（工程热物理专业论文）优化配煤专家系统的研究与开发.pdf

浙江大学顶士学位论文刘正蓝 优化配煤专家系统研究与开发 摘要 ( 如何通过合理的配煤来达到燃烧设备所需的煤质要求，以缓解煤炭供应 紧张的局面? 又如何通过配煤来降低电站锅炉s 0 ，的排放，以达到环保的要求? 一种非常经济与实用的方法就是采用“优化配煤技术”。 专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家 水平的知识与经验，能够利用人类专家的解决问题的方法来处理该领域问题。 它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和 经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专 家处理的复杂问题本文分析了专家系统的结构、知识表示方法以及专家系统 构建方法，将人工神经网络的b p 网络应用于专家系统作为其学习策略，因此， 本文对b p 网络的结构、数学推导极其算法设计进行了研究。 本文将专家系统技术引入优化配煤研究中，将专家系统与优化配煤技术 相结合，研制优化配煤专家系统。在实验的基础上建立了混煤特性指标与其掺 配单煤相应特性指标之间关系的数学模型，并将其作为专家知识和经验以过程 式表示方式嵌入优化配煤专家系统中，同时将单煤特性指标存入系统数据库 中，作为优化配煤专家系统的分离知识库。这样，以过程式知识表示与分离知 识库相结合、以数学模型计算的浅层推理与符号推理的深层推理相结合的方法 构建优化配煤专家系统。阱算和实验表明本系统可以对混煤的发热量、挥发分、 扶分、水分、软化温度等参数进行准确预测。以此为基础本文开发了杭州煤场 优化配煤专家系统和戚墅堰电厂优化配煤专家系统，前者已成功应用于杭州煤 场。p 7 ， 针对戚墅堰电厂用煤种类繁多，地沟中燃煤流动复杂的特点，本文在简 化假设的基础上提出地沟仓流模型，并对其进行了严格的数学推导，然后将推 导结果应用于电厂优化配煤专家系统中。 在本文建立的优化配煤专家系统中，开创性地为系统在传统配煤生产模 式中添加了另外一种系统运行模式，学习模式，以一种简单易行的策略为系统 加入了自学习功能，提高了系统的适用性，同时提高了系统配煤的精度。本文 以改进的m d o d 算法丌发了优化配煤专家系统的内核，实践证明，该算法大大 提高了系统的效率。卜 ， 、 关键词：专家系统，优化配煤，自学习，多目标，混合离散变量 堂兰查茎堕主兰垡堕圭：型垩苎 垡堡兰苤主茎墨苎堡塞量垄垄 a b s t r a c t h o wt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fc o a l st h a tc o m b u s t i o ne q u i p m e n t sn e e d i no r d e rt om i t i g a t et h et e n s i o no fc o a ls u p p l y i n g ? h o wt or e d u c es 0 2 d i s c h a r g i n g o fp o w e ri no r d e rt om e e tt h ec l a i mo fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nt h r o u g hc o a lb l e n d i n g ? o n ee c o n o m i c a la n dp r a c t i c a lm e t h o d i st oa d o p tt h e t e c h n i q u eo fo p t i o n a lc o a lb 1 e n d i n g e x p e r ts y s t e mi sa ni n t e l l i g e n tp r o g r a m m i n gs y s t e m i tc o n t a i n sl o t s o fk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c e so ne x p e r t1 e v e li ns o m ef i e l d i tc a nu t i l i z e m e t h o d st h a th u m a ne x p e r t sw i l lc h o o s et os o l v ep r o b l e m si tw i l lm e e t i nt h a tf i e i d t h es y s t e ma p p l i e sa it e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y t or a t i o n a l i z e ，j u d g ea n ds i m u l a t ed e c i s i o np r o c e s so fh u m a ne x p e r t a c c o r d i n gt ot h ek n o w l e d g et h