基于燃料全過程的在線配煤摻燒系統(tǒng)

蒙 毅，趙 越，李仁義，黃廷輝，王 毅

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基于燃料全過程的在線配煤摻燒系統(tǒng)

蒙 毅，趙 越，李仁義，黃廷輝，王 毅

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

本文在現(xiàn)有燃料信息化管理平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了以廣義配煤摻燒技術(shù)為核心，集燃料計(jì)劃、入廠、場(chǎng)存、堆取、配煤、摻燒、優(yōu)化運(yùn)行與達(dá)標(biāo)排放為一體的模塊化、商業(yè)化在線配煤摻燒系統(tǒng)軟件，該軟件包括配煤摻燒預(yù)測(cè)模塊、燃料配煤管理模塊、摻燒方案評(píng)估模塊、來煤堆煤建議模塊、購煤建議管理模塊等，可以長期、實(shí)時(shí)地指導(dǎo)電廠進(jìn)行科學(xué)的煤炭摻燒管理。該系統(tǒng)軟件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，可為發(fā)電企業(yè)提供科學(xué)的評(píng)估與決策平臺(tái)。

配煤摻燒；在線配煤；摻燒方案；摻燒預(yù)測(cè)；燃煤采購；應(yīng)用軟件；模塊化

我國煤炭資源分布不均、種類繁多?；鹆Πl(fā)電企業(yè)為了保障生產(chǎn)或提高經(jīng)營效益，往往被動(dòng)或主動(dòng)摻燒非設(shè)計(jì)煤。配煤摻燒技術(shù)已成為提高火力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性的重要手段。隨著國家節(jié)能減排政策的進(jìn)一步推進(jìn)，建設(shè)智能、實(shí)時(shí)在線的配煤摻燒決策平臺(tái)，推動(dòng)電廠燃料側(cè)的信息集成與智能化，實(shí)現(xiàn)配煤摻燒的精細(xì)化管理，已經(jīng)成為每一個(gè)火力發(fā)電廠的迫切要求[1–3]。

目前國內(nèi)已開展了較多的優(yōu)化配煤算法研究，并取得了一定成果[4–7]，但大多研究成果未被應(yīng)用在電廠實(shí)際生產(chǎn)過程中。電廠在配煤過程中一般僅控制混煤的發(fā)熱量、水分、灰分、揮發(fā)分、硫分等幾種參數(shù)，使其盡可能達(dá)到設(shè)計(jì)值或目標(biāo)值來滿足燃燒要求[8–10]。這種配煤方式主要通過簡(jiǎn)單計(jì)算即可給出摻配方案，對(duì)摻燒運(yùn)行有一定指導(dǎo)作用，但考慮的影響因素較少，不能從根本上保證混煤的適用性，容易導(dǎo)致安全生產(chǎn)隱患和環(huán)保排放超標(biāo)，并且經(jīng)濟(jì)性較差[11–14]。因此亟需研發(fā)一套科學(xué)有效、功能齊全、操作簡(jiǎn)單的軟件系統(tǒng)用于指導(dǎo)電廠配煤摻燒運(yùn)行，達(dá)到縮短配煤時(shí)間，降低運(yùn)行人員工作強(qiáng)度等目的。

本文基于燃料全過程管理系統(tǒng)，在以往配煤摻燒研究基礎(chǔ)上，結(jié)合廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS），以廣義配煤摻燒技術(shù)為核心，研發(fā)了涵蓋購煤、堆煤、配煤、上煤、燃燒、排放等燃料全過程的模塊化、商業(yè)化在線配煤摻燒系統(tǒng)軟件。該軟件以鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)、來煤信息、負(fù)荷分布、煤場(chǎng)庫存、歷史摻配評(píng)價(jià)、設(shè)備運(yùn)行工況等條件預(yù)測(cè)滿足機(jī)組安全性、環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性的最佳摻配方案，并獲取SIS監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)實(shí)際摻燒情況進(jìn)行在線評(píng)估，跟蹤摻配執(zhí)行效果并反饋優(yōu)化摻配模型，同時(shí)指導(dǎo)燃料采購、堆存，實(shí)現(xiàn)配煤摻燒的閉環(huán)管理。

1 廣義配煤摻燒技術(shù)

廣義配煤摻燒技術(shù)是在傳統(tǒng)配煤摻燒技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合電廠燃料全過程管理與運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，研究配煤摻燒與燃料全過程管理的關(guān)鍵影響因素及其優(yōu)化模型。圖1為廣義配煤摻燒技術(shù)管理流程。

