燃煤電廠智能燃料系統(tǒng)整體解決方案探討

阮光，江學(xué)文，周曉亮，管海民，楊凱，張松濤

（1.浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325609；2.杭州集益科技有限公司，浙江 杭州 311200）

燃料費用在燃煤發(fā)電廠經(jīng)營成本中占60%～70%的比例，燃煤對電廠機組安全經(jīng)濟環(huán)保運行和電廠經(jīng)營有著舉足輕重的影響。因此，如何有效、高效地利用配煤摻燒，提升電廠運行和經(jīng)營效率，是國內(nèi)各大發(fā)電集團一直在研究解決的課題。

隨著科技的進步，電廠的自動化、信息化、智能化程度在國內(nèi)各行業(yè)中已經(jīng)走在前列。電廠在燃料生產(chǎn)和管理上不斷改造和完善，在輸煤程控建設(shè)、斗輪機的全自動控制、電子皮帶秤的測量精度、采制化全自動等方面均進行了大量的研究和改造，使輸煤系統(tǒng)實現(xiàn)了部分設(shè)備的自動化、信息化。但是，在接卸、輸送、存儲、配煤摻燒過程中，由于大型設(shè)備自動化程度不高，如卸船機的自動化尚處于前期試點研究階段、斗輪機全自動鮮有成功的工程應(yīng)用。煤場盤點還不具備實時性。燃煤的堆損分析及控制、上煤方式的精細策劃缺乏有效的技術(shù)手段。鍋爐機組的配煤摻燒也以運行人員經(jīng)驗為主；從燃煤入廠、采制化、堆場、輸送到入爐，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)全區(qū)共享而難以有效利用，導(dǎo)致管理與運行控制脫節(jié)。因此，電廠燃料生產(chǎn)和管理還存在不少需要研究和挖掘潛力的地帶，整體管理水平相對于主輔機設(shè)備管理而言水平較低。

物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)加、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、智能制造等先進技術(shù)的涌現(xiàn)和應(yīng)用，以及國家關(guān)于 中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略的推動，智能電廠建設(shè)進入了規(guī)劃和實施進程。智能電廠是以現(xiàn)代數(shù)字信息化技術(shù)、通信技術(shù)以及智能傳感與執(zhí)行、智能控制和管理決策等技術(shù)為基礎(chǔ),從而形成智能發(fā)電模式,以實現(xiàn)更高效、安全、環(huán)保運行，并與智能電網(wǎng)相互協(xié)調(diào)的發(fā)電廠。作為智能電廠不可或缺的組成之一，智能燃料系統(tǒng)建設(shè)的必要性越來越顯著，感知技術(shù)的發(fā)展、煤場裝備自動化水平的提高以及人工智能技術(shù)的應(yīng)用，為智能燃料系統(tǒng)的建設(shè)提供了技術(shù)支持。本文以某濱海大型燃煤電廠為例，探討智能燃料系統(tǒng)的整體解決方案。

1 系統(tǒng)目標(biāo)

在工業(yè)智能化需求的大背景下，以智能電廠規(guī)劃為總體目標(biāo)框架，以智能系統(tǒng)為智能生產(chǎn)、智能管理服務(wù)為基本理念，以提升電廠安全、環(huán)保、經(jīng)濟生產(chǎn)能力為基本目的，研發(fā)智能電廠的關(guān)鍵基礎(chǔ)部分 智能燃料。

利用先進的智能控制和感知技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘、AI、智能預(yù)測算法、智能優(yōu)化算法等技術(shù)，研發(fā)燃料系統(tǒng)相關(guān)的智能化設(shè)備、智能化模型與智能化流程。

以智能配煤為核心，以智能燃料為鍋爐運行服務(wù)為主旨，以燃料管理流程及其關(guān)鍵節(jié)點智能化為基本要素，研發(fā)具有智能生產(chǎn)力的智能燃料系統(tǒng)軟件平臺。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計

