煤質(zhì)在線檢測(cè)首次在國(guó)內(nèi)1000MW機(jī)組的推廣應(yīng)用

薛健

摘要：本文根據(jù)我國(guó)首家超超臨界4×1000MW機(jī)組實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為題材論述，使煤種煤質(zhì)在線識(shí)別系統(tǒng)能夠在電力生產(chǎn)行業(yè)相互熟知了解，可用性能得以推廣運(yùn)用；方便電力生產(chǎn)行業(yè)根據(jù)自身燃料的采集數(shù)據(jù)作以對(duì)比，有效改善燃煤工況、提高燃煤效率、節(jié)約能源、降低環(huán)境污染對(duì)我國(guó)有著特別重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：煤在線檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TU723.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）08（b）-0080-02

煤的燃燒是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過(guò)程；燃燒穩(wěn)定性、燃燒效率及燃燒產(chǎn)物受多種因素的影響，如爐膛結(jié)構(gòu)、燃燒器設(shè)計(jì)、煤的種類、送粉、輔助風(fēng)、助燃風(fēng)風(fēng)向、燃燒角度、鍋爐負(fù)載、燃燒狀況等。火焰及其電磁輻射是煤燃燒的主要外在表現(xiàn)形式，因此對(duì)火焰的觀察及對(duì)其光熱輻射的測(cè)量分析是燃燒過(guò)程監(jiān)測(cè)與診斷的主要手段和方法。煤質(zhì)在線識(shí)別系統(tǒng)就是利用可見(jiàn)光技術(shù)傳輸對(duì)窺視爐膛內(nèi)燃燒物在火焰的可見(jiàn)光進(jìn)行分析，對(duì)爐內(nèi)的燃燒工況監(jiān)視加以分析，數(shù)據(jù)采集來(lái)達(dá)到我們所需求的目的，從而降低煤耗、改善燃煤工況、提高燃燒效率、降低污染氣體排放，提供比以往更及時(shí)、更豐富、更有效的數(shù)據(jù)。

玉環(huán)電廠1000MW鍋爐是由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司引進(jìn)日本三菱重工業(yè)株式會(huì)社技術(shù)制造的超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，型號(hào)為HG-2953/27.46-YM1。其采用П型布置、單爐膛、低NOXPM主燃燒器和MACT燃燒技術(shù)、反向雙切園燃燒方式。爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁、循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)，一次中間再熱系統(tǒng)。調(diào)溫方式除采用煤/水比外，還采用煙氣出口調(diào)節(jié)擋板、燃燒器擺動(dòng)、噴水等方式。鍋爐采用平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煤和晉北煤。

1煤質(zhì)在線測(cè)量的意義

1.1 現(xiàn)有手段的不足

目前我國(guó)煤質(zhì)分析方法比較保守，通過(guò)對(duì)燃料進(jìn)行抽樣燃燒化驗(yàn)，確定燃燒物的熱值、揮發(fā)份、灰分、水分、固定碳等參數(shù)來(lái)確定煤質(zhì)的好壞。人工化驗(yàn)存在以下缺點(diǎn)：①人工取樣的勞動(dòng)強(qiáng)度大。②存在諸多不確定性。③燃料在存儲(chǔ)過(guò)程中，揮發(fā)份、水分也受外界環(huán)境因素影響較大。④人工數(shù)據(jù)不具備連續(xù)性，不能真實(shí)反應(yīng)入爐煤的真實(shí)情況。⑤數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)接口困難，魯棒性差。

1.2 熱值對(duì)控制的作用

電廠設(shè)計(jì)和調(diào)試中，都按照設(shè)計(jì)煤種進(jìn)行施工。控制函數(shù)也根據(jù)設(shè)計(jì)煤種來(lái)確定，特別是直流爐的控制中，水、煤都根據(jù)設(shè)計(jì)熱值來(lái)初步確定，調(diào)試中，各種參數(shù)也根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)試。當(dāng)煤質(zhì)偏離設(shè)計(jì)值較遠(yuǎn)時(shí)，導(dǎo)致各種控制量運(yùn)行在函數(shù)曲線的末端位置，控制品質(zhì)大打折扣。為解決這個(gè)問(wèn)題，目前都采用熱值校正方案。

