淺析智能數(shù)字化動(dòng)態(tài)煤場(chǎng)管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

國(guó)家能源集團(tuán)岳陽(yáng)發(fā)電有限公司 尹向群

1 工程建設(shè)技術(shù)規(guī)范

某電廠2×1000MW 新建工程隸屬于浩吉鐵路沿線電源點(diǎn)項(xiàng)目。本次工程電廠計(jì)劃建設(shè)4×1000MW機(jī)組。本期工程建設(shè)的主要任務(wù)為2×1000MW 超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。

1.1 工作范圍

某電廠已單獨(dú)配置了燃料智能化管控系統(tǒng)，并為實(shí)現(xiàn)對(duì)煤場(chǎng)設(shè)備的數(shù)字化管理，建設(shè)了燃料智能化管控系統(tǒng)。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于煤場(chǎng)溫度、可燃?xì)怏w以及粉塵濃度的檢測(cè)，配備了煤場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。而在對(duì)煤場(chǎng)內(nèi)煤堆外形數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集的過(guò)程中，通過(guò)采用圓形煤場(chǎng)盤煤系統(tǒng)，構(gòu)建了煤堆動(dòng)態(tài)三維模型，以便對(duì)每個(gè)分割區(qū)域的煤量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，還原煤場(chǎng)的真實(shí)情況，為工作人員瀏覽調(diào)查煤場(chǎng)存煤數(shù)量提供便利[1]。

1.2 技術(shù)要求

本次工程為煤場(chǎng)配備了安全檢測(cè)系統(tǒng)以及檢查報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。并且，為了提升煤場(chǎng)的安全性，在對(duì)煤場(chǎng)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，在煤場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)設(shè)備中將PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線接入至輸煤DCS，保證煤場(chǎng)連鎖功能發(fā)揮應(yīng)有效用。數(shù)字化煤場(chǎng)系統(tǒng)能夠切實(shí)地展現(xiàn)整個(gè)煤場(chǎng)分區(qū)的溫度情況，并在第一時(shí)間出具煤場(chǎng)溫度統(tǒng)計(jì)圖，以便掌控煤場(chǎng)的溫度變化。同時(shí)，將煤場(chǎng)溫度作為檢測(cè)對(duì)象，在現(xiàn)場(chǎng)傳感器的幫助下，對(duì)煤場(chǎng)進(jìn)行全自動(dòng)以及全天候的溫度監(jiān)測(cè)（見表1），并獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，然后將測(cè)量后數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理后，輸入至DCS 系統(tǒng)中。

表1 煤場(chǎng)溫度檢測(cè)表

2 基于智能化數(shù)字動(dòng)態(tài)煤場(chǎng)管理系統(tǒng)的建設(shè)方案

智能數(shù)字化煤場(chǎng)建設(shè)的目標(biāo)在于，通過(guò)三維點(diǎn)陣的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)于堆煤、煤種以及煤質(zhì)的全方位檢測(cè)，以便為配煤摻燒工作提供準(zhǔn)確的場(chǎng)存信息。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)多煤種條件的合理配煤摻燒，保證鍋爐運(yùn)行的高效性以及安全性，對(duì)煤場(chǎng)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)。

2.1 智能硬件層

數(shù)字化煤場(chǎng)要想實(shí)現(xiàn)對(duì)所有煤場(chǎng)的管控，需要將煤量、煤質(zhì)以及煤場(chǎng)位置等信息利用數(shù)字化手段顯示出來(lái)。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于煤場(chǎng)的有效監(jiān)控，監(jiān)控設(shè)備、測(cè)繪設(shè)備與定位設(shè)備是硬件層的標(biāo)配，其能夠通過(guò)相互配合傳遞和獲取煤場(chǎng)信息。