a to n eo rm o r ee x p e r t so f f e r e di ns o m ef i e l d s oi tc a ns o l v es u c h c o m p l i c a t ep r o b l e m s t h a tn e e dh u m a ne x p e r t s p r o c e s s i n g t h i s a r t i c l e a n a l y z e t h es t r u c t u r eo f e x p e r ts y s t e m ， i n d i c a t i v em e t h o do fa l lk i n d so fk n o w l e d g e ，t h ec o n s t r u c t i o no fe x p e r t s y s t e ma n du s eb pw e b ，o n ek i n do fa r t if i c i a ln e r v ew e ba si t ss t u d y i n g t a c t i c s t h e r e f o r et h i sa r t i c l er e s e a r c h e dt h es t r u c t u r e ，m a t h e m a t i c d e d u c t i o na n da l g o r i t h md e s i g n i n go fb pw e b t h ea r t i c l ea p p li e de x p e r ts y s t e mi nt h er e s e a r c ho fo p t i o n a lc o a l b l e n d i n g ，d e v e l o p e dt h ee x p e r ts y s t e mo fo p t i o n a lc o a lb l e n d i n g i tb u i l d am a t h e m a t i cm o d e lt h a td e s c r i b e st h er e l a t i o n so fc h a r a c t e r i s t i c t a r g e t so fs i n 9 1 ec o a lb a s e do ne x p e r i m e n t sa n de m b e d d e dt h em o d e li n t h es y s t e mw it ht h em e t h o do fp r o c e s si n d i c a t i o na se x p e r t s 7 k n o w l e d g e a n de x p e r i e n c e s a tt h es a m et i m ei ts t o r et h ec h a r a c t e r i s t i ct a r g e t s o fa l1 s i n g e c o a l si n s y s t e m s d a t a b a s ea s s e p a r a t e d k n o w l e d g e s t o r e h o u s eo f e x p e r ts y s t e mo fo p t i o n a l c o a l b i e n d i n g t h u s t h e c o m b i n a t i o n so f i n d i c a t i o n o f p r o c e s s i n gk n o w l e d g e a n d s e p a r a t e d k n o w l e d g es t o r e h o u s e ，s h a l l o wr a t i o n a l i z i n go fm a t h e m a t i cm o d e la n dd e e p r a t i o n a li z i n go f s y m b o l s ，c o n s t r u c t e d t h e s y s t e m c a l c u l a t i n g a n d e x p e r i m e n t s i n d i c a t e dt h a tt h i s s y s t e m c a n p r e d i c tp r e c i s e l ym a n y p a r a m e t e r so fh e a t ，v a p o r ，s o o t ，w a t e ra n dt e m p e r a t u r e ，e t co fo p t i o n a l c o a lb l e n d i n gi nh a n g z h o uc o a lp 1 a n ta n dq i s h u y a np o w e rp 1 a n t t h ef o r m e r h a v ea l r e a d yb e e na p p i e di n h a