一種燃煤電廠入爐煤種辨識方法設計與實現(xiàn)

徐文輝，董春雷，郭勇，趙德虎，陳長和，仇永裕

（浙能溫州電廠，浙江 溫州 325000）

1 前言

為了提高燃煤電廠運行的經(jīng)濟性，大多燃煤電廠采用了配煤摻燒，此外，相關研究表明，配煤摻燒也是燃煤機組靈活性改造中所必須解決的問題。當電廠采用配煤摻燒這一方案后，入爐煤種不再是單一煤種，此時，入爐煤種的辨識則可為燃燒策略的優(yōu)化提供判斷依據(jù)。因此，較多學者對電廠的燃料監(jiān)控系統(tǒng)展開了研究。

陳超等利用輸煤系統(tǒng)程控以及皮帶秤讀數(shù)來實現(xiàn)煤倉的分倉計量，并對其中誤差來源進行了分析。為優(yōu)化分倉計量系統(tǒng)的運行速度，劉華煒等引入SQLServer 數(shù)據(jù)庫來優(yōu)化系統(tǒng)架構。蒙毅等基于燃料信息化管理平臺對配煤摻燒策略展開了研究，從而為配煤摻燒管理提供指導。魏勇等基于輸煤系統(tǒng)的實時狀態(tài)以及煤倉形狀構建了煤倉煤種分布模型。

浙能溫州電廠四期配備了2 臺660MW 機組，每臺機組配備6 臺原煤倉，采用爐內(nèi)摻燒。本文通過輸煤系統(tǒng)、斗輪機系統(tǒng)以及煤質化驗數(shù)據(jù)的采集與分析來實現(xiàn)該廠四期機組的入爐煤辨識。

2 軟件系統(tǒng)結構

入爐煤種辨識采用了BS 架構，其軟件系統(tǒng)結構如圖1 所示。服務器主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和web 服務器三者構成。數(shù)據(jù)采集模塊通過企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(ERP)和廠級監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)獲取入廠煤信息、輸煤系統(tǒng)數(shù)據(jù)、斗輪機數(shù)據(jù)以及鍋爐運行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析模塊采用時序分析方法，構建煤倉以及煤場燃料存儲情況。web 服務器則為用戶提供數(shù)據(jù)訪問服務，用戶可以通過瀏覽器對服務器數(shù)據(jù)進行訪問。

圖1 軟件系統(tǒng)結構

ERP 系統(tǒng)為每一船次的煤種生成唯一特征碼，同時，根據(jù)港方化驗數(shù)據(jù)錄入各船次煤質數(shù)據(jù)。浙能溫州電廠有兩條入廠皮帶，可支持兩條船同時卸煤，為掌握各入廠皮帶傳輸媒質，人工通過ERP 錄入各班次兩條入廠皮帶的煤質和入廠煤質量。ERP 系統(tǒng)將上述數(shù)據(jù)存儲在ORACLE 數(shù)據(jù)庫，服務器通過ORACLE 數(shù)據(jù)庫獲取入廠煤信息。

輸煤程控和斗輪機程控通過modbus-TCP 協(xié)議將系統(tǒng)實時信息傳遞給SIS 系統(tǒng)，鍋爐程控和SIS 系統(tǒng)之間通過OPC 協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。SIS 系統(tǒng)提供輸煤程控、斗輪機程控和鍋爐程控的實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。服務器通過SIS 系統(tǒng)所提供的SDK 可以獲取輸煤系統(tǒng)、斗輪機系統(tǒng)以及鍋爐的實時信息和歷史信息。

客戶端通過瀏覽器訪問服務器，瀏覽器和服務器之間采用純業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸模式。該方法可以使得客戶端進行靈活部署，系統(tǒng)可維護性高。

3 入爐煤種辨識模型

3.1 煤倉煤種模型

如圖2 所示，煤倉分為共四段，從上至下分別為矩形直段、矩形放樣圓形段、圓柱段和最底部的錐形段。自下而上計算可獲取煤倉體積和料位計高度之間的關系：

圖2 煤倉截面示意圖

式中，V 為體積，h 為料位計高度, 0r和 1r分別為圓錐頂部和頂部5， 2r為圓柱半徑， 1h、 2h和 3h分別為圓錐頂部、圓柱頂部以及方變圓頂部高度，a 和b 分別為矩形段的長寬。

火電機組運行過程中，煤倉中煤種可能發(fā)生變化，煤倉可能存在多種煤種。因此，需要建立煤倉中煤種分層模型。對浙能溫電四號機組2022 年8 月19 號～2022 年9 月2 號煤倉情況進行統(tǒng)計，本文發(fā)現(xiàn)煤倉中煤種一般不超過兩種。盡管煤倉中煤種一般不超過兩種，但是為避免意外情況，采用列表數(shù)據(jù)結構來構建煤倉煤種分層模型以避免煤種數(shù)量過多。為方便說明計算過程，底部和次底部煤層體積用VA和BV表示，最上層煤體積為cV，煤倉存煤當前體積與前一時刻體積分別為Vh,i和Vh,i-1。煤倉煤種分層模型的計算流程如圖3 所示。本文通過煤倉料位計高度變化來判斷煤倉是否加煤。若煤倉處于加煤狀態(tài)，則采用給煤機流量來修正底部煤層的體積：

