燃煤電廠煤倉(cāng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及其在智能燃料系統(tǒng)中的應(yīng)用

魏勇，江學(xué)文，壽志杰

（杭州集益科技有限公司，浙江 杭州 311200）

長(zhǎng)期以來(lái)，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?；诔晒ρ邪l(fā)的斗輪機(jī)全自動(dòng)集中控制系統(tǒng)，以智能配煤摻燒為目標(biāo)，建立一套具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)管理決策和實(shí)時(shí)執(zhí)行控制的智能燃料實(shí)時(shí)管控系統(tǒng)，對(duì)電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有非常重要的意義。

根據(jù)燃料全程特征碼，利用入爐煤電子皮帶秤、煤倉(cāng)料位計(jì)、給煤機(jī)實(shí)時(shí)給煤流量、犁煤器狀態(tài)等數(shù)據(jù)，采用時(shí)序分析法、周期濾波、數(shù)值差分分析等算法，建立煤倉(cāng)實(shí)時(shí)分層模型，實(shí)時(shí)對(duì)煤倉(cāng)中不同煤種進(jìn)行智能分層，辨識(shí)各煤層的煤位、煤量、煤種和煤質(zhì)等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)燃燒煤煤種煤質(zhì)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)辨識(shí)。該技術(shù)的應(yīng)用為分倉(cāng)計(jì)量、分爐煤耗計(jì)量、分機(jī)組正平衡發(fā)電煤耗分析、智能摻配摻燒的應(yīng)用及今后智能燃燒、智能磨煤機(jī)等智能電廠的建設(shè)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

某廠裝機(jī)容量為4×660MW，每臺(tái)機(jī)組配置6 臺(tái)原煤倉(cāng)，實(shí)行爐內(nèi)摻燒方式。入爐煤電子皮帶秤、煤倉(cāng)料位計(jì)、給煤機(jī)實(shí)時(shí)給煤流量、犁煤器狀態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)已進(jìn)入SIS 系統(tǒng)。因此，本文以智能燃料系統(tǒng)軟件平臺(tái)為背景，說(shuō)明煤倉(cāng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的工作原理及其在智能燃料系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 燃煤全程特征碼模型

燃料特征碼全程跟蹤模型，指為實(shí)時(shí)掌握燃煤動(dòng)態(tài)信息，對(duì)每個(gè)批次的不同煤種生成唯一特征碼；通過(guò)特征碼緊密關(guān)聯(lián)了燃煤的眾多屬性，包括煤種、煤質(zhì)、煤量、位置等。在電廠內(nèi)卸煤、堆煤、上倉(cāng)等過(guò)程中,結(jié)合斗輪機(jī)的空間姿態(tài)、工作模式以及煤堆的三維模型定位等數(shù)據(jù)，對(duì)煤種/煤堆進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，實(shí)現(xiàn)燃料的精細(xì)化管理。燃料特征碼全程跟蹤模型，解決了以往傳統(tǒng)數(shù)字化煤場(chǎng)或智能化煤場(chǎng)解決方案中的感知數(shù)據(jù)（煤量、煤質(zhì)等）與煤實(shí)體（物理狀態(tài)）脫節(jié)，不能有效實(shí)時(shí)分煤種煤量分析并為配煤摻燒提供實(shí)時(shí)煤種數(shù)據(jù)的問(wèn)題。燃煤全程特征碼示意圖如圖1。

圖1 燃煤全程特征碼示意圖

2 煤倉(cāng)分倉(cāng)計(jì)量分析模型

根據(jù)入爐煤電子皮帶秤的實(shí)時(shí)讀數(shù)、犁煤器實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，以及燃料特征碼的實(shí)時(shí)跟蹤，采用時(shí)序分析和數(shù)值差分分析等分析方法，利用電子皮帶秤至各煤倉(cāng)的延時(shí)，建立煤倉(cāng)分倉(cāng)計(jì)量分析模型，獲得在每一次上煤作業(yè)過(guò)程中，各個(gè)煤倉(cāng)的上煤煤量。煤倉(cāng)分倉(cāng)計(jì)量分析模型為各煤倉(cāng)的每班分倉(cāng)、分爐上煤量，及各發(fā)電機(jī)組的正平衡計(jì)算發(fā)電煤耗提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