圖1 廣義配煤摻燒技術(shù)管理流程

廣義配煤摻燒技術(shù)具體業(yè)務(wù)流程如下。

1）購煤 依據(jù)煤炭市場(chǎng)信息及當(dāng)前庫存情況等，通過煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫、配煤摻燒預(yù)測(cè)平臺(tái)及摻燒經(jīng)驗(yàn)庫進(jìn)行優(yōu)化決策，在保障機(jī)組安全環(huán)保運(yùn)行的基礎(chǔ)上，給出最經(jīng)濟(jì)購煤方案。

2）堆煤 根據(jù)采購的煤源結(jié)構(gòu)和已制定的配煤摻燒方案，依據(jù)配煤摻燒條件（配煤設(shè)備及配煤方式）對(duì)煤場(chǎng)每個(gè)區(qū)域堆放的煤種進(jìn)行規(guī)劃與統(tǒng)籌分配，制定來煤堆放方案。在堆煤方案的基礎(chǔ)上，對(duì)每班來煤批次，依據(jù)來煤類別、當(dāng)前庫存信息，給出入廠每批次煤的具體堆放位置。

3）配煤與燃燒 在煤種范圍及不同摻燒方式（預(yù)混、分磨等）、不同比例摻燒及邊界條件下，進(jìn)行燃燒效果尋優(yōu)匹配計(jì)算，給出最優(yōu)配煤方案及摻燒運(yùn)行建議，指導(dǎo)電廠配煤摻燒管理，并實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析選定摻燒工況運(yùn)行數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)摻燒效果。

4）上煤 根據(jù)摻燒方案、煤場(chǎng)庫存結(jié)構(gòu)及上煤設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，制定每班上煤建議，包括判斷摻燒方案所需燃煤在煤場(chǎng)的存煤、堆放量、堆放段位及斗輪機(jī)、輸煤皮帶等取煤設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)是否可以滿足，如果滿足則給出具體的上煤煤種、煤量及取煤位置、次序等信息，如果不滿足則給出相應(yīng)的警告提示。

5）排放 通過監(jiān)測(cè)SO2、NO與粉塵等運(yùn)行數(shù)據(jù)及環(huán)保設(shè)備運(yùn)行狀況，判斷摻燒方案的環(huán)保性。

2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在線配煤摻燒系統(tǒng)基于B/S結(jié)構(gòu)，以廣義配煤摻燒技術(shù)為核心，并與燃料全過程管理系統(tǒng)、廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)和中國動(dòng)力用煤數(shù)據(jù)庫[15]建立接口，以獲得相關(guān)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的外圍支撐。系統(tǒng)主要包括配煤摻燒預(yù)測(cè)模塊、燃料配煤管理模塊、摻燒方案評(píng)估模塊、來煤堆煤建議模塊與購煤建議管理模塊。圖2為在線配煤摻燒系統(tǒng)主模塊邏輯關(guān)系。

圖2 在線配煤摻燒系統(tǒng)主模塊邏輯關(guān)系

系統(tǒng)選取TDMP（TPRI development manager platform）作為前端應(yīng)用開發(fā)框架，后臺(tái)采用計(jì)算站程序和測(cè)點(diǎn)服務(wù)作為服務(wù)支撐。前端主要通過TDMP平臺(tái)調(diào)用配煤摻燒數(shù)據(jù)庫進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)方案及預(yù)測(cè)結(jié)果等信息的展示。TDMP對(duì)計(jì)算站程序調(diào)用進(jìn)行煤質(zhì)匹配和請(qǐng)求預(yù)測(cè)，對(duì)測(cè)點(diǎn)服務(wù)調(diào)用顯示趨勢(shì)圖和獲取數(shù)據(jù)的超限信息。

軟件系統(tǒng)和外部燃料系統(tǒng)需要集成，在頁面上，外部燃料系統(tǒng)通過httplink打開配煤摻燒頁面，并通過JavaScript（JS）調(diào)用傳遞參數(shù)；在數(shù)據(jù)層，配煤摻燒通過訪問燃料系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫獲得煤場(chǎng)動(dòng)態(tài)及煤質(zhì)信息，將煤場(chǎng)信息加入摻燒方案。