n g z h o uc o a lp l a n ts u c c e s s l y b e c a u s et h ek i n do fc o a la r ev a t i o u sa n dt h ef l u x i o n so fc o a l si n l i 堂篓查兰坚圭苎堡垒查二型 堡些受苎主墨墨苎塑垄量垄叁 s e ”e rt u n n e la r e c o m p l e xi nq i s h u y a np o w e r ，t h i sa r t i c j ed e v e l o p e da m o d e lo fs t o r e h o u s ef l u x i o ni ns e w e rt u n n e lb a s e do ns i m p l i f i c a t i o na n d s u p p o s i t i o n a f t e rs t r i c tm a t h e m a t i cd e d u c t i o no f t h a t m o d e l ，t h e a r t i c l es u p p l i e dt h er e s u l to fd e d u c t i o nt o e x p e r ts y s t e m i nt h e e x p e r ts y s t e m o f o p t i o n a l c o a l b l e n d i n g ，t h ea r t i c l e o r i g i n a l l ya d d e da n o t h e rp r o c e s s i n gm o d et oc o n v e n t i o n a lc o a lb l e n d i n g m o d e ：s t u d yt a c t i c s i tu s e das i m p l ea n dp r a c t i c a lm e t h o dt om a k et h e s y s t e ms e l f e d u c a t e da n di m p r o v et h ea d a p t i v eq u a l i t yo ft h es y s t e m ，t h e p r e c i s i o no fc o a lb l e n d i n g i nt h i sa r t i c l e ，w ed e v e l o p e dt h ec o r eo f e x p e r ts y s t e mo fo p t i o n a lc o a lb 1 e n d i n gb yi m p r o v e da l g o r i t h mm d o d i t h a sb e e n p r o v e dt h a tt h ea l g o r i t h mi m p r o v e dt h e e f f i c i e n c yo ft h i s s y s t e m k e yw o r d s ：e x p e r ts y s t e m ，o p t i m i z e dc o a l b l e n d i n g ， s e l f e d u c a t e d ，m u l t i p u r p o s e ，m i x e d - d i s p e r s e d v a r i a b l e i i 浙江大学项士学位论文越正蓝 优化配煤专謇系娆研克与开发 第一章绪论 1 1 引言 能源是人类赖以生存和发展的基础。随着世界经济的发展，能源消费的 增长非常迅速，而经济增长速度，经济结构变化以及个人收入增加而引起消 费需求的变化，都强烈地反映在能源需求上。化石能源( 煤和石油) 的大规 模生产和利用分别标志着人类的第一次产业革命和第二次产业革命，但同时 也给环境带来了巨大的影响，目前全球性的四大公害：大气烟尘、酸雨、全 球变暖、臭氧层破坏都与能源的生产和利用直接相关。随着经济快速发展， 上述四大公害已经严重影响人类的生存条件。要实现可持续发展，必须使能 源的生产和利用与环境相协调。 在我国各种能源资源中，煤炭资源最为丰富，1 9 9 5 年探明的储量为1 0 0 8 7 0 8 亿吨，居世界第三位，估计在地下深1 5 0 0 米以内的煤炭资源储量为4 0 0 0 0 亿 吨。我国已探明的石油资源为7 0 多亿吨，其中可采储量仅1 6 亿吨；已探明的 天然气资源为3 1 3 0 亿立方米，因此煤炭占我国各种化石燃料资源总储量的9 5 以上。目前，我国是世界上能源生产和消费的大国，从1 9 7 6 1 9 9 0 年的十五 年问，我国的能源产量从5 3 0 4 亿吨标准煤增加到1 0 3 9 2 2 亿吨标准煤。掘估 计，到2 0 0 5 年，我国的能源产量将达到2 0 亿吨标准煤以上1 1 1 。在我国的一次 能源消费结构中，煤炭占主导地位，它占一次能源总消费量的7 5 以上口1 1 i ii ， 从中国的国情出发，在今后相当长的一段时间内，我国以煤为主的能源结构不 会改变，到2 0 5 0 年也将占6 0 左右，可见，煤在中国的能源中占有举足轻重 的地位。