燃煤電廠精確配煤工藝智能控制應(yīng)用研究

錢震峰，王奇，陸衛(wèi)元，江學(xué)文，金凌

（1.江蘇常熟發(fā)電有限公司，江蘇 蘇州 215536；2.杭州集益科技有限公司，浙江 杭州 311200）

燃料費(fèi)用在燃煤發(fā)電廠經(jīng)營(yíng)成本中占60%～70%的比例，燃煤對(duì)電廠機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)環(huán)保運(yùn)行和電廠經(jīng)營(yíng)有著舉足輕重的影響。長(zhǎng)期以來，由于煤炭生產(chǎn)和調(diào)運(yùn)的問題，加上季節(jié)性影響等因素，我國(guó)電煤供需矛盾較為突出，使得眾多燃煤電廠的燃燒煤種煤質(zhì)不穩(wěn)定且偏離設(shè)計(jì)值，影響了機(jī)組運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性。因此配煤摻燒技術(shù)是解決火電廠燃煤供應(yīng)緊張、煤種復(fù)雜多變、運(yùn)行性能欠佳的關(guān)鍵解決方案。國(guó)內(nèi)外對(duì)混配煤的煤質(zhì)特性和燃燒特性進(jìn)行了廣泛的研究。研究表明，配煤的水分Mad、灰分Aad、硫分St,ad、熱值Qnet,ar具有線性可加性，而Vdaf、ST、HGI一般不具線性可加性?；炫涿喝紵匦裕ㄖ鹛匦?、燃盡特性）呈非線性特性。電廠配煤常用線性關(guān)系模型，對(duì)非線性特性指標(biāo)，則利用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能配煤算法建立配煤模型。

配煤工藝主要有：（1）分倉(cāng)入爐，爐內(nèi)混配（燒）；（2）倉(cāng)混式；（3）床混式；（4）帶混式。

國(guó)內(nèi)配煤主要在選煤廠、煤炭碼頭，利用大型儲(chǔ)煤場(chǎng)、筒倉(cāng)群、儲(chǔ)煤溝、儲(chǔ)煤斗等實(shí)施配煤工藝。在火電廠，倉(cāng)混式配煤工藝需要投資建設(shè)配煤倉(cāng)，投資較大，且需要場(chǎng)地空間；床混式缺乏對(duì)煤質(zhì)變化的應(yīng)對(duì)能力；帶混式的工藝較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境差，手工作業(yè)時(shí)配煤精度難以控制。分倉(cāng)入爐爐內(nèi)混配的方式在電廠較為普遍。

本文利用電廠斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)盤煤系統(tǒng)技術(shù)改造，建立數(shù)字化煤場(chǎng)，研究輸煤和配煤運(yùn)行智能管控，實(shí)現(xiàn)融合爐內(nèi)混配和帶混式的精確配煤工藝。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)盤煤系統(tǒng)、智能運(yùn)行管控系統(tǒng)三部分組成。

斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)的全自動(dòng)定位、堆煤、取煤等作業(yè)，同時(shí)完成對(duì)煤堆輪廓掃描，掃描數(shù)據(jù)送至實(shí)時(shí)盤煤系統(tǒng)，其他控制相關(guān)信息與智能運(yùn)行管控系統(tǒng)通信。

實(shí)時(shí)盤煤系統(tǒng)利用三維建模技術(shù)，建立煤堆三維模型，結(jié)合智能運(yùn)行管控系統(tǒng)的煤信息（煤ID、煤堆編號(hào)、煤質(zhì)、堆積密度等）進(jìn)行煤量計(jì)算，堆煤的幾何數(shù)據(jù)送至智能運(yùn)行管控系統(tǒng)，作為對(duì)斗輪機(jī)全自動(dòng)控制的輸入。

智能運(yùn)行管控系統(tǒng)，建立數(shù)字化煤場(chǎng)，按照堆場(chǎng)運(yùn)行和配煤規(guī)則，智能制定堆煤、配煤和取煤策略，并生成控制指令，送至斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

圖2 斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)

