智能燃料管理控制系統設計與應用

(中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310012)

1 概述

隨著大氣污染防治行動不斷深化，工業4.0智能生產目標實施，經濟轉型不確定帶來的電力需求下降，對電廠在深度調峰、節能減排、安全可靠、競價上網等方面深挖潛能提出新的更高要求。

燃煤發電廠的燃料成本占其經營成本約60%～70%，燃煤在接卸、輸送、存取、配煤摻燒過程中，由于計量、分析技術、數據共享不足，管理工具受限，燃煤的盤點分析、煤堆的安全監測應用技術手段落后，造成來煤量缺乏及時有效監管，堆煤超時而自燃熱值損耗增大，人力成本高等。通過建設智能燃料管理控制系統，可提高電廠的智能化、精細化管理程度。

2 建設構想

圍繞燃料高效使用為中心點，建立從燃煤到廠信息采集、煤場管理、煤倉管理、鍋爐燃燒整個運行周期的智能化管理；全面采集燃煤及設備運行狀態信息，設計建立自動、實時、完整和豐富的數據庫，利用自動化和信息化手段，提高設備的自動化和系統功能智能化，實現設備、煤炭、人員和系統間信息相互溝通；研究開發分層次、多模塊、交互性、可拓展的應用軟件平臺，規劃建立圖形化、數字化、實時性、高可靠、智能型的滿足電廠安全、經濟、環保運行要求的智能燃料管理控制系統。實際分析電廠全年內運行負荷與燃料供需關系，建立具有反饋功能的分析評估系統，預測電廠燃料需求，使得發電效益、鍋爐排放、燃料運行成本之間得以最佳的耦合。

智能燃料管理控制系統包括燃煤采制化智能子系統、煤場智能控制子系統、智能計量及盤煤子系統、智能安全監測子系統、智能配煤摻燒子系統、智能運行維護管理子系統、智能分析評估子系統等。煤場有斗輪機條形煤場、圓形煤場、刮板取料機長形煤場、球型煤場、方形煤場、蜂窩集束型煤場等多種形態，還有露天型與封閉型之區分，其中以斗輪機條形封閉煤場為機械作業狀態最復雜，煤場智能控制系統以斗輪機條形封閉煤場為例開展研究。以浙江某電廠為例，智能燃料管理控制系統拓撲構架見圖1、智能燃料網絡結構見圖2。

2.1 智能燃煤采制化子系統

智能燃煤采制化系統利用自動識別技術、信息技術、自動控制技術，實現系統的智能化。

2.1.1 采制樣

智能采制樣系統實現智能自動采樣、自動縮分、制樣、集樣，保證樣本的真實性，采樣頻度通過自動監測皮帶機煤炭流量由計算機控制選擇，保證采樣的公平性和公正性，采樣方法符合《煤炭機械化采樣》的要求。

采樣機至少實現一級破碎及縮分功能，煤樣可自動分裝并設置一級噴碼或芯片錄碼，并在系統中自動記錄煤種煤質、船運信息、樣品來源、采樣時間、重量等信息。

自動制樣機具有自動除鐵、輸送、稱重、破碎、縮分、干燥等功能，可自動制出6 mm、3 mm和0.2 mm等若干煤樣，煤樣可自動分裝并設置二級噴碼或芯片錄碼，包含制樣時間、重量等信息。整個過程全自動、無人值守。

2.1.2 樣品輸送

采制樣機至存查煤樣間和化學實驗室的樣品傳輸所需的輸送系統有人工搬運、機器人搬運、智能傳輸系統等。

圖1 智能燃料管理控制系統拓撲構架

機器人搬運指由機器人按照規定操作程序、規定運行路徑，自動接收其他設備發出的操作指令來完成搬運任務，能減輕運行人員的勞動量。機器人搬運具有運距遠，靈活、方便、及時等特點。

圖2 智能燃料網絡結構

智能傳輸系統包括全自動的存儲樣品柜和氣動輸送裝置。存儲樣品柜的智能系統依據樣品條碼自動安排儲存樣品位置、記錄樣品儲存時間、提醒樣品過期等功能。氣動輸送裝置利用壓縮空氣和輸送管道可實現小瓶樣品的快速輸送，防止樣品輸送過程中可能產生的人為問題。