智能燃料系統(tǒng)層次架構(gòu)包括3個層次：感知與執(zhí)行層、過程控制層、應(yīng)用管理層，如圖1。

圖1 智能燃料系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知與執(zhí)行層包括智能感知設(shè)備、執(zhí)行機構(gòu)設(shè)備及試驗。執(zhí)行機構(gòu)設(shè)備包括斗輪機、卸船機、輸煤皮帶及輔助設(shè)備；智能感知設(shè)備包括計量系統(tǒng)（入廠和入爐皮帶秤）、采制化系統(tǒng)（入廠和入爐采制樣及化驗）、煤場盤點系統(tǒng)、數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)、電量采集系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以及鍋爐煤種適燒試驗等。

過程控制層包括智能輸煤控制系統(tǒng)、煤場信息處理系統(tǒng)及試驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。智能輸煤控制系統(tǒng)包括斗輪機全自動控制系統(tǒng)、卸船機自動控制系統(tǒng)、智能輸煤程控系統(tǒng)等；煤場信息處理系統(tǒng)包括堆場信息處理系統(tǒng)、輸煤現(xiàn)場信息系統(tǒng)等；試驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括試驗數(shù)據(jù)分析和配煤摻燒建模等系統(tǒng)。

應(yīng)用管理層包括智能燃料管理平臺，智能燃料管理平臺與電廠其他系統(tǒng)如ERP、SIS、生產(chǎn)管理、QHSE及互聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及互聯(lián)互通。

系統(tǒng)的整體流程圖和信息流分別如圖2、3。

圖2 智能燃料系統(tǒng)整體流程圖

圖3 智能燃料系統(tǒng)信息流示意圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3．1 智能配煤摻燒技術(shù)

作為整個系統(tǒng)的核心功能，通過理論研究、大量的鍋爐煤種配煤摻燒適燒試驗、試驗分析和建模，建立基于鍋爐燃燒預(yù)測的智能配煤摻燒底層數(shù)學(xué)模型。主要目標(biāo)如下。

（1）更精準(zhǔn)的配煤燃燒預(yù)測與優(yōu)化：根據(jù)煤種/煤質(zhì)、上磨方式預(yù)測燃燒NOx濃度、飛灰含碳量、排煙溫度→計算鍋爐效率、發(fā)電煤耗→優(yōu)化煤種選擇、優(yōu)化配煤摻燒比例、優(yōu)化上磨方式。

（2）更精準(zhǔn)的配煤灰熔點預(yù)測→結(jié)渣傾向性預(yù)測：原煤灰分差異。

（3）更精準(zhǔn)的配煤SO2濃度預(yù)測：考慮不同煤種的固硫率和灰分。

（4）更精準(zhǔn)的煤場堆取煤優(yōu)化：為入爐配煤和煤場儲備服務(wù)的堆煤場地優(yōu)化、減少熱損的煤場流轉(zhuǎn)優(yōu)化。

3．2 煤場智能感知技術(shù)

燃煤在其廠外運輸和廠內(nèi)流轉(zhuǎn)過程中，如何對其質(zhì)和量的信息進行實時采集、獲得和處理，是解決智能燃料系統(tǒng)的實時可用性的基礎(chǔ)。解決這個問題，通過后續(xù)的智能數(shù)據(jù)分析，智能配煤摻燒、智能調(diào)度、智能控制等功能，即可實現(xiàn)燃料管理和運行的智能化管控。主要目標(biāo)如下：