在斗輪機(jī)相關(guān)部位安裝檢測(cè)、掃描、定位、校準(zhǔn)、安全保護(hù)、高清視頻監(jiān)視等裝置，信號(hào)接入全自動(dòng)控制PLC，后者計(jì)算得出定位、堆料、取料、分流等作業(yè)指令，斗輪機(jī)PLC接受作業(yè)指令后完成實(shí)際的控制指令執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)的全自動(dòng)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，具備如下功能。

（1）全自動(dòng)定位。系統(tǒng)全自動(dòng)定位作業(yè)目標(biāo)位置，通過檢測(cè)和計(jì)算當(dāng)前大車位置及懸臂姿態(tài)角度，自動(dòng)控制斗輪機(jī)動(dòng)作。定位到位后，系統(tǒng)可以全自動(dòng)啟動(dòng)各輔助機(jī)構(gòu)。

（2）全自動(dòng)取料。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)取料功能：①大平層取料；②分段取料；③推底煤取料；④雨季邊坡開槽取料，各種取料模式適用于不同的煤場(chǎng)情況。

（3）恒流量取料控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全過程取料恒流控制，根據(jù)流量設(shè)定值，自動(dòng)調(diào)整取料回轉(zhuǎn)速度，通過PLC內(nèi)部的PID閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)恒流量控制，流量波動(dòng)小于±10%。

（4）全自動(dòng)堆料。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能堆料，堆料內(nèi)外角度及堆料高度等參數(shù)可以通過上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置，初始堆料階段，懸臂處于較低位置，減少揚(yáng)塵。

（5）全自動(dòng)分流。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分流，通過對(duì)流量檢測(cè)以及分流裝置的無級(jí)控制，使進(jìn)倉(cāng)流量滿足配煤的要求，提高分流效率，降低輸煤能耗。

3 實(shí)時(shí)盤煤系統(tǒng)

利用斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)的煤垛檢測(cè)裝置，在斗輪機(jī)堆取料作業(yè)時(shí)，實(shí)時(shí)掃描煤堆的輪廓，通過盤煤服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和建模，實(shí)現(xiàn)煤堆的三維模型在線呈現(xiàn)。

（1）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪及位置標(biāo)定：系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，使用便攜式定位儀測(cè)繪，包括標(biāo)定煤場(chǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)、底層高程等，測(cè)量斗輪機(jī)外形尺寸（懸臂長(zhǎng)度、回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)、俯仰支點(diǎn)高度等）以及左右煤垛檢測(cè)裝置的安裝位置和激光掃描方向測(cè)量，作為三維建模的基礎(chǔ)配置數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理及建模：實(shí)時(shí)盤煤系統(tǒng)軟件對(duì)煤垛檢測(cè)裝置的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，主動(dòng)剔除廢點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合當(dāng)前PLC控制系統(tǒng)的斗輪機(jī)姿態(tài)（大車位置及懸臂俯仰/回轉(zhuǎn)角度）、作業(yè)模式（堆料、取料、分流）和懸臂皮帶的運(yùn)轉(zhuǎn)方向等信息進(jìn)行三維建模。實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)結(jié)合自動(dòng)化信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)煤場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)替換，生成新的實(shí)時(shí)煤場(chǎng)三維模型。

圖3 單煤場(chǎng)三維模型圖

圖4 全煤場(chǎng)三維動(dòng)態(tài)展示圖

（3）三維煤場(chǎng)模型：實(shí)時(shí)盤煤系統(tǒng)軟件按照分層取料高度，計(jì)算各層的包圍線和起止取料位置；計(jì)算各煤堆體積（m3），關(guān)聯(lián)煤堆煤種堆積密度，計(jì)算煤堆煤量。三維煤場(chǎng)模型數(shù)據(jù)在斗輪機(jī)堆取料作業(yè)后動(dòng)態(tài)自動(dòng)生成，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸送至智能運(yùn)行管控系統(tǒng)（如圖4）。

4 智能運(yùn)行管控系統(tǒng)