因此，唯一可行的选择是发展洁净煤技术，大大减少污染物排放，提 高利用效率和经济效益，并促使能源供应来源多样化。 表1 蒸发容量( t h )份额( )热效率( ) 3 0 2 7 0 煤炭是我国的主要一次能源，每年以燃烧方式消耗的煤炭达1 1 亿吨。燃 煤供应品种多，质量不均一，不稳定，煤质不适应燃煤设备要求，是当前燃煤 效率低，污染排放严重的重要原因之一，动力用煤主要指发电用煤及工业锅炉、 窑炉用煤，广义地讲，包括高炉喷吹用煤等。动力用煤占煤炭总消耗量中的8 0 以上，其中发电用煤占3 2 ，工业锅炉、窑炉用煤约3 5 以上，全国有4 6 月 台工业锅炉和1 6 月台燃煤窑炉，全年高炉喷吹煤量约需4 0 0 万吨以上。工 业锅炉中7 0 为中小型层燃锅炉，其容量及所占份额与热效率见表1 。与发达 国家相比，工业锅炉平均热效率要低1 5 2 0 ，发电用煤平均煤耗要高出约 浙江大学硕士学位论文列正蓝 优化配煤专察幕矗研究与开发 3 0 ，燃煤排放的固态粉尘及s 0 2 分别占总粉量和总s o ：排放量的5 0 和8 0 以上，特别在燃用高硫煤时，缺乏先进的脱硫、脱硝技术，也是造成燃煤污染 的一大原因。 1 2 课题的提出 电站锅炉的设计一般是先确定设计煤种，然后根据该设计煤种的煤质指标 来设计锅炉燃烧器、水冷壁、尾部烟道各受热面等的参数。因此，电站锅炉对 燃煤的煤质指标要求比较高，它要求燃用煤与设计煤各项指标基本相同，然而， 在我国，由于煤炭资源分碲极其不平衡，且煤质参数变化很大，不稳定，一般 电厂燃用来煤质量难以保证，基本上都是来什么煤就烧什么煤，致使燃烧过程 容易产生一系列的问题，如喷口烧坏、结渣、积灰、腐蚀、着火困难、燃烧不 稳定，不完全燃烧损失加剧等。为了解决这些问题，很多电厂花费了大量的人 力物力采取了各种各样的办法来改进炉膛结构，但改进锅炉结构并不是一个令 人满意的解决方案，当来煤煤质指标变化时，锅炉结构仍难以符合煤质指标的 要求。因此，改进锅炉结构以适应煤种变化是只能治标，不能治本的办法。 为解决上述那种“费力不讨好”的难题，国内外燃烧方面的专家与学者一 直在努力寻求与探索一种切实可行的解决方案，其基本思路便是从“锅炉适应 煤种”转变为“煤种适应锅炉”，即并不根据煤种不同而改变锅炉结构，锅炉 只燃用与设计煤种相似的煤种，这就是近年来兴起的动力配煤技术，动力配煤 技术的核心是燃煤的均质化，根据不同类型电站锅炉、工业窑炉以及喷吹用煤 等对煤质的要求，将两种或多种不同品质的煤按一定比例均匀混合，为用户提 供质量稳定、均匀、符合燃烧与环境保护要求的煤料。 美国于1 9 8 6 年率先提出洁净煤技术( c l e a nc o a lt e c h n o l o g y ) ，并制定出 洁净煤技术示范计划。此后十年中，洁净煤技术已引起国际社会的普遍重视， 目前已成为世界各国解决能源与环境问题的主导技术之一。 洁净煤技术旨在最大限度地发挥煤作为能源的利用潜能，同时又实现最少 的污染物排放，达到煤的高效、清洁利用的目的。洁净煤技术是一项庞大复杂 的系统工程，包括从煤炭开发到利用的所有技术领域，主要研究丌发项目包括 煤炭的加工、转化、燃烧和污染控制等。 基于我国的能源结构以及环境状况，为实现环境、资源与发展的和谐统一， 中国已经把发展洁净煤技术作为重大的战略措施，列入“中国2 l 世纪议程”， 洁净煤技术是中国能源的未来已经被越来越多的人所认同。但从总体上看，我 国在许多方面尚处于起步阶段，与发达国家比还有较大差距。 中国洁净煤技术发展领域包括高效、低污染地丌发和利用煤炭的全过程， 主要可分为煤炭利用| j 净化技术、煤炭燃烧中的净化技术、烟气净化技术和煤 炭转化技术，而近年来作为洁净煤技术之一的优化动力配煤技术作为一种控制 入炉煤质的重要手段以其高效率，低污染的特点在我国得到了迅速的发展。 优化动力配煤技术是将不同品质的燃煤经过筛选、破碎，按比例进行混合， 浙江大学项士学位论文刘正蓝 优化配煤专謇乐统研究与开发 掺配加工成在综合性能上呈“最佳状态”的新“煤种9 9y 以改变掺配煤种的物 理特性和燃烧性能，达到充分利用煤炭资源，优化煤炭产品结构，煤质互补的 目的，以适应燃煤设备对煤质的要求，提高锅炉的燃煤效率和减少污染物排放。 1 3 动力配煤的意义 在现有条件下，要提高锅炉热效率，就必须保证锅炉达到正常高效运行， 必须恰当选择适宜的燃煤煤质特性与燃烧特性与锅炉设计参数相匹配，不同特 性的煤，适应不同的锅炉设计参数。配煤技术的原则，就是恰当地满足不同类 型锅炉、工业窑炉设计参数的要求，使煤得到充分燃烧，燃烧稳定，避免结渣， 达到锅炉额定出力和满负荷运行，提高燃烧效率及锅炉热效率。实践证明，通 过动力配煤即燃煤均质化，能使节煤率平均提高s 以上【5 1 。 当前，我国煤炭燃用过程中主要存在三个方面的问题： 1 、煤炭热利用率低。在我国热能利用率如下表： i 燃料利用率电厂机车民用工业窑炉工业锅炉总计i l 我国( ) 2 7 3 05 81 5 2 02 0 3 05 5 6 0 2 81 i 先进国家 3 5 3 72 56 0 6 0 5 0 缶o- 8 04 2 1 热能利用率与先进国家相比，差距很大。