（1）利用斗輪機煤垛檢測裝置，實現(xiàn)斗輪機實時盤煤。

（2）利用無人機自動測繪技術(shù)，實現(xiàn)無人機盤煤。

（3）利用三維建模和圖像處理技術(shù)實現(xiàn)煤場和煤堆的三維重現(xiàn)。

（4）利用煤溫監(jiān)測技術(shù)，形成堆損分析模型。

（5）利用電子皮帶秤在線校準(zhǔn)技術(shù)，實現(xiàn)電子皮帶秤的高精密度及高可靠性。

（6）利用輸煤設(shè)備電量在線采集技術(shù)，實現(xiàn)電量分體在線采集。

（7）利用采制化在線管理技術(shù)，實現(xiàn)分煤種采制化。

參照文獻［5］方法，行冠脈結(jié)扎術(shù)。取大鼠，麻醉后仰位固定，頸部做切口，接入人工呼吸機（潮氣量為20 mL/kg，呼吸頻率為60次/min），四肢連接心電圖機，于胸骨左旁第三、四肋間開胸，使心臟暴露，用帶線縫合針于左心耳下緣的冠脈前降支起始部約4 mm位置處進針，深度約1 mm，取一段直徑1.5 mm的乳膠管放于縫合線下方，繼而將縫合線結(jié)扎致心肌組織缺血。缺血時間30 min后，可觀察到大鼠心電圖的ST段有顯著抬高或者T波高聳，繼而松開縫合線再灌注2 h，觀察到心電圖抬高的ST段下降一半以上或者高聳的T波下降則為再灌注成功。

3．3 煤場智能生產(chǎn)線技術(shù)

利用先進的探測、檢測、測量、測繪等先進感知技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)，改造卸船機、斗輪機、輸煤程控等，將傳統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)升級為智能工業(yè)機器人；同時開發(fā)和集成船運管理、上煤調(diào)度等模塊，實現(xiàn)輸煤生產(chǎn)線智能化。主要目標(biāo)如下：

（1）對輸煤系統(tǒng)設(shè)備進行自動化、智能化升級改造，提升輸煤系統(tǒng)自動化、智能化程度，實現(xiàn)高效節(jié)能、減人等目標(biāo)，同時豐富輸煤現(xiàn)場感知能力。

（2）基于鍋爐燃煤智能摻燒要求和煤場儲運要求，建立基于規(guī)則調(diào)度的專家系統(tǒng)，實現(xiàn)智能調(diào)度。

3．4 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

通過智能感知技術(shù)的應(yīng)用，以及智能控制過程中的感知設(shè)備和現(xiàn)有的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)獲得了燃煤在其廠外運輸和廠內(nèi)流轉(zhuǎn)過程中的全面實時數(shù)據(jù)，包括質(zhì)和量2方面。在實時數(shù)據(jù)的獲得與數(shù)據(jù)的應(yīng)用如智能配煤摻燒、智能調(diào)度、智能控制、智能采購決策等之間，對數(shù)據(jù)的智能分析起到了一個重要的中間作用。

燃煤在其廠外運輸和廠內(nèi)流轉(zhuǎn)過程中，如何對其質(zhì)和量的信息進行實時跟蹤，是解決智能燃料系統(tǒng)的實時可用性的基礎(chǔ)。燃料特征碼全程追蹤模型，為跟蹤燃煤的物理狀態(tài)與在線信息的實時跟蹤和對應(yīng)提供了解決方案。主要目標(biāo)如下：

（1）開發(fā)燃料特征碼全流程追蹤技術(shù)，實現(xiàn)對燃煤在其流轉(zhuǎn)過程中的實時跟蹤。

（2）開發(fā)燃煤全流程計量，實現(xiàn)特定批次煤種的全流程精確計量。

（3）開發(fā)燃煤全流程能耗，實現(xiàn)能耗全過程分析。

3．5 入爐煤煤量煤質(zhì)精準(zhǔn)分析技術(shù)

根據(jù)燃料特征碼，利用入爐煤電子皮帶秤、煤倉料位計、給煤機實時給煤流量、犁煤器狀態(tài)等數(shù)據(jù)，采用時序分析法、周期濾波、數(shù)值差分分析等算法，建立煤倉實時分層模型，實時對煤倉中不同煤種進行智能分層，辨識各煤層的煤位、煤量、煤種和煤質(zhì)等信息，實現(xiàn)對實時燃燒煤煤種煤質(zhì)的精準(zhǔn)預(yù)測和實時辨識。該技術(shù)的應(yīng)用為分倉計量、分爐煤耗計量、分機組正平衡發(fā)電煤耗分析、智能配煤摻燒的應(yīng)用及今后智能燃燒、智能磨煤機等智能電廠的建設(shè)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。主要目標(biāo)如下：