智能化管控軟件，根據(jù)煤場(chǎng)存煤情況和上倉(cāng)的煤質(zhì)要求等，自動(dòng)分析并計(jì)算出優(yōu)化的堆煤、上倉(cāng)和配煤策略，指導(dǎo)運(yùn)行人員合理高效地操作。軟件部署在電廠的一區(qū)控制安全區(qū)，與輸煤程控、斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)同屬一個(gè)安全區(qū)，與全自動(dòng)控制系統(tǒng)及實(shí)時(shí)盤煤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫數(shù)據(jù)連接。軟件根據(jù)運(yùn)行約束規(guī)則、上倉(cāng)煤質(zhì)要求、船運(yùn)來煤的煤種、煤質(zhì)和煤量等數(shù)據(jù)輸入，以及實(shí)時(shí)盤煤數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能化數(shù)據(jù)分析和一鍵式計(jì)算，得出優(yōu)化的堆取煤運(yùn)行指導(dǎo)策略，并自動(dòng)生成斗輪機(jī)全自動(dòng)作業(yè)控制指令。

（1）數(shù)字化煤場(chǎng)。建立一個(gè)數(shù)字化煤場(chǎng)，根據(jù)煤的批次（不同煤質(zhì)參數(shù)）自動(dòng)生成煤ID，煤種、煤質(zhì)、堆積密度等信息由人工錄入和維護(hù)。煤ID在自動(dòng)堆煤過程中由實(shí)時(shí)盤煤系統(tǒng)關(guān)聯(lián)到煤堆。通過實(shí)時(shí)盤煤系統(tǒng)形成一個(gè)具有煤種、煤質(zhì)、煤量及煤堆幾何位置、堆煤時(shí)間等信息的直觀的圖形化數(shù)字化煤場(chǎng)。煤場(chǎng)上各煤堆的煤種、煤質(zhì)、船運(yùn)號(hào)等數(shù)據(jù)信息由運(yùn)行或燃管人員維護(hù)。通過輸煤程控的接口，獲取輸煤系統(tǒng)的主要設(shè)備工作狀態(tài)，并在數(shù)字化煤場(chǎng)展示。

圖5 數(shù)字化煤場(chǎng)示意圖

圖6 精確配煤控制過程圖

（2）智能堆煤。對(duì)于船運(yùn)來煤，根據(jù)運(yùn)行人員輸入的船運(yùn)來煤的船運(yùn)號(hào)、煤種、煤質(zhì)和煤量，以及系統(tǒng)設(shè)置的堆煤規(guī)則，系統(tǒng)通過內(nèi)部算法，計(jì)算出符合要求的煤堆位置，指導(dǎo)運(yùn)行人員堆煤作業(yè)。①針對(duì)來煤的煤種屬性（人工設(shè)置的經(jīng)濟(jì)煤種、主力煤種、適配煤種、易燃煤種等），系統(tǒng)進(jìn)行入廠調(diào)度，確定來煤的輸送去向，即入場(chǎng)或者入爐。經(jīng)濟(jì)煤種、主力煤種、適配煤種、易燃煤種優(yōu)先入爐，以減少存和取作業(yè)過程，降低輸煤能耗，同時(shí)降低易燃煤種的熱值損失。②在堆煤策略分析時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)搜索合理經(jīng)濟(jì)的空煤場(chǎng)（或可疊堆煤堆）以堆放來煤，并形成工單?？紤]的因素有：空煤場(chǎng)可堆煤量和來煤煤量的分析，以確定分堆與否；主力、經(jīng)濟(jì)、易燃煤種盡量堆放在輸送皮帶路徑短的場(chǎng)地；高熱值、低熱值煤盡量搭配在同一臺(tái)斗輪機(jī)所處的煤場(chǎng)；各煤場(chǎng)存煤量保持均衡，以保證斗輪機(jī)故障時(shí)正常上倉(cāng)；各煤場(chǎng)煤質(zhì)保持均衡，以保證配煤需要；煤質(zhì)相近相鄰堆放；同一種煤盡量不分堆或少分堆。③在來煤直接上倉(cāng)時(shí)，根據(jù)配煤需要，卸煤流量可能大于上倉(cāng)流量。在此情形下，斗輪機(jī)開啟自動(dòng)分流優(yōu)化功能，在保證上倉(cāng)流量的同時(shí)，剩余流量全部入場(chǎng)堆放。

