配煤系统，通过建立数字料仓和智能配煤2个子模块，实现配煤过程中的配煤热值与目标热值偏差的最小化。并随着数据的不断积累，不断的自学习、自矫正，该系统会不断的成长，变得更智能，更精准。企业既避免了实际销售产品煤发热量过低带来的销售罚款，又避免了产品煤发热量过高带来的“高质低卖”，实现“双”收益。