首先，改進(jìn)盤煤裝置。在盤煤裝置的核心設(shè)備堆取料機(jī)大臂位置加裝固定式盤煤系統(tǒng)，全程實(shí)現(xiàn)無(wú)人化盤煤，并通過(guò)在盤煤系統(tǒng)附近搭載信息獲取云臺(tái)和掃描一起完成對(duì)盤煤環(huán)節(jié)的編碼，進(jìn)而獲取盤煤信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤場(chǎng)的測(cè)溫和掃描，以便做到煤場(chǎng)無(wú)盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于煤場(chǎng)監(jiān)測(cè)的全面覆蓋[2]。其次，提升堆取料機(jī)的智能化水平?；趯?duì)智能化堆料機(jī)的改裝，每5°為一個(gè)圓形煤場(chǎng)，在間隔5°的距離設(shè)置圓形煤場(chǎng)定位裝置，通過(guò)定位信號(hào)的發(fā)送，對(duì)圓形煤場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件發(fā)送指令，以控制轉(zhuǎn)動(dòng)部件智能開關(guān)的調(diào)節(jié)，與堆料系統(tǒng)進(jìn)行相互配合，精準(zhǔn)地定位角度以及速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)堆取料機(jī)的無(wú)死角監(jiān)視。最后，利用智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)在系統(tǒng)中加裝高清攝像頭，對(duì)堆取料的裝卸、煤炭運(yùn)輸進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)控，并利用視頻識(shí)別功能監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)人員的操作規(guī)范性，以及設(shè)備運(yùn)行情況，以便為煤炭運(yùn)輸可視化以及事故預(yù)警提供輔助功能。

2.2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)層

對(duì)于燃煤電廠而言，要想對(duì)燃煤情況進(jìn)行全生命周期監(jiān)察，需要將煤源地作為入手點(diǎn)，對(duì)燃料運(yùn)輸、裝卸、堆存以及入爐等環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)視。首先，進(jìn)行在途監(jiān)視，通過(guò)集成通訊網(wǎng)的數(shù)據(jù)接口，接收系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)信息，獲取各個(gè)環(huán)節(jié)的煤炭燃燒質(zhì)量，如果期間發(fā)現(xiàn)煤炭燃燒不充分，系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以通過(guò)異常顯示，對(duì)煤炭燃燒進(jìn)行預(yù)報(bào)。其次，燃煤卸裝環(huán)節(jié)也可能出現(xiàn)燃燒不充分的情況，在引入監(jiān)控系統(tǒng)后，通過(guò)對(duì)卸裝流程的完全可視化處理，展現(xiàn)煤炭卸裝參數(shù)，生成煤炭卸裝圖譜，用以還原整個(gè)卸裝過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)煤工具的在線監(jiān)視，精準(zhǔn)掌控來(lái)廠煤量和裝卸煤量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。最后，對(duì)煤種入爐和排放進(jìn)行監(jiān)視，開發(fā)煤種實(shí)時(shí)分析模塊，建設(shè)數(shù)字化煤場(chǎng)以及數(shù)字化原煤倉(cāng)。

2.3 智慧應(yīng)用層

智慧應(yīng)用層主要是對(duì)燃料生產(chǎn)過(guò)程中的配煤、上倉(cāng)等環(huán)節(jié)進(jìn)行管理。首先，提升配煤摻燒的智能化程度?；谂涿簱綗R(shí)庫(kù)，在目標(biāo)優(yōu)化算法的幫助下，建立安全、環(huán)境等目標(biāo)約束條件，參照不同的摻配規(guī)則，基于燃料生產(chǎn)的實(shí)際情況自動(dòng)生成配煤摻燒方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)原煤倉(cāng)配煤質(zhì)量，以及煤質(zhì)指標(biāo)等基本信息的監(jiān)控。其次，進(jìn)行智能化取料，基于現(xiàn)場(chǎng)來(lái)煤以及場(chǎng)存情況，自動(dòng)計(jì)算出最佳的堆煤決策，計(jì)算便捷的取料位置，根據(jù)堆取料機(jī)無(wú)人值守系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取料。最后，開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫系統(tǒng)，自動(dòng)獲取煤場(chǎng)的溫度數(shù)據(jù)，建立煤場(chǎng)溫度以及煤堆損耗模型，預(yù)測(cè)燃料生產(chǎn)中的溫度變化趨勢(shì)以及損耗情況。

2.4 智慧決策層

智能決策層主要被應(yīng)用于燃料的采購(gòu)以及庫(kù)存中，并基于獲取的信息分析燃料生產(chǎn)的成本以及收益。首先，保證智能燃料采購(gòu)決策的準(zhǔn)確性，基于市場(chǎng)指導(dǎo)，構(gòu)建配煤摻燒以及入爐指導(dǎo)采購(gòu)思路，基于數(shù)據(jù)庫(kù)的分析出具最佳燃煤采購(gòu)決策。其次，制定配煤需求決策，基于市場(chǎng)煤信息以及制粉系統(tǒng)提供的信息，通過(guò)將市場(chǎng)數(shù)據(jù)變化值以及煤粉變化數(shù)據(jù)引入系統(tǒng)計(jì)算公式，構(gòu)建鍋爐煤種需求菜單[3]。月度發(fā)電額度的計(jì)算，煤炭采購(gòu)和消耗量是主要參考數(shù)據(jù)，其需要在燃煤庫(kù)的配合下，按照當(dāng)時(shí)電量?jī)r(jià)格，計(jì)算當(dāng)月電量售出利潤(rùn)，并減去電能生產(chǎn)成本，得出當(dāng)月火電廠的經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)。