（3）智能配煤。運(yùn)行人員輸入混配煤上倉(cāng)煤質(zhì)參數(shù)目標(biāo)值，包括Qnet，ar、Vdaf、Ad、Mt、Sd等，設(shè)置參與配煤的煤種數(shù)量，選擇主要煤種，系統(tǒng)通過內(nèi)部智能算法，分析煤場(chǎng)各個(gè)煤堆及船運(yùn)來煤的煤質(zhì)參數(shù)和煤量，篩選出合適的配煤方案，滿足混配煤煤質(zhì)目標(biāo)值以及邊界條件。配煤方案包括煤種、煤堆編號(hào)（船運(yùn)號(hào)）及它們之間的煤流量配比，運(yùn)行人員可查看配煤方案的煤質(zhì)參數(shù)預(yù)測(cè)。智能配煤考慮的因素有：現(xiàn)場(chǎng)存煤情況（包括可用來煤）、優(yōu)先上倉(cāng)煤種/煤堆、低負(fù)荷工況時(shí)混配煤熱值下限、經(jīng)濟(jì)和易燃煤種優(yōu)先上倉(cāng)、小存量煤堆（低于限值）優(yōu)先上倉(cāng)、來煤優(yōu)先上倉(cāng)等。系統(tǒng)產(chǎn)生多個(gè)可用配煤方案供運(yùn)行人員結(jié)合實(shí)際條件進(jìn)一步?jīng)Q策。

（4）智能上倉(cāng)。在配煤方案生成后，進(jìn)一步計(jì)算作業(yè)斗輪機(jī)的取煤流量或直接上倉(cāng)的煤流量。根據(jù)取料時(shí)的起始位置至皮帶配煤轉(zhuǎn)運(yùn)樓距離，以及輸煤皮帶的移動(dòng)速度，計(jì)算參與配煤作業(yè)的各斗輪機(jī)（或卸船機(jī)，如果有來煤上倉(cāng)）的開始作業(yè)時(shí)間（相對(duì)時(shí)間），使參與配煤的各個(gè)煤種準(zhǔn)確地同時(shí)到達(dá)配煤轉(zhuǎn)運(yùn)樓。之后形成工單，指導(dǎo)運(yùn)行人員斗輪機(jī)作業(yè)，包括工作模式（取煤、直通、分流）、上倉(cāng)流量、開始作業(yè)相對(duì)時(shí)間等。通過斗輪機(jī)的恒流取煤控制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)煤種的精確流量取煤，最終實(shí)現(xiàn)精確皮帶配煤上倉(cāng)。

5 應(yīng)用

某水運(yùn)燃煤電廠擴(kuò)建工程建設(shè)有2×1050MW超超臨界機(jī)組，設(shè)計(jì)燃用煤種為大同煤，校核煤種為開灤煤和神華煤。機(jī)組燃煤全部采用鐵水聯(lián)運(yùn)方式，建有一個(gè)3.5萬噸級(jí)散貨船泊位卸煤碼頭，卸船機(jī)械設(shè)置2臺(tái)出力為1500t/h的橋式抓斗卸船機(jī)。建有一座四列式煤場(chǎng)，煤場(chǎng)長(zhǎng)368米，寬197米，堆煤底邊寬43.25米，堆高12米，堆積系數(shù)取0.85，堆煤容重0.9t/m3,總貯煤量約為33萬噸，可滿足2×1050MW機(jī)組約20天的耗煤量要求。煤場(chǎng)設(shè)2臺(tái)DQL3600/1500.35懸臂斗輪機(jī)，通過式尾車，機(jī)上設(shè)置分流裝置，堆料能力3600t/h，取料能力為1500t/h，與上煤系統(tǒng)的輸送能力相匹配（如圖7）。

圖7 擴(kuò)建工程輸煤系統(tǒng)圖

該電廠配煤加倉(cāng)方式有2種，一是分倉(cāng)上煤，爐內(nèi)混配；二是皮帶配煤。具體方式有：（1）斗輪機(jī)分段取優(yōu)、劣煤進(jìn)行分倉(cāng)摻加；（2）斗輪機(jī)配合碼頭直通（分流）進(jìn)行優(yōu)、劣煤分倉(cāng)摻加；（3）碼頭直通（或分流），場(chǎng)地取煤混合摻煤；（4）兩臺(tái)斗輪機(jī)場(chǎng)地雙取，混合摻煤。