記煤倉(cāng)及對(duì)應(yīng)的犁煤器序號(hào)為i，i=1 ～24，對(duì)應(yīng)煤倉(cāng)編號(hào)1A，1B，1C…4C，4D，4E，4F。在一次上煤過(guò)程中，上煤次序煤倉(cāng)編號(hào)為其中i 為上煤次序，值為1 ～24。iτ為入爐煤電子皮帶秤至第i個(gè)煤倉(cāng)的時(shí)延；t ie為第i個(gè)犁煤器由放落改為掛起的時(shí)間，即該煤倉(cāng)結(jié)束加倉(cāng)時(shí)間；tis為第i個(gè)犁煤器放落的時(shí)間，該時(shí)間不一定是煤倉(cāng)開(kāi)始加倉(cāng)時(shí)間；是入爐煤電子皮帶秤累計(jì)值在t時(shí)刻的實(shí)時(shí)數(shù)值。則Si煤倉(cāng)上倉(cāng)煤量Wsi由下列公式?jīng)Q定：

該式滿足犁煤器的不同作業(yè)順序，如順序加倉(cāng)、逆序加倉(cāng)、混合次序加倉(cāng)等。煤倉(cāng)分倉(cāng)計(jì)量分析示意圖如圖2。

3 煤倉(cāng)煤種分層監(jiān)測(cè)

現(xiàn)有的煤倉(cāng)監(jiān)測(cè)手段只有通過(guò)料位計(jì)獲得煤倉(cāng)內(nèi)的煤位，機(jī)組運(yùn)行人員只能根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)大概地估計(jì)預(yù)測(cè)煤倉(cāng)內(nèi)不同煤種的切換時(shí)間，通過(guò)運(yùn)行負(fù)荷、磨煤機(jī)出力等關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的變化知悉煤倉(cāng)內(nèi)的新煤種進(jìn)入磨煤機(jī)和鍋爐。這種監(jiān)測(cè)手段對(duì)在煤倉(cāng)內(nèi)煤種變化較大時(shí)，可能對(duì)鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。利用燃料特征碼的實(shí)時(shí)跟蹤，實(shí)時(shí)分析和監(jiān)測(cè)煤倉(cāng)內(nèi)各煤種的分層，即煤種、煤質(zhì)、煤量、煤位信息，可實(shí)時(shí)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)入爐煤種切換時(shí)間，及時(shí)調(diào)整磨煤機(jī)和鍋爐運(yùn)行方式，確保機(jī)組運(yùn)行安全可靠運(yùn)行。

3.1 煤位煤量對(duì)應(yīng)模型

煤倉(cāng)由上部一個(gè)規(guī)則的圓柱與下部8個(gè)錐度逐漸增大的錐臺(tái)組成。煤倉(cāng)內(nèi)煤位與煤量存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且不同煤種的煤量煤位對(duì)應(yīng)關(guān)系存在差異。圖3 為煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)示意圖。

煤倉(cāng)的煤位煤量對(duì)應(yīng)模型可通過(guò)如下方式建立：

（1）試驗(yàn)插值法。利用試驗(yàn)，對(duì)每個(gè)煤倉(cāng)進(jìn)行多組煤位和對(duì)應(yīng)煤量進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)，并建立一一對(duì)應(yīng)表。在運(yùn)行中實(shí)際測(cè)得煤位值后，查找對(duì)應(yīng)煤位的煤量，如果沒(méi)有對(duì)應(yīng)煤量，則利用插值法計(jì)算得到。

（2）理論計(jì)算法。計(jì)算煤位對(duì)應(yīng)的煤體積，根據(jù)堆積密度計(jì)算對(duì)應(yīng)煤量。

自下往上第i個(gè)錐臺(tái)的體積由煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)可得：

由mi=ρi·V(H)（iρ為煤種堆積密度）建立不同煤種煤量mi與煤位H的一一映射關(guān)系，即煤種煤位煤量對(duì)應(yīng)模型。

圖2 煤倉(cāng)分倉(cāng)計(jì)量分析示意圖

圖3 煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 煤倉(cāng)分層分析模型

根據(jù)煤倉(cāng)的不同作業(yè)狀態(tài)，分別分析煤倉(cāng)中不同煤種的煤位和煤量。特別地，當(dāng)給煤機(jī)不工作時(shí)，給煤機(jī)流量Vf=0。

