火电厂原煤混配数学模型的构建及软件系统的开发.pdf

第 3 6卷 第3期 2 0 1 4年 3月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h no l o g y Vo 1 ． 3 6 No． 3 Ma r ． 2 01 4 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2 7 1 1 0 0 摘要 针对火力发电企业实际燃用煤种繁多、 煤质特性各异、 锅炉燃烧不稳定以及经济性差等问题 ， 构建了以燃煤成本 最低为目标函数 ， 以发热量、 硫分、 挥发分、 水分、 灰分等指标为约束条件的数学模型。在此模型基础上开发了燃煤掺配 模拟系统， 该系统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， 给出满足锅炉稳燃要求的 原煤混 配方案。 关键词 火电厂； 原煤混配； 数学模型； 软件 中图分类号 T M 6 2 1 ． 2 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 1 4 0 3 0 0 6 2 0 3 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 。2 0 0 3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 j 。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 J 。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 收稿 日期 2 0 1 3 0 9 2 3 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 P ， 各煤种所 占比例为 ，则掺 配后 的最低混煤成本的 目标 函数表达式为 P ⋯ ∑P ， ￡l 1 2 ⋯ ⋯ 1 ， 0 ≤ ≤ 1，i 1， 2， ⋯ ， ／ ／,。 1 ． 2 约束条件 1 ． 2 ． 1 发热量 Q ． 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 Q ． i ≤ Q Q i ， ，n 。 1 ． 2 ． 2 挥发分 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 ． ≤ f ， j ， ／ ／, ≤ a f ． 。 1 ． 2 ． 3 硫分 s 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。 S S ， ， n ≤S ． 。 1 ． 2 ． 4 灰分 煤 的灰分直接影响锅炉运行 的经济性 ， 灰分越 第 3期 邵 守福 ， 等 火电厂原煤混配数学模型的构建及软件 系统的开发 6 3 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 ， ， n ≤A ⋯ 。 1 ． 2 ． 5 水分 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 一 ， 约束条件为 t M ， ， n ≤ Mt． 。 1 ． 3 数学模型 目 前， 描述燃煤掺配的数学模型有 2种 一 。 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 A i1 ， 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 P ⋯ ∑P i ， 1 ， 2 ， ⋯， n， i l Q ． 。 ≤∑ Q n e t．a r ,i 1 V d i ≤∑ V a i1 S ≥∑ s A ≥∑ A 。 ‘ i 1 M ⋯ ≥∑ M i l ∑ 1 i 1 0 ≤ ≤ 1 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 。 输入配煤的约束条件 输入需掺配煤种相关指标 软件匹配各配煤方案 配煤指标是否在允许范围 Y 输 出各煤种配煤比例 软件对各 配煤 比例结果进行对 比优化 输 出最优配煤 比例结果 N 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 F o r t u n e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。 6 4 华 电技 术 第 3 6卷 表 1 各煤种煤质参数 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 M i c r o s o f t Wi n d o w s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 E l ma n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， 2 0 0 1 ， 3 2 1 2 1 11 5 ． f 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 ， 2 0 0 6 ． [ 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 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] Wi e c l a w C o n r a d ， H i c k i n b o t h a m A n d r e w ． B l e n d i n g f o r d o l l a r s [ J ] ． P o w e r E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4， 1 0 8 9 5 4 6 0 ． [ 5 ] 王 丽春． 合理配煤提高经济效益 [ J ] ． 煤质技术 ， 2 0 0 4 B 0 4 2 3 2 4 ． [ 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 ， 2 0 0 0 ． [ 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， 2 0 0 0 ． [ 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， 2 0 0 2 ． [ 9 ] 靳智平 ， 李东雄． 用 V B 6 ． 0开发动力配煤适用软件[ J ] ． 电力学 报 ， 2 0 0 2 ， 1 7 3 3 53 9 ． [ 1 0 ] 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， 2 0 0 6 ， 2 3 5 6 2 1 6 2 4 ． [ 1 1 ] 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 ， 2 0 0 1 ， 2 1 1 1 0 9 0 1 0 9 2． 本文责编 刘芳 作者简介 邵守福 1 9 8 l 一 ， 男 ， 山东济宁人， 工程师， 从事火电企 业管理方面的工作 E m a i l s h a o s h o u f u m a i l ． s d u ． e d u ． e n 。 徐炳文 1 9 7 3 一 ， 男， 山东济宁人， 工程师， 从事火电企 业管理方面的工作 E m a i l x b w g q 1 6 3 ． e o m 。