該電廠入爐煤煤質(zhì)重點(diǎn)指標(biāo)為熱值、硫分、灰分，設(shè)置熱值、硫分、灰分為配煤后的煤質(zhì)約束指標(biāo)。電廠來煤煤種多，煤質(zhì)復(fù)雜，因此采用分倉(cāng)上煤為主，皮帶配煤為輔的配煤工藝。皮帶配煤二個(gè)煤流在經(jīng)過306#、307#皮帶后進(jìn)入T307轉(zhuǎn)運(yùn)站混合，并經(jīng)T308、碎煤機(jī)室、T310等多次翻轉(zhuǎn)混合，配煤較為均勻。

熱值、硫分、灰分具有線性相加特性，因此采用線性加權(quán)法計(jì)算配煤的三個(gè)煤質(zhì)指標(biāo)。

精確配煤工藝的主要控制流程如下（如圖6）：（1）運(yùn)行人員根據(jù)機(jī)組負(fù)荷，輸入鍋爐機(jī)組入爐煤配煤的煤質(zhì)指標(biāo)，包括熱值、硫分、灰分。（2）系統(tǒng)根據(jù)配煤要求指標(biāo)和數(shù)字化煤場(chǎng)信息（煤堆信息和設(shè)備工況等），智能分析來煤（在卸煤）、煤堆取煤的配煤方案。配煤方案除了滿足煤質(zhì)指標(biāo)外，同時(shí)滿足運(yùn)行約束條件，如設(shè)備工況約束、皮帶配煤需經(jīng)不同上倉(cāng)線路、加倉(cāng)煤種熱值按ABCDEF倉(cāng)順序依次遞減（DEF倉(cāng)加高揮發(fā)份煤種）等。一般生成有多個(gè)不同配煤方案。（3）運(yùn)行人員選擇系統(tǒng)生成的一個(gè)配煤方案。系統(tǒng)將自動(dòng)轉(zhuǎn)化為斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行指令和參數(shù)，并傳遞給后者。參數(shù)包括煤堆編號(hào)、取煤起始位置（包括大車位置、懸臂回轉(zhuǎn)俯仰角度）、取煤流量。（4）斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)接收到運(yùn)行指令后，經(jīng)運(yùn)行人員安全確認(rèn)，輸煤上倉(cāng)線設(shè)備進(jìn)入工作就緒狀態(tài)后，斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行取煤任務(wù)。分倉(cāng)單煤種上倉(cāng)煤量控制在1500t/小時(shí)；皮帶配煤按照不同混煤比例控制斗輪機(jī)取煤流量或直通/分流流量，皮帶總煤量控制在1500t/小時(shí)。（5）在上倉(cāng)過程中有在卸煤直通/分流上倉(cāng)時(shí)，通過斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)分流功能，自動(dòng)調(diào)節(jié)分流擋板開度，使直通/分流上倉(cāng)煤量滿足配煤方案要求。

通過系統(tǒng)的實(shí)施，在現(xiàn)有設(shè)備全自動(dòng)改造的基礎(chǔ)上，電廠實(shí)現(xiàn)了精確配煤工藝的智能控制，包括配煤方案生成和全自動(dòng)執(zhí)行。斗輪機(jī)取煤流量自動(dòng)控制和分流自動(dòng)控制，使得上倉(cāng)流量和皮帶配煤配比得到了精確控制。系統(tǒng)顯著提高了電廠配煤的工作效率、配比精確性、運(yùn)行可靠性，增強(qiáng)了發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性，擴(kuò)大了電廠煤種采購(gòu)范圍，對(duì)電廠的經(jīng)濟(jì)效益和企業(yè)經(jīng)營(yíng)有重要作用。

6 結(jié)語

配煤摻燒是解決燃煤電廠燃煤供應(yīng)復(fù)雜形勢(shì)的關(guān)鍵技術(shù)。通過斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)的改造，利用煤堆實(shí)時(shí)盤煤技術(shù)，建立數(shù)字化煤場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)配煤方案和堆取煤作業(yè)的智能控制，提升燃料運(yùn)行的工作效率和可靠性，對(duì)電廠的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行和企業(yè)經(jīng)營(yíng)具有重要意義。