2.1.3 化驗分析

化驗分析智能化是煤樣化驗室人工輔助化驗分析自動化、在線化驗分析自動化兩種智能模式。

煤樣化驗室人工輔助化驗分析自動化模式是指化驗室所用的儀器設備，如萬分之一天平、水分測定儀、工業分析儀、定硫儀、量熱儀等，均通過計算機與網絡相連，測量數據可自動上傳至智能燃料管理控制系統平臺，再上傳至廠級ERP系統，可設定采用人工校核確定后傳送或自動傳送，本地保留備份數據。成品煤樣條碼掃瞄后，通過人工輔助送取，把煤樣分配給各個分析儀器進行分析，降低化驗室工作人員的勞動強度，提高數據上報的準確性和實時性。

在線化驗分析自動化模式是指集采、制、化、棄等操作于一體，布置分析點上部，內部包含13 mm樣制粉和XRF分析模塊，采用X熒光法，在線測定煤中各元素組成，輸出報表測定結果有碳、氧、氮、全硫，灰分，水分，揮發份，熱值，Al，Si，Fe，Mg，Ga，Ti，Na，K 等。

2.2 煤場智能控制子系統

綜合利用自動化控制技術、三維測控技術、激光實時檢測煤流技術、精確定位技術、圖像監控系統技術、安全防護系統技術、數字化網絡平臺技術，創建實時數據庫，獲取斗輪機運行狀態實時監測數據，經過計算機分析計算，實現斗輪機全自動智能控制、遠程監控和緊急狀態干預，運行人員只要在集控室上位機做簡單操作步驟就可以實現對斗輪機智能遠程控制，以達到減員增效目的。

系統主要包括：

掃描系統：建立激光掃描系統獲取堆場的三維數據庫。在斗輪機懸臂左右兩側各裝一只激光掃描裝置，利用激光掃描裝置在斗輪機堆取料作業時同時掃描煤堆的外形圖像，并將圖像數據和斗輪空間位置信息實時同步傳輸到計算機平臺。通過使用三維建模技術和計算機圖形處理技術，對空間位置信息數據在計算機平臺進行三維坐標轉換，構建出三角網格模型，還原被測煤場的真實形狀，科學計算出料場體積，最終通過計算機計算出煤場儲煤量。

煤流系統：實現斗輪機皮帶煤流量的實時準確監測。在懸臂皮帶靠近斗輪側安裝一只激光掃描型煤流量檢測裝置，激光掃描皮帶橫切面，獲取斗輪懸臂皮帶實時流量，作為堆取煤控制調節參數，并與取料設定值的比較，采用閉環PID功能模塊，系統自動調整回轉速度，保持取料量恒定，提高取煤效率。

定位系統：實現斗輪機大車、斗輪及懸臂位置的精確定位。包含斗輪機大車的軌道位置、懸臂俯仰角度以及懸臂回轉角度等位置數據庫。其中大車位置精度要求小于50 mm，俯仰角度精度要求小于0.2°，水平回轉角度精度要求小于0.3°。定位方式采用冗余方式，左右大車采用增量型編碼器、高速計數模塊組合形式, 單圈12位以上，編碼器安裝于大車驅動電機尾部，同時采用多點自動校準裝置(基于RFID技術，校準點含地址碼)，精確定位大車位置。在軌道上間隔20 m安裝一個校準點，斗輪機上安裝校準接收器，在斗輪機行走過程中，接近預埋在軌道上的校準點時，自動校準大車的位置。懸臂俯仰、回轉角度檢測編碼器采用增量型編碼器, 單圈12位以上, 并設零位校正。

控制系統：實現斗輪機遠程全自動無人控制作業。斗輪機按工藝流程自動啟動相關設備(主令電源合閘、自動啟動液壓油站系統、啟動運行聲光報警、大車行走、懸臂皮帶、斗輪……)，自動尋址到指定位置后自動開始作業。