系統(tǒng)Web端通過統(tǒng)一信息管理平臺(tái)由TDMP集成開發(fā)平臺(tái)開發(fā)構(gòu)建。整個(gè)平臺(tái)分為獨(dú)立運(yùn)行的服務(wù)端和開發(fā)管理客戶端，其中服務(wù)端單獨(dú)部署，作為業(yè)務(wù)處理的唯一引擎；開發(fā)管理客戶端面向開發(fā)及后期管理人員，在可視化操作界面對(duì)服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)修改，服務(wù)端的運(yùn)行不依賴開發(fā)管理客戶端。Web應(yīng)用端系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 Web應(yīng)用端系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的可靈活配置、松耦合、可重用性以及可維護(hù)性，服務(wù)器端的架構(gòu)采用面向組件的業(yè)務(wù)流程組裝模式，將數(shù)據(jù)的顯示、視圖渲染以及事件的處理交由客戶端MVC架構(gòu)[16]的JavaScript組件來完成，瀏覽器與服務(wù)器端采用面向純業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的開發(fā)模式。圖4為在線配煤摻燒系統(tǒng)整體部署。

圖4 在線配煤摻燒系統(tǒng)整體部署

3 軟件模塊功能

3.1 配煤摻燒預(yù)測(cè)模塊

該模塊是系統(tǒng)的核心模塊，通過預(yù)測(cè)配煤摻燒效果，優(yōu)選最佳配煤方案，為燃煤配購提供簡(jiǎn)便、科學(xué)的決策依據(jù)。

配煤預(yù)測(cè)計(jì)算是復(fù)雜且龐大的決策過程，對(duì)所有配煤比例方案進(jìn)行判斷。凡是不符合安全性與環(huán)保性的方案均判定為不可行方案；對(duì)存在較小問題，如燃燒穩(wěn)定性一般、機(jī)組帶負(fù)荷能力較差、混煤磨損性高的方案判定為基本可行方案；對(duì)無任何問題的方案判定為推薦方案，并在推薦方案中選擇發(fā)電成本最低的方案為最佳方案。

圖5 動(dòng)力配煤摻燒決策流程

摻燒尋優(yōu)計(jì)算各類模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性取決于對(duì)實(shí)際鍋爐運(yùn)行性能及混煤特性的精確掌握。本系統(tǒng)主要尋優(yōu)計(jì)算子模塊如下。

1）混煤煤質(zhì)計(jì)算 混煤的常規(guī)煤質(zhì)分析指標(biāo)中，元素分析、揮發(fā)分、灰分、水分、硫分以及發(fā)熱量等數(shù)據(jù)均為線性關(guān)系；煤灰成分與灰熔點(diǎn)（原則上應(yīng)通過試驗(yàn)確定）指標(biāo)與混煤比例不直接呈算術(shù)平均的線性關(guān)系，需要通過與灰分相關(guān)的加權(quán)平均求得。

混煤的煤粉著火溫度、燃盡率與結(jié)渣特性指數(shù)，以及飛灰比電阻、磨損特性等均應(yīng)通過試驗(yàn)確定，或者采用非線性關(guān)系處理，其關(guān)系式通過大量數(shù)據(jù)處理得出。

2）制粉系統(tǒng)運(yùn)行性能預(yù)測(cè) 主要依據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》（DL/T5145—2002）進(jìn)行磨煤機(jī)出力計(jì)算（包括研磨出力與干燥出力）、磨煤機(jī)研磨件壽命預(yù)測(cè)，以及推薦混煤煤粉細(xì)度、磨煤機(jī)出口溫度等。

3）爐內(nèi)燃燒與結(jié)渣趨勢(shì)預(yù)測(cè) 分別用最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷率min、碳未完全燃燒熱損失4，以及爐內(nèi)結(jié)渣指數(shù)u來預(yù)測(cè)爐內(nèi)著火穩(wěn)定性、燃盡性及結(jié)渣性。預(yù)測(cè)模型如下：

式中：IT為煤粉氣流著火溫度，℃；net,ad為混煤的空氣干燥基低位發(fā)熱量，MJ/kg；F、V分別為鍋爐設(shè)計(jì)爐膛斷面熱負(fù)荷與容積熱負(fù)荷，kW/m2，MW/m3；為摻燒方式（預(yù)混、分磨）；RI為煤粉熱重反應(yīng)指數(shù)，℃；p為煤粉一維爐燃盡率，%；c為煤樣的一維爐結(jié)渣指數(shù)。

4）鍋爐主要輔機(jī)出力適應(yīng)性預(yù)測(cè) 分別計(jì)算燃燒風(fēng)量、灰渣量等，預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)、撈渣機(jī)等主要鍋爐輔機(jī)對(duì)變更煤種的適應(yīng)性。