在T1時(shí)刻，即加倉(cāng)開(kāi)始時(shí)，煤倉(cāng)中可有一種或多種煤種。加倉(cāng)的煤種可與最上層煤種相同或不同。

在T2時(shí)刻，即加倉(cāng)結(jié)束時(shí)，新加的煤種處于最上層。當(dāng)Vf=0時(shí)，下層煤種煤位煤量分布不變；當(dāng)Vf≠0時(shí)，最下層煤種煤位煤量發(fā)生變化，中間煤種沒(méi)有變化。

下述分析為新煤種與原上層煤種不同，且只有1個(gè)煤種的情景。新加煤種與上層煤種相同時(shí)，只需考慮上層煤種的煤位和煤量累加，無(wú)須考慮分層。更多的情況可按相同方法獲得分層信息。

情況1：Vf=0，下層煤種煤位煤量都不變；通過(guò)煤倉(cāng)分倉(cāng)計(jì)量分析模型，得到新加煤種的煤量；新煤種的煤位H2為煤倉(cāng)料位計(jì)測(cè)量值。

情況2（如圖4）：Vf≠0，通過(guò)煤倉(cāng)分倉(cāng)計(jì)量分析模型，得到新加煤種的煤量；新加煤種的煤位為料位計(jì)測(cè)量值HB2。已知T1時(shí)刻，A 煤種煤量mA1，煤位HA1；T2時(shí)刻，A 煤種煤量通過(guò)A 煤種煤位煤量對(duì)應(yīng)模型，可得HA2值。煤層的分界面為HA2，自下至上分別為煤種A、B。

圖4 情況2 示意圖

情況3（如圖5）：Vf≠0, 不加倉(cāng)。底層煤量和煤位變化；上層煤量不變，煤位變化。已知T1 初始時(shí)刻，A 煤 種 煤 量mA1，煤 位HA1，B 煤 種 煤量mB1，煤位HB1；新T2時(shí) 刻，B 煤 種煤位為料位計(jì)測(cè)量值HB2；A 煤種煤量通過(guò)A煤種煤位煤量對(duì)應(yīng)模型，可得HA2值。煤層的分界面為HA2，自下至上分別為煤種A、B。

圖5 情況3 示意圖

3.3 煤倉(cāng)堆積密度的自我修正

在情況1：Vf=0 上倉(cāng)情況下，下層煤種煤位煤量都不變；通過(guò)煤倉(cāng)分倉(cāng)計(jì)量分析模型，得到新加煤種的煤量m；新煤種的高煤位H2為煤倉(cāng)料位計(jì)測(cè)量值，求得煤倉(cāng)中新煤種的堆存體積V，并通過(guò)求得新煤種的堆積密度。對(duì)多次的分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和回歸分析，得到煤種的煤倉(cāng)堆積密度模型，實(shí)現(xiàn)煤倉(cāng)堆積密度的自我修正。

4 實(shí)時(shí)燃燒煤種煤質(zhì)辨識(shí)

利用磨煤機(jī)內(nèi)熱量平衡方程，可求得磨煤機(jī)中煤種的全水分Mar：

通過(guò)匹配煤種水分，實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前入爐燃燒的煤種煤質(zhì)，實(shí)現(xiàn)基于水分匹配的煤種在線辨識(shí)模型。將煤倉(cāng)分層分析模型和實(shí)時(shí)燃燒煤種煤質(zhì)辨識(shí)模型相結(jié)合，可有效地實(shí)時(shí)掌握入爐煤種煤質(zhì)信息，為機(jī)組運(yùn)行的控制調(diào)整提供實(shí)時(shí)的入爐煤種煤質(zhì)信息。對(duì)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析得出：在入爐燃燒煤種切換時(shí)，當(dāng)新舊煤種水分差大于15%時(shí)，可觀察到明顯的水分變化。水分變化呈斜坡?tīng)?，切換階段時(shí)長(zhǎng)在1h 左右。

5 煤倉(cāng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

（1）煤倉(cāng)存煤量的監(jiān)測(cè)。通過(guò)分倉(cāng)計(jì)量，獲得入爐煤加倉(cāng)的煤量；通過(guò)給煤機(jī)實(shí)時(shí)流量的積分，可得出煤倉(cāng)的煤量。二者相結(jié)合，可得煤倉(cāng)的實(shí)時(shí)存煤量。同時(shí)，可通過(guò)料位計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。