造成煤炭热能利用率低的原因除 设备本身及管理上的问题外，主要是因为煤炭用户的购煤渠道多，煤种杂，质 量不稳定，来什么煤烧什么煤，偏离燃烧设备的设计煤种所致。 2 、煤炭燃用设备安全性、可靠性低。由于锅炉燃烧设备经常在燃用非设 计煤种的状态下运行，由此而引来一系列诸如煤着火困难、燃烧不稳定、燃烧 效率低、锅炉严重结渣、受热面积灰磨损加剧和腐蚀加快等严重影响燃烧设备 的安全性和可靠性的问题。 3 、煤炭虽然是蕴藏极为丰富的能源，但它是一种“不洁净”的燃料。燃 烧所产生的污染是我国环境污染的主要原因之一。 推广和使用动力配煤可以在很大程度上解决这些问题。我国使用动力配煤 主要存在以下几个意义： i 、提高锅炉效率，节约大量煤炭，同时降低锅炉事故率。 锅炉热效率的高低是衡量其节约和浪费煤炭的重要依据。而决定锅炉热效 率的因素有三条：炉型的先进性、燃用煤种的燃料特性和操作人员的操作水平。 在我国燃煤锅炉热效率低的原因，除以上三条外，但最主要的是实际燃用的煤 炭与锅炉设计所用的煤炭不一致，各煤种之间燃烧性能相差甚远，煤质与炉型 严重脱节。过去一直采用的是以“炉改”去适应煤种，虽然其效果也相当明显， 但炉改耗费巨大，据统计，仅8 个电厂因为解决煤质变化引起的出力下降，投 油多、结渣、超温、磨损等问题所进行的炉改支出费用就达2 3 1 7 亿元人民币 浙江大学硕士学位论文刘正蓝 优化配煤专察系统研究与开发 ( 1 9 8 “1 9 8 7 ) 。如果生产和使用动力配煤，以煤适炉，则既可节约大量改炉 费用，又可提高锅炉效率，节约大量煤炭。 2 、提高劣质煤的利用率，充分利用当地煤炭资源。 长期以来，国家有关政策一直鼓励企业燃用当地煤、劣质煤。但由于很多 地方煤炭资源的质量较差，企业使用的积极性不高。动力配煤的推广可以有效 地改变这种状况，它能够使用户得到质量稳定的煤炭，同时，在配煤过程中能 够使煤中的块术分开，既可实现物尽其用，又节约运力，使煤炭得到合理利用。 3 、有利于煤炭供应的主要渠道形成，提高流通效益。 燃料供应部门能够通过生产动力配煤实行配送制，以质和煤价取胜，用户 就能够依赖于燃料供应部门，使煤炭合理流通，形成固定的主渠道，减少流通 运输费用，提岛流通效益。 4 、有利于控制污染。 在动力配煤的配置过程中，通过添加适当的高温固硫添加剂可大大减少燃 用配煤所产生的s 0 2 排放量，同时，由于燃烧效率的提高，排放烟气中的未 燃烬粉尘及其它有害成分也能够相应减少，减少了环境污染，并可使企业免支 或少支s 0 2 排放费。 1 4 动力配煤技术的国内外发展状况 1 4 1 简介 对动力配煤的研究主要包括对混合系统和混合方法的研究，对配煤着火性 能的研究，配煤时结渣性能的影响，采用混烧方法以降低n o x 及s o x 排放的 研究等等。由于在国外，特别是在美国，动力用煤大部分为优质煤，燃烧界认 为在煤粉炉燃烧方面不成问题，故而将研究的重点放在其它方面，特别是污染 物的排放控制。 近几年，德国对混煤的燃烧特性及燃烧混煤的各种燃烧室和燃烧器以及配 煤设备进行了较为深入的研究，得到了很多有价值的结论。例如：混煤的掺混 比例对煤的着火特性有一定的影响；在低氧环境中，混煤的着火特性随着掺混 的比例变化其变化趋势不同；对于粗煤粒，在不同的氧浓度下，掺混比例的变 化对着火性能的影响较为显著。 日本是个资源短缺的国家，燃料基本上全部依靠进口。为了减少运输费 用，近几年同本丌始扩大利用发热量较高的无烟煤等低挥发份煤，因而出现了 在煤粉炉中混烧无烟煤和石油焦这些低挥发份燃料的倾向。然而，传统的水平 燃烧锅炉燃用混煤会出现这样或那样的问题，这也就促进了r 本燃烧界丌始了 对混煤燃烧特性的具体研究。目前，日本针对混烧不同煤种时出现的污染增加 及未燃损失增加等问题正在进行更深入地研究。 其他国家也f 在积极使用配煤，如荷兰为降低锅炉的结渣和腐蚀倾向而燃 用混煤。西班牙为了充分利用国内的劣质煤资源，也采用多煤种掺烧的方法。 浙江大学项士学位论文刘正董 优化配堞专謇乐统研克与开发 英国将不同煤种混合燃烧时混煤的灰含量限制在1 7 以下，收到了减轻或消 除结渣的良好效果。加拿大的l e eg k 等人研究了通过燃用混煤来调整煤的燃 烧及飞灰特性的方法，其得到的主要结论有：通过燃用掺混反应性强的煤强化 燃烧可以降低氧化性飞灰中的可燃物含量，但研究也表明，测得混煤中的飞灰 含碳量降低仅仅是强反应性的燃烬度较高的结果，总的飞灰含碳量并没有改 变：燃用混煤的煤粉炉可以通过合理调整掺入煤的份额来减少运行中经常遇到 的问题：岩相学和热重法可用于研究混煤的燃烬特性；如果飞狄中可燃物含量 超过1 2 会导致除尘器效率的下降。 在配煤技术方面，国外配煤一般采用仓混式、库混式，带混式或采用炉内 直接混合等形式，目的尚无在煤场集中进行计算机优化配煤的报道。另外，国 外已经出现有关运用计算机指导动力配煤的商业软件。 在国内，已有很多关于动力配煤方面的报道，然而，大多数研究仅仅是煤 质指标的简单加权平均，或仅仅根据煤的发热量和挥发分要求进行简单掺混， 未考虑煤的着火，燃烬，结渣特性和s o ，排放特性。尽管已有大量文献证实混 煤的各种指标与各组分单煤的指标之间的关系非常复杂，具有高度非线性的映 射特征，但长期以来由于受计算技术与能力，实验条件与手段，数学建模和解 决等方面原因的限制，配煤技术只停留在线性迭加的水平上。