5）污染物排放及環(huán)保系統(tǒng)適應(yīng)性預(yù)測(cè) 計(jì)算摻燒后NO與SO2生成量，預(yù)測(cè)脫硝與脫硫系統(tǒng)的處理能力是否達(dá)標(biāo)。

式中：ar、t,ar、daf分別為混煤的氮元素、硫元素、揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；H為負(fù)荷修正值；O2為運(yùn)行氧量修正值；為鍋爐修正值，按計(jì)算值與實(shí)際值差距進(jìn)行修正；s為燃煤的自脫硫效率，%。

6）電廠摻燒經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè) 摻燒的經(jīng)濟(jì)性主要分為兩方面，其一為固有經(jīng)濟(jì)性，指由于成本或煤價(jià)變化而引起電廠經(jīng)濟(jì)效益的變化，由各單一煤煤價(jià)按比例加權(quán)平均求得；其二為運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，指由于摻燒后鍋爐效率、輔機(jī)電耗（廠用電率）乃至環(huán)保成本等的變化所導(dǎo)致的機(jī)組度電成本變化。

3.2 燃料配煤管理模塊

該模塊用于根據(jù)已有預(yù)測(cè)方案，分析管理創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的摻燒方案，并查看執(zhí)行摻燒方案時(shí)，需要注意的存煤、加倉情況。該模塊包括增加、查詢、修改摻燒方案，查看摻燒方案所用煤種在煤場(chǎng)堆放情況、加倉建議以及歷史加倉記錄。

3.3 摻燒方案評(píng)估模塊

該模塊以電廠SIS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)正在執(zhí)行的實(shí)際摻燒工況進(jìn)行在線評(píng)估，跟蹤摻燒執(zhí)行效果并反饋優(yōu)化摻配模型，進(jìn)一步完善配煤摻燒方案，實(shí)現(xiàn)摻燒的閉環(huán)管理，最終形成開放性的配煤摻燒經(jīng)驗(yàn)庫。圖6為在線配煤摻燒方案評(píng)估流程。

圖6 在線配煤摻燒方案評(píng)估流程

3.4 來煤堆煤建議模塊

該模塊根據(jù)采購的煤源結(jié)構(gòu)（購煤計(jì)劃）和已制定的配煤摻燒方案，再依據(jù)配煤摻燒條件（配煤設(shè)備及配煤方式）對(duì)煤場(chǎng)（或配煤筒倉）區(qū)域劃分及每個(gè)區(qū)域堆放的煤種進(jìn)行規(guī)劃與統(tǒng)籌分配，制定來煤堆放方案。在堆煤方案的基礎(chǔ)上，對(duì)每班來煤批次，依據(jù)來煤類別、當(dāng)前庫存信息，給出每批次煤具體堆放位置，形成來煤堆放建議。

3.5 購煤建議管理模塊

該模塊依據(jù)煤炭市場(chǎng)信息、機(jī)組適應(yīng)煤種、經(jīng)濟(jì)煤種、必購煤種及當(dāng)前庫存情況等信息，通過煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫、配煤摻燒預(yù)測(cè)平臺(tái)及摻燒經(jīng)驗(yàn)庫進(jìn)行優(yōu)化決策，在保障機(jī)組安全環(huán)保運(yùn)行的基礎(chǔ)上，給出最經(jīng)濟(jì)購煤方案。

4 應(yīng)用示例

本文系統(tǒng)已在某電廠（HNSA）實(shí)際應(yīng)用。系統(tǒng)綜合考慮了該電廠燃煤結(jié)構(gòu)、配煤條件、鍋爐設(shè)計(jì)及改造參數(shù)及燃料信息，通過廠方燃料系統(tǒng)的接口獲取煤場(chǎng)庫存煤信息、入廠來煤信息和上煤加倉信息，以配煤摻燒預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ)生成最優(yōu)摻配方案，并從SIS獲取穩(wěn)定工況數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際摻燒情況進(jìn)行配煤摻燒評(píng)價(jià)，形成開放的配煤摻燒經(jīng)驗(yàn)庫，實(shí)現(xiàn)配煤摻燒決策系統(tǒng)的閉環(huán)管理。在此基礎(chǔ)上對(duì)電廠購煤、堆煤、配煤及上煤形成科學(xué)指導(dǎo)。

圖7為配煤參燒方案界面。系統(tǒng)通過調(diào)用負(fù)荷計(jì)劃自動(dòng)配置相應(yīng)的入爐控制參數(shù)，然后調(diào)用采購合同計(jì)劃與煤場(chǎng)信息，再根據(jù)配置好的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)與燃料參數(shù)，調(diào)用后臺(tái)程序進(jìn)行全局尋優(yōu)，尋優(yōu)得各機(jī)組的摻配比例、摻燒可行性與摻燒經(jīng)驗(yàn)。