理論上：在邏輯里用設(shè)計(jì)煤種熱值Q1和燃煤熱值Q2得出熱值系數(shù)k1利用已知的熱值，通過(guò)換算，轉(zhuǎn)化為當(dāng)量的煤量。具體表達(dá)式為m=M*K（m：當(dāng)量的設(shè)計(jì)煤種重量，M實(shí)際煤量）。這樣，可以是控制優(yōu)化，控制參數(shù)處在最優(yōu)位置。其中，Q1是固定值，故只需確定Q2即可。

由于目前沒(méi)有合理手段對(duì)Q2測(cè)量，目前電廠采用手動(dòng)設(shè)定BTU（即K值），或者采用逐步校正的方法。即用當(dāng)前需煤量/設(shè)計(jì)煤量的方案。這屬于滯后式的補(bǔ)償方式，可以基本滿足煤種在不劇烈的運(yùn)行情況下的變化量。

1.3 現(xiàn)狀

近年來(lái)，由于種種市場(chǎng)原因，各電廠燃料緊張，燃燒的煤種繁多。玉環(huán)電廠燃燒煤種因?yàn)榻煌ㄖ荒芎＿\(yùn)，所以煤種更為繁雜，燃燒煤種有華能能交煤、印尼煤、優(yōu)混煤、扎來(lái)諾爾煤、南非煤、俄羅斯煤等，不同的煤質(zhì)所產(chǎn)生的熱值不同，產(chǎn)生的灰分也不同。給電廠的優(yōu)化控制和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)較大的考驗(yàn)，如何提前預(yù)知燃料的熱值情況，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性成為越來(lái)越迫切的問(wèn)題。

2工程概述

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

煤種煤質(zhì)在線識(shí)別系統(tǒng)突破以往傳統(tǒng)的測(cè)量方式，采用燃燒全實(shí)時(shí)分析化驗(yàn)；煤種煤質(zhì)在線識(shí)別系統(tǒng)基于上述全光譜段全息火焰檢測(cè)裝置將燃燒器火焰特征（全息技術(shù)）傳送到高級(jí)建模工具（結(jié)合華北電力大學(xué)燃燒模型的經(jīng)驗(yàn)），開(kāi)發(fā)出實(shí)時(shí)-高效-自適應(yīng)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)采集的近火焰特征數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出準(zhǔn)確的煤質(zhì)/煤種；該技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的智能化系統(tǒng)，對(duì)火焰特征數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、放大、傳送、分析和處理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)火焰得到燃煤信息。

2.2 原理

2.2.1 全光譜光電火焰檢測(cè)技術(shù)

全光譜光電火焰檢測(cè)裝置具有光電掃描、全光譜特征測(cè)量、痕跡跟蹤的先進(jìn)功能?？捎糜谧R(shí)別燃煤種類、監(jiān)測(cè)火焰穩(wěn)定性和燃燒工況等。

2.2.2 實(shí)時(shí)-高效-自適應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

從煤的燃燒機(jī)理入手，開(kāi)發(fā)出火焰特征與煤質(zhì)/煤種模型，通過(guò)建模、多維數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等方式進(jìn)行入爐煤種的辨識(shí)。

2.3 安裝

2.3.1 結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)使用效果的因素除了設(shè)備本身的性能外，設(shè)備的安裝也是非常關(guān)鍵的因素。此次設(shè)備安裝在不影響正常生產(chǎn)的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)，共安裝了三個(gè)探頭，分別布置在#3機(jī)組鍋爐的B、D、F層。探頭冷卻風(fēng)取自爐膛火檢冷卻風(fēng)系統(tǒng)，單個(gè)探頭冷卻風(fēng)風(fēng)量為0.4m3/min。