在国内，由于各 煤矿煤质不均一，不稳定，且各煤矿煤质指标的差异较大，混煤的大多数指标 不具有加和性。因此，在配煤时就不能象国外采用优质煤相配时仅考虑某一个 或少数几个指标，而必须全面考虑混煤的各种煤质指标及燃烧指标。 1 4 2 混煤硫排放特性的国内外研究 配煤理论的研究基石是要掌握混煤特性与各组成单煤性质之间的关系。 在美国、英国等国家，由于燃煤的煤质优良，燃烧特性稳定，其配煤的主要目 的是用于控制电厂锅炉的s o z 排放，因此它对混煤性质的研究主要集中于混煤 的硫排放特性，而研究结果认为：混煤的硫排放是各组成单煤硫含量的加权平 均。这一理论在文章旧儿7 邮等众多文章中均进行了详细阐述。 近年，也有国外学者k a n gsg ，p o h lj 以及r a a s ke 研究认为，如果 以各掺配单煤含硫量加权平均的方法计算混煤s 0 2 的排放量，会在一定程度上 高估s o 。的排放数值，因为燃煤在燃烧过程中生成了一定量的s 0 。，而s 0 ，又会 被飞灰和锅炉灰分沉积物中的碱金属吸收，形成硫酸盐。r a a s ke 在1 9 8 2 年 的实验中指出，英国烟煤在燃烧过程中，飞灰和锅炉灰分沉积物吸收的硫占燃 煤总硫量的1 2 2 8 9 6 。不仅如此，耿分中的钙基也要吸收一定量的硫。1 9 9 4 年 美国学者在文章0 1 中指出：由于美国西部的低硫次烟煤中的含钙量很高( 氧化 钙的含量为3 3 7 6 ，硫的含量为0 3 8 ) ，如果用这种煤与含硫量较高的烟煤 ( 氧化钙含量为6 0 1 ，硫的含量为3 6 7 ) 进行掺配，混煤的s 仉排放量将 随着次烟煤所占比例的增加而减少，当次烟煤的掺配比例为7 0 时，s o ，排放 两仅为掺配单煤加权平均的6 0 。因此，锅炉燃烧中混煤的s 0 ，排放量与各掺 配单煤的含硫量并不呈现一种过去认为的线形关系，其值的大小将取决于燃煤 浙江大擘项士学位论文刘正蓝 优化配煤专家系兢研究与开发 中硫元素存在的形式，挥发分的大小，热解的温度，颗粒的大小，以及灰分中 的硫酸盐等因素，所以加权平均也只能作为定性描述s o 。排放量的一种方法。 6 0 4 0 2 0 图卜1 ：混煤自身脱硫率与钙硫比的变化关系 当然，并不是燃煤钙硫比越大对锅炉运行越有利，相反的是高钙硫比的 燃煤将增加锅炉换热面腐蚀与沾污的趋势，严重影响锅炉运行的经济性和安全 性，而在美国就限制企图利用高钙硫比的澳大利亚褐煤进行动力配煤以达到环 保法要求的做法。另一方面，并不是燃煤中的含钙量越多脱硫效果越显著。k a n g sg 在进行次烟煤和烟煤的动力配煤实验中发现，燃煤的钙硫比为0 5 左右时， 其自身的脱硫效果最大( 图1 1 ) 。如果继续增加钙硫比，混煤自身的脱硫率 反而呈下降趋势。 在国内，通常也认为煤中所含硫分全部转化为s 吼，并依此计算混煤燃烧 所排放的s o ：量，但1 9 9 4 年徐通模教授在文章“们中指出：由于煤灰中c a o ，m 9 0 与硫发生化学反应，在一定程度上减少了s 0 ，的排放量，即煤自身具有一定的 脱硫能力。在四角斫i 置直流煤粉实验炉上对神府一东胜( 混煤) 进行的实验结 果表明，燃煤自身脱硫效率约为2 4 3 4 。影响煤狄中c a 0 脱硫的主要因素是c a s 摩尔比，c a o 的存在形式，炉内的火焰温度和停留时间等。此外，炉内的结渣 和积灰也可使部分s o 。转化为固态沉积物。文章给出了燃煤锅炉s o ，的排放量 计算公式为： 式中 c 一= 丝等笋 c s 0 2 ：排烟处浓度，m g m 3 k ：燃煤自身脱硫效率： s ：应用基舍硫量， 浙江大学项士学位论文刘正蓝优化配煤专家系统研究与开发 由于电站锅炉的炉温高达1 4 0 0 以上，除有机硫、黄铁矿易燃烧生成s 0 2 外，煤中的不可燃硫酸盐在碳氢还原性物质共存时，也会分解出s 0 ：。生成的 s 0 ，将全部进入烟气中，其中约有0 5 5 的s o ：会被继续氧化成s o s 。由于煤灰 中碱性氧化物及锅炉器壁的作用，烟气中的部分硫氧化物会被固着下来，因此 存在一个硫排放率的问题。1 9 9 4 年电力部西安热工院的徐正中在文献“”中提 出硫排放系数k e 的概念，定义为燃料中全硫量与烟气中硫排放量的比值，是 计算烟气s 0 2 浓度和实际硫排放量的重要参数。 1 4 3 混煤结渣特性的国内外研究 结渣是一个极为复杂的物理化学过程，它不仅与煤中矿物质结构、组成 及其在炉内的加热过程有关，还与锅炉的设计、运行条件等有关。目前，对于 煤粉锅炉内混煤结渣特性及其预测指标，国外虽研究多年，但至今尚未能达到 准确的科学性，其判定依据依然是大规模的实验数据和经验公式，况且有关混 煤结渣的研究文献并不多见，因此很难了解其具体的研究水平。在国内，自9 0 年代初，浙江大学热能工程研究所和华中理工大学开展了混煤结渣特性的理论 和实验研究，分别提出了以模糊识别和人工神经网络预测混煤结渣特性的全新 方法，并在工程实践中取得了显著的经济效益。 国外研究表明，混煤的一些燃烧行为可以通过各组成单煤的相应特性来 表示，例如，混煤的硫分含量、发热量、灰分等煤质参数可以看作是各组成单 煤相应性质的加权平均，但是混煤的结渣特性却不能以各组成单煤结渣指标的 线形插值进行预测。