防護系統：指斗輪機內部自身的各部件安全報警保護、斗輪機機械對人體傷害保護及人員資質許可保護等。行人安全防護：在斗輪機大車前后靠近軌道側各安裝行人檢測保護裝置，當斗輪機作業過程中檢測到行人或障礙物時，大車自動停止行走，行人離開或障礙物撤除后恢復行走，有效防止安全事故發生。安全報警界面：斗輪機各運動機構配置過載保護裝置、過力矩保護聯鎖等，實時報警顯示在人機界面上。出入防護：在斗輪機主要位置增設出入防護系統，只有授權人員才可以出入。如果有多臺斗輪機是共軌運行，則需設置共軌防撞閉鎖：實時監測兩臺斗輪機的三維位置信息，配置光電測距、機械斷電，限位檢測等多種不同安全防護設施，進行安全警報與遠程監控聯動、智能調控斗輪機運行狀態。在輸煤控制室的上位機和操作臺上分別設置軟緊急與硬緊急停止按鈕等功能開關。

監視系統：實現斗輪機全方位監視。在斗輪機的各個關鍵部位(斗輪、皮帶機構、大車、尾車等)安裝7～8個網絡數字式高清攝像機，圖像通過視頻網絡傳送至輸煤控制室顯示終端，斗輪機在作業過程中，運行人員可以實時監視設備當前運行情況。光纜配置宜采用柔性且至少12芯的單模光纜。

2.3 智能計量及盤煤子系統

在卸煤系統、上煤系統帶式輸送機上布置雙疊加砝碼皮帶秤在線核查裝置，用于來煤、上煤計量。該裝置包含在線遠程自動校驗與診斷系統，采用雙砝碼疊加“模擬單位長度恒定載荷的效果”的方法，通過比較主秤、副秤計量差異值超過設定值，電腦控制系統發出報警，并指令副秤自動加載砝碼進行在線核查，實現電子皮帶秤在有效溯源周期內是否保持其計量性能的遠程在線校驗和核查，及時發現與排除異常情況引起的計量缺陷，提升電子皮帶秤計量精度的長期穩定性和設備的運行可靠性。

煤場三維實時盤煤系統利用激光技術，掃描煤場內部的煤堆，建立煤堆三維形狀數據庫，通過計算機模擬現場煤堆實時三維模型，用于實時監測煤場內煤堆三維形狀和實際堆放情況，展示煤場分層分堆綜合屬性信息，模擬計算煤堆煤量。掃描數據通過光纖實時傳輸到智能燃料管理控制系統平臺。

煤堆激光盤煤檢測系統可以安裝在斗輪機的頭部兩側或封閉煤棚上部的軌道機器人處、或固定安裝在煤場上空區域。安裝在斗輪機頭部的方案，受激光盤煤檢測系統掃描死角影響，煤堆外側是通過計算機模擬實現，因此安裝在煤棚軌道機器人或煤場上空區域處的方案的測量精度較高。

2.4 智能安全監測子系統

智能安全監測子系統主要有煤堆溫度監測系統、可燃性氣體和煤塵濃度監測與控制系統、皮帶明火監測與控制系統等三部分內容。根據煤場儲存燃煤特性及煤場類型不同，智能安全監測子系統包含的側重點有所區別，對于斗輪機條形封閉煤場這種大空間型式儲煤場，如果內部通風條件較好，其可燃性氣體和煤塵濃度監測相比會難度較大。通過對廣東神華國華惠州熱電廠與大唐太原第二熱電廠的斗輪機條形全封閉煤場調研，廣東神華國華惠州熱電廠的全封閉煤場內沒有設計布置智能安全監測子系統，設計采用頂部開天窗通風，據運行人員反饋，煤場內的煤塵濃度較高，場內灰蒙蒙，在夏季溫度較高時，煤場內水煤氣味會較重，現進行增加頂部開天窗通風改造，以期改善內部環境。大唐太原第二熱電廠的全封閉煤場內設計布置了智能安全監測子系統，據運行反饋，煤場內的煤塵濃度監測出現多次觸發，但可燃性氣體監測沒有觸發過。