隨著AVO技術(shù)的提出和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)儲(chǔ)層AVO類型進(jìn)行了相關(guān)研究。Rutherford和Williams（1989）依據(jù)圍巖與儲(chǔ)層的波阻抗差值，反射振幅隨入射角的變化情況將AVO異常分為四類：Ⅰ類為高阻抗含氣砂巖，零炮檢距振幅強(qiáng)且為正極性（截距為正），AVO呈減少趨勢(shì)（梯度為負(fù)）；Ⅱ類為砂泥巖近似零阻抗差的含氣砂巖，零炮檢距振幅很?。ń鼐嗪苄。?，由近到遠(yuǎn)，AVO特征變化較大，出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)；Ⅲ類和Ⅳ類為低阻抗含氣砂巖，零炮檢距振幅很強(qiáng)（截距較大），呈負(fù)極性，AVO特征呈增加趨勢(shì)為Ⅲ類，AVO特征呈減少趨勢(shì)為Ⅳ類。

3 智能數(shù)字化動(dòng)態(tài)煤場(chǎng)管理系統(tǒng)的應(yīng)用

智能數(shù)字化動(dòng)態(tài)煤場(chǎng)管理系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠有效提升系統(tǒng)設(shè)置的合理性，明確煤場(chǎng)的工作流程，并對(duì)煤場(chǎng)工作的實(shí)施情況進(jìn)行如實(shí)反映，統(tǒng)計(jì)查詢煤場(chǎng)應(yīng)用中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)，對(duì)煤料生產(chǎn)的創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行分析，保證煤場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)收益。

3.1 系統(tǒng)設(shè)置

應(yīng)用智能數(shù)字化管理系統(tǒng)（如圖1所示）對(duì)火電廠的燃料進(jìn)行管理，相關(guān)人員需要在操作系統(tǒng)的過(guò)程中，以管理需求為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火電廠的動(dòng)態(tài)的調(diào)整，尤其是智能動(dòng)態(tài)煤場(chǎng)的引入，需要全方位覆蓋火電廠下屬煤場(chǎng)名稱、供能范圍等信息，并跟隨數(shù)據(jù)信息變化，與火電廠實(shí)際運(yùn)行配合，確保火電廠運(yùn)行的科學(xué)性。另外，為系統(tǒng)安裝設(shè)置權(quán)限和保密裝置，其中會(huì)摻雜危險(xiǎn)性信息，而該危險(xiǎn)性信息會(huì)影響煤場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)管理，因此對(duì)于登錄系統(tǒng)人員要進(jìn)行身份識(shí)別，實(shí)時(shí)記錄各個(gè)部門人員的登錄時(shí)間、登錄內(nèi)容以及登錄范圍，明確當(dāng)期人員職責(zé)，做好人員調(diào)配和明確分工，提升火電廠運(yùn)行的效率和安全性。

圖1 數(shù)字化煤場(chǎng)管理系統(tǒng)流程

3.2 工作流程

實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭燃料堆取的智能化管理，并進(jìn)行相應(yīng)的決策安排，使得火電廠運(yùn)行處于有序狀態(tài)。首先，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，相關(guān)管理人員能夠?qū)⑾嚓P(guān)數(shù)據(jù)錄入至智能化管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能的完善。同時(shí)，在對(duì)煤場(chǎng)進(jìn)行日常管理過(guò)程中，相關(guān)工人員將數(shù)據(jù)錄入后，利用系統(tǒng)功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，并填寫日常管理日志，如果在管理過(guò)程中出現(xiàn)操作失誤的情況，也可以根據(jù)備份的數(shù)據(jù)恢復(fù)操作。

同時(shí)，掌握燃煤存放的時(shí)間以及成本，并對(duì)燃煤產(chǎn)生的熱量進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，提升燃料管理的效率。另外，為了保證火電廠煤場(chǎng)燃料的質(zhì)量，利用系統(tǒng)獲取燃料的基本信息，掌握煤炭種類，在保證各項(xiàng)信息合格后，利用系統(tǒng)生成樣本編碼，進(jìn)行二次制樣，并將相關(guān)數(shù)據(jù)錄入至系統(tǒng)中，經(jīng)由系統(tǒng)計(jì)算，掌握煤炭干基灰分以及煤炭高位熱值（見表2），實(shí)現(xiàn)對(duì)火電廠的質(zhì)量檢測(cè)。