探頭通過(guò)9針信號(hào)電纜與就地控制箱相連，經(jīng)過(guò)就地控制箱放大處理的信號(hào)，通過(guò)高屏蔽12芯通訊電纜送入#3電子間內(nèi)擺放的（OFIS）控制機(jī)柜。

電子間內(nèi)機(jī)柜可通過(guò)硬鏈接方法與DCS系統(tǒng)相連亦可通過(guò)RJ45進(jìn)入內(nèi)網(wǎng)控制，將數(shù)據(jù)送給SIS系統(tǒng)或MIS系統(tǒng)?；鹧嫣卣鬓D(zhuǎn)化成光電信號(hào)，進(jìn)入采集系統(tǒng)，通過(guò)放大過(guò)濾后送到光譜分析及建模軟件單元，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自我辨識(shí)過(guò)程，得出煤種特性。

2.3.2 探頭安裝

根據(jù)鍋爐的實(shí)際結(jié)構(gòu)和燃燒器的布置方式選擇合適的位置，理想的位置是保證能夠很好地觀測(cè)所檢測(cè)燃燒器的火焰狀態(tài)，同時(shí)又不會(huì)看到相鄰或相對(duì)燃燒器的火焰，并且看到的是整個(gè)火焰的前1/3處的火焰初燃區(qū)，即紫外線輻射最強(qiáng)的位置。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)遇到的困難及解決方法

現(xiàn)場(chǎng)磨煤機(jī)出口處沒(méi)有預(yù)留口，也沒(méi)有煤粉采樣裝置，所以我們通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析和測(cè)量，利用煤粉管上的防堵觀察口進(jìn)行取樣，確保煤樣采集能正常進(jìn)行。

3運(yùn)行調(diào)試

3.1 在線煤質(zhì)辨識(shí)系統(tǒng)試驗(yàn)運(yùn)行綜述

#3機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，從2010年1月7日正式開(kāi)始試驗(yàn)運(yùn)行。綜合考慮各方面因素，選取探頭2和探頭3為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，探頭1作為對(duì)比參考使用。系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行30余天，這期間探頭2共采集化驗(yàn)煤樣332個(gè)，探頭3共采集化驗(yàn)煤樣345個(gè)。通過(guò)試驗(yàn)運(yùn)行期間的情況來(lái)看，在線煤質(zhì)辨識(shí)系統(tǒng)的軟件和硬件部分運(yùn)行非常穩(wěn)定。

3.2 探頭試驗(yàn)運(yùn)行情況分析

3.2.1 熱值樣本統(tǒng)計(jì)分布

針對(duì)探頭2所采集的332個(gè)煤樣，化驗(yàn)結(jié)果根據(jù)熱值區(qū)間統(tǒng)計(jì)分布如右圖1中所示

圖1是針對(duì)探頭2采集化驗(yàn)的332個(gè)煤粉樣本根據(jù)100大卡/kg的跨度分為9個(gè)熱值區(qū)間，每個(gè)熱值區(qū)間中包含的已采集和化驗(yàn)的煤粉樣本點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所得出的分布圖，可以直觀地看出，熱值樣本的統(tǒng)計(jì)分布近似呈正態(tài)分布，且熱值區(qū)間在5900～6400范圍內(nèi)的樣本點(diǎn)總共有270個(gè)樣本點(diǎn)，占總樣本點(diǎn)的81.3%。這也符合理論和實(shí)際情況，即熱值在兩端（熱值很高和熱值很低）的煤占少數(shù)，絕大部分的煤的熱值都是在中間區(qū)間內(nèi)分布。