因此，在開展設計時還應就燃用煤種、燃煤揮發份含量以及廠址區域的環境溫度、煤場型式與封閉程度等具體情況作詳細分析后，確定智能安全監測子系統包含某幾種類型或全套方案。

2.4.1 溫度監測系統

通過紅外測溫儀對整個條形煤場煤堆外表面進行全方位無縫掃描,實時監控煤堆區域相對溫度變化，對溫度高于其他區域的局部區段采取智能測溫棒進行實測重點監控,信息數據納入智能燃料管理控制系統，在場煤堆實時三維模型中展示煤堆溫度分布，支持分區高溫報警和報表生成等功能，并把該區域列為智能上煤模型中優先取煤選項。紅外測溫儀加裝旋轉云臺，可以360度全方位掃描煤場內煤堆外表面溫度變化。

2.4.2 可燃性氣體、煤塵濃度監測與控制系統

在全封閉煤場內部布置可燃性氣體監測裝置和煤塵濃度監控裝置，信息數據納入智能燃料管理控制系統，并實現智能調控煤場噴霧抑塵系統和通風系統，避免抑塵、通風系統長時間運行，節約能耗。監測裝置可采用固定測點或機器人移動監測。

2.4.3 皮帶明火監測與控制系統

在煤場出入口皮帶，采用在線式紅外激光測溫儀，實時監測皮帶煤流溫度，實現溫度曲線保存及回放，高溫報警，實現明火噴淋系統自動控制聯動等功能。

2.5 智能配煤摻燒子系統

根據煤場燃煤存儲數據(包括煤種煤質、煤量、煤溫等)，結合鍋爐配煤燃燒特性、鍋爐效率、鍋爐排放等指標要求，形成配煤策略。選擇最優上煤方案，指令運煤系統設備自動取煤上煤。

根據配煤地點、方式及配煤精確程度要求情況，配煤摻燒可有煤場配煤摻燒或分倉配煤摻燒等方式。分倉配煤摻燒的配煤精確程度高于煤場配煤摻燒。

2.5.1 配煤策略模型

根據煤場儲煤數據庫信息(煤質、煤量、煤溫、存放時間長短等)，結合鍋爐配煤摻燒試驗及歷史的配煤方式與配煤特性構建配煤模型，分析預測各煤種配煤組合的運行特性，包括配煤煤質、燃燒特性、鍋爐效率、鍋爐排放等指標，對比設定目標值，依據安全、經濟、環保不同優選策略，從配煤組合中自動選擇最佳方案。

通過大量鍋爐燃燒試驗，獲取基礎配煤數據，采用回歸分析和仿真方法，建立智能配煤摻燒基層模型，如煤質元素分析預測模型、配煤煤質預測模型、配煤灰熔點預測模型、煤燃燒動力學預測模型、燃燒特性分析模型、配煤燃燒特性預測模型、飛灰含碳量預測模型、排煙溫度預測模型、鍋爐效率計算模塊、燃燒NOx預測模型、燃燒SO2預測模型、結渣傾向性預測模型、入爐煤優化調配模型等。

燃燒經濟分析：采集燃燒煤質、鍋爐飛灰含碳量、氧量、排煙溫度、環境溫度測量數據，對鍋爐燃燒的實際運行效率計算，分析評估配煤燃燒經濟性。其中飛灰含碳量按實測數據，否則由預測模型提供預測數據。

燃燒安全分析：建立在線實時的鍋爐熱力計算模型，實時計算鍋爐各換熱面的熱力學參數，通過鍋爐換熱面熱力學參數的長時間變遷分析，預測水冷壁或高溫受熱面結渣的可能性。

燃燒環保指標分析：采集燃燒NOx、SO2、煙塵排放濃度實測數據，對配煤摻燒排放進行分析評估，提高環保指標預測準確率。

智能配煤摻燒系統自主學習功能：因鍋爐負荷處于多變狀態，絕大部分數據不能用于系統自主建模，通過建立穩定工況在線評判模型，后臺進行穩定工況智能化選取，獲取并存儲穩定工況下的鍋爐運行參數(包括燃燒控制參數)和入爐煤及其摻燒模式、鍋爐效率、NOx濃度等相關參數，作為優化和完善智能模型的自主學習數據源，提高智能摻燒模型的預測結果和實際運行結果的吻合程度。