（2）入爐煤種切換預(yù)測(cè)。對(duì)入爐煤的煤種切換進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，為鍋爐機(jī)組運(yùn)行方式的調(diào)整提供預(yù)測(cè)信息；同時(shí)，當(dāng)切換煤種的水分相差較大時(shí)，磨煤機(jī)熱平衡可準(zhǔn)確判斷煤種的切換過(guò)程。

（3）入爐煤種監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前入爐煤的煤種煤質(zhì)等信息，并與鍋爐的燃燒效果相結(jié)合，可對(duì)配煤摻燒方案經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保性進(jìn)行實(shí)時(shí)的評(píng)價(jià)，為鍋爐燃燒優(yōu)化提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)煤倉(cāng)界面如圖6。

（4）正平衡方式計(jì)算機(jī)組發(fā)電煤耗。分倉(cāng)計(jì)量后，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可得到特定機(jī)組的入爐煤量計(jì)量，根據(jù)對(duì)應(yīng)的煤質(zhì)參數(shù)和發(fā)電量，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組正平衡方式發(fā)電煤耗的測(cè)算。

（5）煤倉(cāng)內(nèi)煤堆積密度的統(tǒng)計(jì)。通過(guò)大量的煤倉(cāng)分倉(cāng)計(jì)量數(shù)據(jù)和煤層高度數(shù)據(jù)，可統(tǒng)計(jì)出不同煤種在煤倉(cāng)的堆積密度。

圖6 動(dòng)態(tài)煤倉(cāng)界面

6 誤差分析和處理

入爐煤的煤量分析數(shù)據(jù)主要基于入爐電子皮帶秤計(jì)量數(shù)據(jù)，因此，煤倉(cāng)計(jì)量中誤差的來(lái)源主要有：電子皮帶秤的測(cè)量誤差及數(shù)據(jù)延時(shí)誤差（每噸發(fā)送一個(gè)脈沖）、犁煤器狀態(tài)采樣周期、皮帶移動(dòng)速度的非均勻性導(dǎo)致延時(shí)變化等。給煤機(jī)的實(shí)時(shí)流量測(cè)量誤差對(duì)煤倉(cāng)的煤量引入了誤差。

減少或消除誤差的方法：（1）通過(guò)對(duì)入爐電子皮帶秤進(jìn)行技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了電子皮帶秤在線遠(yuǎn)程自動(dòng)校驗(yàn)與診斷，提升了電子皮帶秤的測(cè)量精度和可靠性；通過(guò)提高對(duì)設(shè)備狀態(tài)的更新頻率，減少時(shí)延引起的計(jì)量誤差。（2）輸煤皮帶機(jī)加強(qiáng)校準(zhǔn)，工作時(shí)保持穩(wěn)定勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。（3）給煤機(jī)流量測(cè)量裝置及時(shí)校準(zhǔn)，減少給煤流量誤差。（4）定期對(duì)煤倉(cāng)煤量進(jìn)行清空，煤量、煤位數(shù)據(jù)清零處理，避免長(zhǎng)期運(yùn)行帶來(lái)的累計(jì)誤差。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)燃煤全程特征碼技術(shù)和入爐煤電子皮帶秤數(shù)據(jù)，建立入爐煤分倉(cāng)計(jì)量分析模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)每班次的入爐煤進(jìn)行分倉(cāng)計(jì)量和分爐計(jì)量；對(duì)倉(cāng)內(nèi)燃煤建立煤種分層分析模型，對(duì)煤倉(cāng)的煤種、煤質(zhì)、煤量、煤位進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析和監(jiān)測(cè)。對(duì)入爐煤煤種切換進(jìn)行實(shí)時(shí)精確預(yù)測(cè)，對(duì)煤種切換時(shí)間進(jìn)行提示；通過(guò)對(duì)磨煤機(jī)熱平衡分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤種切換過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。機(jī)組運(yùn)行對(duì)入爐煤的煤種切換具備了預(yù)測(cè)能力，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性。根據(jù)分倉(cāng)計(jì)量和分爐計(jì)量的煤量、煤質(zhì)數(shù)據(jù)以及期間發(fā)電量，系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)組正平衡方式進(jìn)行發(fā)電煤耗計(jì)算分析。