表2 干基灰分表

3.3 實(shí)施情況反映

煤場(chǎng)地圖、機(jī)組以及煤炭入爐等環(huán)節(jié)需要實(shí)時(shí)還原場(chǎng)景，因此智能化管理系統(tǒng)還需要承擔(dān)起實(shí)時(shí)反映煤炭燃燒關(guān)鍵環(huán)節(jié)的責(zé)任，利用影像還原手段，播放煤炭在鍋爐內(nèi)部的燃燒情況，并伴以立體圖形，展示煤炭所處的位置以及時(shí)間。機(jī)組情況則要對(duì)煤炭堆料和取料進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，一旦出現(xiàn)異常情況要進(jìn)行預(yù)警。

3.4 統(tǒng)計(jì)查詢

一般而言，工作人員利用管理系統(tǒng)的信息查詢功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)于煤炭信息、上煤信息的查詢和監(jiān)管，并基于獲取的來(lái)煤信息，進(jìn)行相應(yīng)的工作安排，保證各項(xiàng)工作得以有序開展[4]。

3.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

智能數(shù)字化動(dòng)態(tài)煤場(chǎng)管理系統(tǒng)，通過(guò)精準(zhǔn)控制煤量、煤種摻雜情況，管控煤炭燃燒。例如，本次工程在建設(shè)中煤料摻燒量達(dá)到20萬(wàn)t，為了保證每噸煤料摻燒節(jié)省30元，需要在同等摻燒條件下，制定科學(xué)的上倉(cāng)方案，以便減少場(chǎng)內(nèi)熱值差以及飛灰含碳量，使得供煤消耗得以降低。本次工程主要用到4×1000MW 機(jī)組，其發(fā)電小時(shí)數(shù)為4500h，假設(shè)按照1.3g/kWh，其大約可以節(jié)省5400t 標(biāo)準(zhǔn)煤。如按照標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)計(jì)算，大約可以節(jié)省390萬(wàn)元的燃煤成本。

同時(shí)，通過(guò)對(duì)堆、配以及取等環(huán)節(jié)的合理優(yōu)化，控制煤場(chǎng)庫(kù)存，能夠達(dá)到節(jié)省燃料熱值的目的，減少資金占用的情況，每年大約節(jié)省843萬(wàn)元。因此，將智能數(shù)字化動(dòng)態(tài)煤場(chǎng)管理系統(tǒng)應(yīng)用于煤場(chǎng)管理當(dāng)中，項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)小于可達(dá)1900萬(wàn)元以上。

3.6 創(chuàng)新點(diǎn)分析

通過(guò)開發(fā)數(shù)字化煤場(chǎng)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤場(chǎng)全過(guò)程數(shù)據(jù)的監(jiān)控，固定式盤煤儀等硬件設(shè)施直接與燃料智能化的數(shù)據(jù)接口接通，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤種以及煤質(zhì)的全面檢測(cè)，自動(dòng)記錄燃煤的位置以及煤量消耗數(shù)據(jù)。同時(shí)，應(yīng)用多維度多變量燃料監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于燃料全生命周期的數(shù)據(jù)跟蹤，并在獲取數(shù)據(jù)后形成多維度的圖像和數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)煤流的可視化，以便能夠?yàn)槊簣?chǎng)管理提供優(yōu)質(zhì)的決策，使得電廠管理人員實(shí)現(xiàn)對(duì)于燃料的全方位管控，通過(guò)集成開發(fā)和展示數(shù)據(jù)情況，實(shí)時(shí)跟蹤燃料使用情況。最后，應(yīng)用智能模型建設(shè)配煤摻燒決策系統(tǒng)，即便在多煤種條件下，也能出具最為安全高效的摻配策略，構(gòu)建科學(xué)的配煤方案，提升同等煤種的鍋爐燃燒效率。

總而言之，智能數(shù)字化煤場(chǎng)管理系統(tǒng)在火電廠燃料管理中得到了廣泛的應(yīng)用，其對(duì)于保證火電廠燃料的管理質(zhì)量，以及經(jīng)濟(jì)效益能夠發(fā)揮關(guān)鍵的作用，為提升火電廠市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提供助力。