2.5.2 智能上煤模型

依據配煤策略模型，結合煤場煤質分布情況、輸煤系統設備工作狀態、煤堆溫度及存放時間情況等，智能制定取煤方案，指令斗輪機取煤作業，提高上煤效率，降低運行成本。

2.5.3 煤倉動態顯示模型

根據精確配煤摻燒方案，實時比較分析煤倉進煤量和磨煤機的流量，得出煤倉內各煤種的煤量，為制定煤場取煤方案提供煤量數據。

2.5.4 煤種自燃氧化損耗分析模型

通過煤堆智能測溫棒實時將檢測到的溫度數據傳送到系統，結合煤場管理子系統，實時獲得煤堆的溫度分布和變化趨勢，對不同煤種存放時間、煤質數據(熱值)進行統計、分析、仿真，建立不同煤種溫度變化、煤質數據變化和時間軸的智能分析堆煤自燃氧化損耗模型，預測無煤堆智能測溫棒煤堆區域自燃氧化損耗程度，提高煤炭儲存的安全性，為智能制定配煤摻燒策略及上煤方案提供基礎數據。

2.6 堆場管理子系統

利用斗輪機精確定位、煤堆區域溫度建立的數據庫，結合系統產生的時間維度，通過三維圖形方式全面直觀的展示煤場多維度數據，動態顯示各個煤場中燃煤信息，包括燃煤儲存指標、煤質構成、燃煤堆放ID地址、煤堆溫度、煤堆體積及煤量、時間等情況。通過信息可隨時了解燃煤使用情況，為燃煤采購提供依據。

系統智能生成入廠煤堆放方案，在煤堆圖形上預示堆放后效果(煤堆處于高亮狀態)，用戶確認后系統發出堆放入庫指令，系統支持對多批來煤進行批量入庫操作。

接受取煤指令，系統智能優選預示取用堆煤圖形效果并高亮顯示，用戶確認后系統發出取煤啟動指令，取煤完成后，煤堆圖形處于固化狀態。操作執行時間可預設也可手動調整。

當煤場存煤量低于正常發電庫存、溫度超過系統設置值、存煤時間超過系統設置值、斗輪機未按指令堆取煤時，系統向對應人員發送預警信息，實現煤場預警。

2.7 智能運行維護管理子系統

建立先進的設備管理方法和設備狀態監測為基礎的設備維修技術，以設備狀態監測及故障診斷技術為前提的設備預防性維修管理模式，有利于提高設備的工作連續性及安全可靠性,是實現電廠設備管理智能化的必要條件。

電廠設備智能運行維護管理系統主要有設備的壽命管理、質量管理、危機管理等。

2.7.1 壽命管理

轉動部件需要監控主要指碎煤機、篩煤機、滾筒、減速器、電動機軸承部位的溫度、振動，在需要檢測的軸承部位安裝振動監測儀和溫度監測裝置，監測數據實時傳輸至智能燃料管理控制系統數據庫開展分析，異常情況發出報警，由運行人員現場確認軸承溫度、振動、轉動聲音情況，根據軸承生命周期由系統確定啟動相應處理程序。包括托輥軸承等數據庫將記錄軸承安裝位置、進庫時間、軸承型號、品牌、托輥制造商、每次運行時間、累計運行時間、潤滑油脂加注時間、損壞原因等信息，系統進行數據分析，在壽命后期發出相應預警加強測量周期監控，對設備剛剛大修后或接近大修時或監測數據曲線變化明顯的轉動部件，可加強測量間隔密度，以防突發事故而造成故障停機；系統根據數據庫記錄，參照軸承生命周期，自動提醒需要跟換或加注潤滑油脂等周期性維護操作。