（1）利用煤倉的分倉計量原理，建立分倉計量模型。

（2）利用煤倉的煤位的動態(tài)變化機理，建立煤倉分層模型。

（3）利用磨煤機熱平衡原理，建立入爐煤實時辨識模型。

3．6 智能燃料系統(tǒng)軟件總體功能規(guī)劃

根據(jù)智能電廠的整體規(guī)劃需求和電廠的管理需求，對需求進行分解和技術(shù)可行性分析，研究開發(fā)智能燃料系統(tǒng)的平臺和功能模塊，對軟件功能進行模塊化設(shè)計，形成一個功能完備、有擴展性，穩(wěn)定可靠的軟件系統(tǒng)，并為今后發(fā)電集團層面智能燃料系統(tǒng)的云平臺提供基礎(chǔ)（圖4）。

圖4 智能燃料系統(tǒng)平臺架構(gòu)

各個子系統(tǒng)圍繞智能配煤摻燒這個核心功能，有效實現(xiàn)摻燒策略、堆煤上煤方案、精確計量、設(shè)備自動化、煤場實時管理、鍋爐安全經(jīng)濟環(huán)保評估等具體功能。

（1）系統(tǒng)平臺。包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)接口等，實現(xiàn)平臺內(nèi)部數(shù)據(jù)、外部數(shù)據(jù)的整合統(tǒng)一。

（2）智能配煤摻燒。利用智能配煤摻燒技術(shù)開發(fā)底層的各項數(shù)學(xué)模型，包括混煤煤質(zhì)和燃燒預(yù)測模型，鍋爐燃燒預(yù)測模型、配煤方案尋優(yōu)模型，燃燒實時分析模型等。

（3）燃料智能采購策略系統(tǒng)。根據(jù)未來配煤方案，結(jié)合煤場存煤和途中煤的分析以及煤價數(shù)據(jù)，通過燃料總體經(jīng)濟性分析，對未來燃料采購策略提供指導(dǎo)。

（4）鍋爐實時運行管理系統(tǒng)。在鍋爐機組運行期間，系統(tǒng)實時提供機組運行人員原煤倉實時運行信息等。

（5）燃料智能調(diào)度管理系統(tǒng)。對船運狀態(tài)進行實時跟蹤和管理，實現(xiàn)智能船運管理功能；運用智能配煤摻燒的結(jié)果，形成最優(yōu)上煤、堆煤方案。

（6）燃料智能運行管理系統(tǒng)。在燃料運行期間，系統(tǒng)實時提供運行人員整個輸煤流程的運行動態(tài)圖以及工單指令執(zhí)行狀態(tài)。

（7）統(tǒng)計報表分析。利用數(shù)據(jù)挖掘的成果，實現(xiàn)燃煤全流程計量、能耗等的智能分析統(tǒng)計；根據(jù)管理需要設(shè)計相關(guān)報表。

4 結(jié)語

針對船運燃煤電廠的燃料管理特點，系統(tǒng)介紹了智能燃料系統(tǒng)的整體方案內(nèi)容。通過智能配煤摻燒、煤場智能感知、煤場智能生產(chǎn)線、數(shù)據(jù)挖掘、入爐煤的煤量煤質(zhì)精準(zhǔn)分析等技術(shù)的應(yīng)用和研究，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化升級改造，打通輸煤管控全流程的數(shù)據(jù)通路，建立一套具有實時數(shù)據(jù)、 一鍵式的智能上煤管理決策與智能輸煤作業(yè)實時聯(lián)動、以電廠燃料安全、經(jīng)濟、環(huán)保運行為最終目的的智能燃料實時管控系統(tǒng)，從而提升電廠燃料的管理效益，并為智能電廠的建設(shè)起到一個很好的示范效應(yīng)，具有重要的意義。