b a r n e s 在文章 1 2 1 中指出，不结渣的煤种与结渣倾向较高 的煤种进行掺混，并不能减轻混煤的结渣趋势，实验研究证实，这两种单煤不 同的煤粉颗粒大小，分散密度以及元素分布影响了预期的结渣特性，而扶分中 铁的含量是影响混煤结渣特性的控制因素。虽然混煤的结渣特性不能看作是各 组成单煤结渣特性的简单叠加，但它们之间确实存在着某种必然的联系。如果 能洞悉这种联系，就有可能了解混煤结渣的机理，较为准确地预测混煤的结渣 性能。目前，使用最广泛的混煤结渣特性的判别指标应是混煤的灰熔点温度， 即通过建立灰熔点温度与混煤灰成分的线性方程，预测混煤的灰熔点。 在我国，华中理工大学煤燃烧国家重点实验室和浙江大学热能工程研究 所是最早丌展混煤结渣特性研究的单位，至今在混煤结渣机理研究及狄熔点预 测领域取得了令人瞩目的科研成果。由于采用现有的加权平均或经验回归公式 等方法对混煤软化温度预测时效果不太理想，从而直接影响到配煤方案的可靠 性。鉴于神经网络技术有着强大的非线形映射能力，浙江大学的殷春根博士在 混煤燃烧特性的研究中 13 i l 引采用了神经网络技术对混煤软化温度进行建模， 以实现混煤狄分中的多种氧化物到混煤软化温度t ，的非线形映射，并将b p 神 经网络的预测效果与现有的模型做了比较。 国内外普遍采用单一的煤狄结渣特性指标，而单一指标的分辨率较低， 有时其结果与实际结渣程度相矛盾。为此，西安热工所采用美国c e 公司和 b a b c o c k 公司的结渣指数对我国2 4 个电厂入炉煤的结渣指数与现场运行情况 浙江大学项士学位论文刘正蓝 优化配煤专零系境研克与开发 做了对照研究，发现灰熔点型结渣指数的分辨率为5 0 一6 0 9 6 ，而灰成分型结渣 指数的分辨率只有2 0 4 0 。鉴于这种原因，华中理工大学的邱建荣等人在对 混煤结渣实验的单因素主表判别的基础上，综合考虑混煤的t 2 ， s i 0 2 a 1 2 0 3 ，b a 和g 等值，运用模糊数学的方法对煤质的结渣程度进行评判 “。这种方法不仅全面考虑了各种煤质因素对混煤结渣程度的综合影响，而 且考虑了不同指标在不同情况下的重要程度，因而与常规指标相比，其评价更 为全面客观。 目前，国内外实验室中，对特定掺配煤种混煤结渣特性的研究只是定性 地反映了该混煤煤灰中矿物质相互作用的复杂性，至今还没有办法对这种复杂 性进行量化，不仅如此，这种研究并没有考虑锅炉的运行参数，燃烧工况参数， 温度水平以及黄铁矿离析等因素对混煤炉内结渣的影响，从而降低了以实验数 据为基础的混煤结渣判别指数的可靠性。今后，工作重点还应是集中在混煤结 渣机理的研究上，即掌握各矿物质之问的化学物理变化以及这些变化对灰渣沉 积的作用，更为重要的是这些研究成果还需要有向工程应用推广的价值。 1 4 4 混煤煤质特性的国内外研究 发热量和水分含量是评价燃煤质量最重要的两个技术指标。国外研究认 为，混煤的发热量和水分等参数是各组成单煤的相应指标及其掺配比例的线形 叠加。1 9 8 9 年r i l e yjt 在文章“6 1 中分析了各种单煤两两掺配的6 6 个混煤的 发热量，证实了这种关系。虽然混煤的挥发分和灰分可以被认为是各组成单煤 相应指标及其掺配比例的线形叠加，但r i l e y 研究发现，当掺配煤种分属两个 相差较远的煤质等级时，混煤挥发分和灰分的实测值与预测值不同，而且当这 两种燃煤的掺配比例为5 0 ：5 0 时，偏差值达到最大。混煤挥发分的预测偏差 可能与两类煤种在燃烧时相互影响，相互作用有关，因为燃烧过程本身就是一 个复杂的化学反应过程。混煤灰分的预测值高于实测值的原因是燃煤中的硫与 扶分中的矿物质发生化学反应，生成了硫酸盐和硫化物。另外，混煤固定碳的 可加性取决于混煤挥发分、灰分、水分的线形可加性。 国内一般也采用算术平均方法计算混煤的煤质分布数据，算术平均方法 简单方便，在缺乏混煤实验数据的情况下成为理所当然的选择。由于动力配煤 工作的实际需要以及对混煤质量的进一步深入研究的要求，浙江大学热能工程 研究所对混煤的煤质分析数据做了大量的实际测试，并通过混煤的实验数据来 验证算术平均方法的正确与否“。 由于混煤的燃烧特性、煤质特性部表现出强烈的非线形，利用简单的加 权平均方法往往使预测值偏离实测值，而b p 由于自身的缺陷也往往难以达到 理想的预测效果，为此，浙江大学阮伟博士采用k o h o n e n b p 混合神经网络m 1 来建立混煤燃烧特性、煤质特性的预测模型，将其与其它模型相比较，结果表 明：采用这种混合模型的预测值比其他模型的预测值更符合实测值。并将该模 型用于丌发优化配煤专家系统，取得了较好的效果。 浙江大学硕士学位论文刘正蓝 优化配煤专家系统研究与开发 1 5 本论文研究方向 近一二十年以来，计算机技术的飞速发展给许多传统工业的二次发展与腾 飞带来了新的契机。计算机辅助指导下的多元优化洁净配煤技术作为洁净煤技 术中的一种，以其投资低，效果显著，易于实现等原因成为其中最有前途的方 向，具有很好的实际应用前景。洁净优化配煤离不开计算机技术的支持。它从 简单的线性优化方法到比较复杂的非线性优化方法再到全面完备的多元优化洁 净配煤专家系统的发展过程也正是传统煤炭加工技术和现代信息技术成功结合 的一个典例。 