式中，mt為給煤機當前時刻與前一計算時刻之間給煤累積量，ρ 為煤的密度。若煤倉處于未加煤狀態(tài)，則采取料位高度對各煤倉體積進行更新。

3.2 輸煤系統(tǒng)模型

圖4 顯示了輸煤系統(tǒng)的構成。四期有兩臺機組，每臺機組各配備6 個煤倉。17A 和17B 皮帶負責將煤炭運送至7 號機組和8 號機組，17A 和17B 皮帶配置了皮帶秤，可對煤倉上煤量進行計量。煤倉配備兩個進料口，因此各機組配備了兩條上煤皮帶，四期總共配備了四條上煤皮帶。通過料位計讀數(shù)的變化趨勢可以獲取煤倉是否在加煤，若煤倉在加煤，此時，則需結合犁煤器狀態(tài)以及18A、18B、18C 和18D 皮帶的運行狀態(tài)，獲取煤倉當前從何處進料口進行加煤。在此基礎上，結合13A、13B、13C、14A、14B、14C、17A、17B、19A 和19B 皮帶以及上述皮帶的落煤系統(tǒng)(三通管或分流器)的運行狀態(tài)，可以獲取煤倉煤流的來源。

圖4 輸煤程控流程圖

若煤倉煤流來自港口，即煤炭來自12A 或12B 皮帶，此時，通過ERP 系統(tǒng)讀取12A 或12B 的煤質數(shù)據(jù)。若煤倉煤流來自煤場，則需結合斗輪機參數(shù)以及煤場煤堆模型來獲取煤倉進煤數(shù)據(jù)。電廠有兩個煤場，斗輪機軌道將煤場劃分為兩個區(qū)域，各區(qū)域煤堆數(shù)量上限設置為10，以此可以對煤堆進行編號。在斗輪機懸臂頭部兩側各有一套三維激光掃描儀，結合斗輪機大車位置、旋轉角度和俯仰角度可以獲取當前作業(yè)煤堆編號以及當前煤堆體積。若斗輪機處于堆料狀態(tài)，則根據(jù)斗輪機煤流來源更新煤堆煤種。2 號和4 號斗輪機煤流來源為12A 皮帶，3 號斗輪機煤流來源為12B 皮帶。若斗輪機處于取料狀態(tài)，則根據(jù)煤堆煤種確定煤倉加煤煤種。

3.3 煤種切換時間

由于料位計誤差、皮帶秤誤差等多種因素，煤倉煤種分層模型也會存在誤差。為了減少這一誤差，需結合磨煤機狀態(tài)來判斷煤種切換時間。實時采集制粉系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，根據(jù)熱平衡原理在線計算原煤水分，根據(jù)機組負荷微增率與煤量微增率之間的動態(tài)關系特性獲得燃煤當量電負荷。依據(jù)原煤水分和燃煤當量電負荷兩個特征的變化來辨識煤種切換時間，結合煤倉中煤種分布來獲取入爐煤煤種與煤質。

4 應用示例

本文系統(tǒng)以在現(xiàn)場實際應用。系統(tǒng)通過ERP 和SIS系統(tǒng)獲取輸煤系統(tǒng)、斗輪機以及鍋爐等設備的相關運行參數(shù)，在此基礎上，結合煤倉煤種模型、輸煤系統(tǒng)模型以及煤種切換時間模型實現(xiàn)了入爐煤種辨識。

圖5 顯示了輸煤系統(tǒng)畫面。該畫面通過SIS 系統(tǒng)獲取皮帶、三通管、分流器、皮帶秤、犁煤器以及煤倉料位計的實時與歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)同時給出了煤倉底部煤種熱值，從而為鍋爐運行人員確定燃燒策略提供判斷依據(jù)。

圖5 輸煤系統(tǒng)畫面

圖6 為煤倉煤種分布畫面。該畫面通過本文的煤種辨識模型構建了四期機組各煤倉的煤種分布情況，方便鍋爐運行人員根據(jù)燃燒策略確定各煤倉給煤量。系統(tǒng)通過mysql 數(shù)據(jù)庫存儲了各煤倉入爐煤熱值的歷史數(shù)據(jù)并在煤種分布畫面，方便運行人員對鍋爐燃燒策略的相關參數(shù)進行修正。

圖7 為煤場煤種分布畫面。系統(tǒng)給出了各煤堆的體積與熱值，運行人員可根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)確定給煤倉的上煤方案，優(yōu)化鍋爐燃燒工況。

圖7 煤場煤種分布畫面

5 結語

本文基于燃料全過程開發(fā)了入爐煤種辨識系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)通過ERP 和SIS 相關接口獲取了輸煤系統(tǒng)以及鍋爐的相關運行數(shù)據(jù)，在此基礎上建立了煤倉煤種模型、輸煤系統(tǒng)模型和煤種切換時間模型。系統(tǒng)利用煤倉料位計以及給煤機信號等參數(shù)建立了煤倉煤種分布模型，結合入廠皮帶秤煤種、煤量以及煤場煤種分布模型實現(xiàn)了入爐煤辨識，從而為鍋爐燃燒策略提供了優(yōu)化依據(jù)，提高了鍋爐燃燒效率以及安全性。