3.2.2 試驗(yàn)運(yùn)行的樣本數(shù)據(jù)分析

結(jié)合人工相關(guān)理論和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，我們將332個(gè)樣本點(diǎn)的熱值和相對(duì)應(yīng)的特征數(shù)據(jù)分為兩個(gè)部分，一部分特征數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中用于在線煤質(zhì)辨識(shí)系統(tǒng)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，讓系統(tǒng)“認(rèn)識(shí)”現(xiàn)在正在燃燒的煤質(zhì)。另一部分的特征數(shù)據(jù)用于辨識(shí)正在燃燒的煤質(zhì)之后，在系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)的時(shí)候就會(huì)“認(rèn)出”這種已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的煤質(zhì)，從而得出煤質(zhì)相應(yīng)的熱值等信息。辨識(shí)系統(tǒng)對(duì)煤質(zhì)熱值的分析辨識(shí)結(jié)果的平均絕對(duì)偏差為1.78%，最小誤差能夠達(dá)到0.01%。且熱值區(qū)間在5900～6400之間的數(shù)據(jù)辨識(shí)結(jié)果較準(zhǔn)確，這與圖1中的熱值樣本統(tǒng)計(jì)分布圖中熱值樣本的分布情況相吻合。分析少量數(shù)據(jù)誤差較大的原因，得出以下結(jié)論。

（1）由于實(shí)際情況的約束，無(wú)法得到和火焰特征信息相對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)煤質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果，而是采用了將一段時(shí)間內(nèi)（3min）采集的煤樣進(jìn)行混合的化驗(yàn)結(jié)果和對(duì)應(yīng)的3min的特征數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，就相當(dāng)于將此3min內(nèi)數(shù)據(jù)強(qiáng)制平均為已得到的化驗(yàn)結(jié)果，即用于訓(xùn)練和學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)本身存在誤差，這是由于煤質(zhì)本身燃燒火焰出現(xiàn)了偏差且離散性大造成的“認(rèn)錯(cuò)和認(rèn)偏”的情況。

（2）由于熱值樣本分布的問(wèn)題，導(dǎo)致了部分熱值樣本點(diǎn)偏少，也就是相對(duì)應(yīng)的特征數(shù)就會(huì)偏少，容易受到其他樣本點(diǎn)多的數(shù)據(jù)的影響，此問(wèn)題可通過(guò)一段時(shí)間的采樣之后該樣本點(diǎn)逐漸增多得到改善。

4結(jié)論

綜合在線煤質(zhì)辨識(shí)系統(tǒng)試驗(yàn)運(yùn)行情況的分析，得出如下結(jié)論。

（1）經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)運(yùn)行，在線煤質(zhì)辨識(shí)系統(tǒng)軟件和硬件都非常穩(wěn)定并且運(yùn)行正常，安全性穩(wěn)定性較高，可以在電廠中推廣運(yùn)用。

（2）由于兩端樣本點(diǎn)的偏少和煤質(zhì)本身離散性大的原因，熱值區(qū)間在5900～6400之間的辨識(shí)結(jié)果較為準(zhǔn)確，全區(qū)間內(nèi)辨識(shí)的平均準(zhǔn)確度為98%以上，平均絕對(duì)偏差為1.78%，最小誤差能夠達(dá)到0.01%。

（3）系統(tǒng)雖然存在一定的誤差，但是系統(tǒng)的綜合準(zhǔn)確性較高，已在系統(tǒng)設(shè)計(jì)誤差范圍內(nèi)，想要進(jìn)一步提高系統(tǒng)準(zhǔn)確度需要在運(yùn)行中逐步增加煤質(zhì)樣本點(diǎn)的采集，增加煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的樣本量，可以達(dá)到進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 岺可法，姚強(qiáng).高等燃燒學(xué)[M].浙大出版社，2002，2.

[2] 李志宏.可視化火焰測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].中國(guó)科學(xué)院工程熱物研究所，2006，11.

[3] OFIS煤質(zhì)在線檢測(cè).白皮書(shū).