2.7.2 質量管理

系統根據數據庫記錄，統計部件的使用壽命及損壞原因，分析得出各個維修部件在不同制造商品牌、制造質量、使用壽命的質量等級，為備品備件采購提供理論依據和指導意見。

2.7.3 危機管理

落煤管、膠帶積煤自燃監測：在正對容易積煤區域且不受煤炭沖擊的落煤管部位開設監測窗口，窗口外側固定帶紅外窗口的密封錐形凸臺罩，將配保護裝置的紅外測溫儀安裝在紅外窗口處，紅外探頭對著積煤區域，也可在容易積煤的落煤管部位外表面粘貼熱電偶獲取溫度數據，測得溫度數據傳輸至智能燃料管理控制系統數據庫開展分析,異常情況發出報警并啟動相應處理程序。

在皮帶機尾部滾筒、拉緊裝置間等區域安裝帶紅外測溫的紅外熱成像攝像機監測這些區域的積煤情況或斷帶后膠帶墜落堆積情況，監測積煤自燃情況，圖像及測溫數據傳輸至智能燃料管理控制系統數據庫開展分析，異常情況發出報警并啟動相應處理程序，如受智能燃料管理控制系統指令控制的帶電磁閥沖洗裝置清除積煤。

對于運煤系統的其他設備及其零部件可參照相應模式開展智能化管理。

2.8 智能分析評估子系統

利用已有的數據庫信息，根據電廠的實際需要，可建立的如煤質分析評價系統、煤量分析評估系統、設備狀態分析系統等多個智能分析評估系統。

煤質分析評價系統：根據智能燃煤采制化子系統獲得即時煤質數據，利用數據庫內積累的對應煤種的大量分析數據及預設的偏差值，分析其煤質數據是否存在異常偏差，如發現異常，可及時把該信息反饋到化驗分析終端，提醒在分析對象棄樣前檢查分析儀器準確性和再次對煤樣進行重復性化驗分析，確定異常數據的準確性；對照數據庫內供煤方提供的煤質數據，如煤質偏差超預設的偏差值，系統發出警告并啟動請求第三方檢驗確認程序；系統接收第三方檢驗結果數據，啟動供需雙方對檢驗結果確認流程，經確認后，系統將自動修正堆放在煤場內該煤種的數據庫煤質數據。

煤量分析評估系統:在車輛卸車裝置前或卸船機上安裝激光三維盤煤裝置，掃描車或船上煤堆三維形狀，根據數據庫內的車輛或船型數據，計算出煤堆體積及煤量值，與汽車衡、軌道衡或水尺測得計量數據及預設的偏差值對比，分析其數據是否存在異常偏差，如發現異常，可及時把該信息反饋到計量裝置終端，提醒進行計量裝置準確性標定，并利用煤質分析數據異常情況，開展異常原因分析與處理；通過大量的數據及計量裝置準確性標定，可完善和修正數據庫內不同煤種在車輛、船艙、煤場堆放的比重，使計算比重值越來越接近實際比重值，提高了發現計量裝置異常及時性；對于異常計量數據，系統發出警告并啟動請求第三方確認程序；系統接收第三方核算結果數據，啟動供需雙方對核算結果確認流程，經確認后，系統將自動修正數據庫內計量數據，含堆放在煤場內該煤種的煤量數據。

設備狀態分析系統：根據設備及部件的振動、溫度、電流值、壽命值、加注潤滑油脂及維護情況、啟動使用頻率等數據，綜合判定設備及部件所處的運行狀態為優異、良好、注意、不能使用四種狀態，設備在檢修或解除聯鎖期判定為不能使用狀態，設備狀態為注意、不能使用時，系統將發出警告；依據設備運行狀態，遵照規定時間內檢驗設備可投入率原則，智能選擇運煤系統的運行控制方案。

3 結語

通過建立智能燃料管理控制系統，不僅有助于電廠減少煤炭的無功耗損，降低運行成本增強經濟效益，還能助力電廠實現精細化管理，減少或避免安全事故，提高電廠的安全運行。利用積累的大量數據，不斷完善和豐富智能管理控制系統，建立專家系統，進一步推動電廠由智能化向更高層的智慧進行轉變，滿足經濟不斷發展和科學管理水平提高的需求。