圖7 配煤摻燒方案界面

圖8為筒倉加倉方案界面。系統(tǒng)根據(jù)配煤摻燒方案及煤場(chǎng)庫存煤質(zhì)結(jié)構(gòu)，制定每日的筒倉加倉方案。該模塊自動(dòng)調(diào)用筒倉目標(biāo)值與煤場(chǎng)存煤信息，之后調(diào)用配煤摻燒預(yù)測(cè)后臺(tái)程序進(jìn)行加倉尋優(yōu)，并排除不滿足取煤設(shè)備運(yùn)行條件的情況，獲得每個(gè)配煤筒倉的可選方案，可選方案可通過混煤價(jià)格、熱值、硫分等因素排序，最后形成筒倉加倉方案。

圖8 筒倉加倉方案界面

圖9為來煤堆放方案界面。系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)日來煤信息及煤場(chǎng)堆放規(guī)則，制定每批次的來煤堆放方案。該模塊自動(dòng)調(diào)用電廠燃料系統(tǒng)的來煤信息，通過系統(tǒng)計(jì)算獲得來煤堆放方案，提供具體的堆放區(qū)域，可堆放量與余量。

圖9 來煤堆放方案界面

5 結(jié) 語

本文根據(jù)廣義配煤摻燒的關(guān)鍵技術(shù)，基于燃料全過程開發(fā)了集燃料計(jì)劃、入廠、場(chǎng)存、堆取、配煤、摻燒、優(yōu)化運(yùn)行與排放達(dá)標(biāo)為一體的模塊化、商業(yè)化的在線配煤摻燒系統(tǒng)軟件。

該軟件系統(tǒng)包括配煤摻燒預(yù)測(cè)、燃料配煤管理、摻燒方案評(píng)估、來煤堆煤建議、購煤建議管理等業(yè)務(wù)模塊。該系統(tǒng)通過鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)、來煤信息、負(fù)荷分布、煤場(chǎng)庫存、歷史摻配評(píng)價(jià)、設(shè)備運(yùn)行工況等條件預(yù)測(cè)滿足安全、環(huán)保與經(jīng)濟(jì)的最佳燃煤摻配方案，并獲取SIS監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)實(shí)際摻燒情況在線評(píng)估，跟蹤摻配執(zhí)行效果并反饋優(yōu)化摻配模型，同時(shí)指導(dǎo)燃料采購、存堆，實(shí)現(xiàn)了摻燒的閉環(huán)管理。

該軟件為火力發(fā)電企業(yè)提供了一個(gè)以燃料智能化、信息化管理為基礎(chǔ)的配煤摻燒管理與決策平臺(tái)。能夠長期科學(xué)指導(dǎo)電廠配煤摻燒管理工作，確保鍋爐及其輔機(jī)設(shè)備的長期安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，推動(dòng)電廠燃料側(cè)的信息集成與智能化。

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Online coal blending and combustion system based on the whole process management of fuel

MENG Yi, ZHAO Yue, LI Renyi, HUANG Tinghui, WANG Yi

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

On the basis of existing platform of fuel information management, a modular and commercialized software named“online coal blending and combustion system” is developed with a core of generalized coal blending and combustion technology, which includes fuel planning, induction, stock yard, stocking and reclaiming, coal blending, combustion, optimizing operation and standard emission. This system consists of five parts: prediction of coal blending, management of coal blending, scheme evaluation of coal blending, suggestion of coal piling and suggestion of coal purchase. It can regularly guide thermal power plants to blend coal in real time with a scientific management. This system has recently been commercialized, which provides a scientific platform of evaluation and decision for thermal power plants to realize energy conservation and emission reduction at fuel side.

coal blending and combustion, online coal blending, scheme of coal blending, prediction of coal blending, coal purchase, application software, modularization

TK229.6；TP311.5

B

10.19666/j.rlfd.201903027

蒙毅, 趙越, 李仁義, 等. 基于燃料全過程的在線配煤摻燒系統(tǒng)[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(6): 128-133. MENG Yi, ZHAO Yue, LI Renyi, et al. Online coal blending and combustion system based on the whole process management of fuel[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 128-133.

2019-03-01

蒙毅(1973—)，男，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)殄仩t爐膛與設(shè)備選型、配煤摻燒技術(shù)，mengyi@tpri.com.cn。

（責(zé)任編輯 杜亞勤）