计算机洁净优化配煤技术能够发挥巨大的经济、环境，社会效益，根据一 项研究报告预测。在我国，一个年进煤1 5 0 力1 吨，配煤能力为5 0 万吨的中型 煤场年利润可达6 0 0 力- 元，经济效益相当可观。在社会效益方面，洁净优化配 煤可使品种质量不一的煤炭变为适合于工业应用的动力用煤，使煤炭资源的利 用率变大，煤炭供给来源更加丰富；经优化配制的混煤具有着火容易，燃烧效 率高，燃烬率高的优点，节能效果显著( 一般可节能5 1 0 ) 。在环境效益 方面，由于优化配煤综合考虑了混煤的各种指标，包括硫的排放率，可有效地 抑制硫的排放，每年减少s 0 ：排放1 4 0 0 0 吨，可有效减轻环境污染，保护生态 平衡，改善居民生活条件。 由浙江大学热能工程研究所研制开发的多元优化洁净配煤专家系统系国家 “八五”重点公关项目，已应用于杭州煤场，指导现场配煤生产，取得较好的 反应【”i 。 本论文的研究内容主要有两个部分： 1 基于人工智能的优化配煤专家系统的丌发 浙江大学热能工程研究所在1 9 9 5 年丌始承担国家“八五”计划公关项目 催化洁净煤燃烧及优化配煤技术研究( 8 5 2 0 2 2 0 0 1 ) ，通过多年的努力， 对混煤特性的非线形规律进行了深入的研究，并采用人工神经网络技术对混煤 特性进行了描述，创新性地发展了多元优化配煤理论与技术，在此期自j 浙江大 学热能工程研究所与浙江省煤炭总公司合作，成功开发了洁净优化配煤专家系 统，在杭州煤场3 0 0 万吨年配煤生产线上获得应用，并于1 9 9 9 年3 月通过了 国家验收。2 0 0 0 年在浙江省煤炭总公司的要求下，浙江大学热能工程研究所 对该专家系统的配煤精度及功能进行了扩充，投入杭州煤场使用并再次通过国 家验收。 这部分的内容主要包括： 鉴于混煤特性与各组成单煤相应特性之问高度的非线形关系，本文以 杭州煤场常用的1 5 单煤及其混煤实验数据和| j 人经验相结合的方 法，总结出混煤特性指标的数学模型，并将其应用于配煤系统。 以f o r t m 语言为工具，建立基于专家系统的优化配煤系统，采用爬 山法、穷举搜索法等算法编制核心配煤程序代码。 采用v i s u a lb a s i c 6 0 集成开发环境丌发了基于w i n d o w s 的用户界 浙：；工大学硕士学住论文刘正蓝 优化配堞专家系统研克与开发 面，以实现友好的人机交互界面。采用a c c e s s 数据库作为用户界面 和核心代码之间数据流的“中转站”，以及作为保存永久数据的管理 系统。 2 电厂优化配煤专家系统的研究与开发 电厂燃用煤的质量直接关系到锅炉运行的安全，传统的根据人工目测， 操作人员经验来实施配煤的方法带来极大的不准确性，直接威胁电厂的安全运 行。电厂由于其自身的特殊性，造成其配煤目标以及配煤模型的独特性。本文 针对电厂的实际情况，建立了电厂多目标机会约束优化配煤模型。 这一部分的主要内容包括： 根据电厂运行安全性、经济性等要求，建立多目标机会约束规划配煤 模型，将煤质特性和燃烧特性的波动约束在允许的范围之内，并将机 会约束方程转化为某一类的确定性方程进行求解。 针对戚墅堰电厂配煤地沟燃煤流动的复杂性，本文将在实验模拟的基 础上提出戚墅堰地沟燃煤流动模型，以应用于优化配煤专家系统。 以c + + 语言实现优化配煤专家系统的核心代码。 以v i s u a lc + + 6 0 集成开发环境丌发该系统的用户界面，并以功能强 大的m ss q ls e r v e r 7 0 作为后台数据库管理系统。 本文研究方向为在现有配煤理论技术基础上，基于非线性优化原理综合运 用人工智能神经网络、模糊数学、混合变量优化求解等现代数学方法，着重研 究混煤的煤质特性( 如工业分析、发热量等) 和燃烧特性( 如扶成分分析、着 火温度、燃烬特性、结渣特性等) ，确定配煤中各单煤配比，并结合火电厂以 及煤场的实际情况，研制开发出分别适宜电厂和煤场应用的优化配煤专家系 统。 实际上，能否根据各组分单煤的煤质指标准确取得混煤的煤质特性和燃 烧特性指标已成为配煤技术成败的关键，现代数学在人工智能神经网络、模糊 数学、混合变量最优化求解等方面取得的突破性进展给问题的解决带来了新的 方法，而计算机技术的飞速发展又能问题的解决提供了便利的条件，综合运用 这些方法和手段，可以得到令人满意的基于混煤自身特点的各项指标预测结 果，从而使得建立在非线性方法基础上的优化配煤专家系统能够得以实现。 参考文献： 【1 】中国能源统计年鉴1 9 9 1 ，中国能源n o 8 ，1 9 9 3 2 】施圣康电站劣质煤燃烧技术现状与发展方向初探电力情报1 9 9 2 ，n o2 f 3 】章名耀动力工程v 0 1 1 4 n o 21 9 9 4 4 】中国统计年鉴1 9 9 4 ) ) 中国统计出版社1 9 9 4 ，1 1 【5 陈鹏动力配煤技术基础煤炭学报1 9 9 72 2 ( 5 ) 一4 4 9 4 5 4 【6 p a u lsb a u r “c o n t r o lc o a lq u a l i t yt h r o u g h b l e n d i n g ”f u e l sa n df u e lh a n d l i n e 1 9 8 l ，( 3 ) ：5 2 5 5 【7 】j