火力發(fā)電企業(yè)燃料智能化系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

包哲文張 磊蔣志強(qiáng)

（1.杭州華電能源工程有限公司，浙江 杭州 310030；2.杭州華電雙冠能源科技有限公司，浙江 杭州 310030；3.中國(guó)華電集團(tuán)有限公司，北京 100031）

0 引言

隨著“國(guó)家2025戰(zhàn)略”的提出，發(fā)展基于新技術(shù)的“無(wú)人經(jīng)濟(jì)”，是實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、運(yùn)營(yíng)管理現(xiàn)代化的重要舉措。目前人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G通信等新技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)火力發(fā)電企業(yè)燃料管理向智能化發(fā)展。根據(jù)中國(guó)工程院預(yù)測(cè)，截至2035年，煤炭在我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比將從2018年的59%下降至47%，但電煤比例將由目前的52%提高至65%，安全、高效、綠色火力發(fā)電仍將是發(fā)電的主要形式[1]。

燃料成本占火力發(fā)電企業(yè)總成本的70%左右，控制燃料成本是電廠降低發(fā)電成本的關(guān)鍵舉措，相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者也對(duì)燃料智能化建設(shè)做了一些研究，周?chē)?guó)忠[2]、龔福[3]對(duì)燃料智能化管理系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)析，高滿達(dá)等人[4]利用智能化技術(shù)和智慧化管理理念，探討了火電廠智能燃料典型建設(shè)方向。但是目前的一些研究沒(méi)有形成火力發(fā)電企業(yè)入廠到入爐煤炭全流程的智能化建設(shè)方案，從設(shè)備、管控、應(yīng)用等方面介紹的還不是很具體。

當(dāng)前火力發(fā)電企業(yè)燃料驗(yàn)收環(huán)節(jié)人工參與度高、機(jī)械化水平低；煤場(chǎng)管理不精細(xì)，燃煤堆放周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不及時(shí)，且人工盤(pán)點(diǎn)誤差大；摻配煤難度大，缺少直觀的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和配煤依據(jù)，無(wú)法從理論上和實(shí)際數(shù)據(jù)上指導(dǎo)配煤摻燒工作，容易影響鍋爐燃燒。針對(duì)目前火力發(fā)電企業(yè)燃料管理存在的不足，有必要開(kāi)展燃料智能化建設(shè)，通過(guò)煤炭科學(xué)合理的采購(gòu)、驗(yàn)收、堆煤、取煤，儲(chǔ)存及摻配，結(jié)合鍋爐燃燒安全充分挖掘煤電企業(yè)用煤管理潛力，逐步實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)燃料精益化管理，高質(zhì)量服務(wù)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)。

1 燃料智能化系統(tǒng)概述

綜合利用信息技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)及創(chuàng)新概念等，通過(guò)對(duì)運(yùn)煤車(chē)船、燃煤計(jì)量、燃煤煤質(zhì)驗(yàn)收、燃煤接卸輸送、燃煤系統(tǒng)安全監(jiān)控、儲(chǔ)煤場(chǎng)、燃煤摻配、入爐煤質(zhì)檢測(cè)等設(shè)備設(shè)施進(jìn)行智能化升級(jí)和系統(tǒng)集成，形成對(duì)燃煤入廠至入爐全流程智能化管控的有機(jī)結(jié)合體，有效提高燃料使用價(jià)值，為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)提供支撐。智能燃煤系統(tǒng)按功能劃分為現(xiàn)場(chǎng)層、管控層和應(yīng)用層三個(gè)層次，整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能燃煤系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 建設(shè)原則

智能燃煤系統(tǒng)是一個(gè)立足燃料全過(guò)程管理和控制，考慮設(shè)備設(shè)施自動(dòng)化、智能化、人性化的燃煤控制系統(tǒng)。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要完全結(jié)合電廠實(shí)際，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，統(tǒng)一規(guī)劃實(shí)施，在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循以下幾個(gè)基本原則：

（1）標(biāo)準(zhǔn)化原則：數(shù)據(jù)編碼標(biāo)準(zhǔn)化、業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化、管理制度標(biāo)準(zhǔn)化。

（2）模塊化原則：分層次、分模塊設(shè)計(jì)，強(qiáng)化模塊的內(nèi)聚，做到模塊并聯(lián)。

（3）安全原則：包括數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)安全，數(shù)據(jù)不能任意修改，系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)閘隔離、安全審計(jì)、防火墻等相關(guān)網(wǎng)絡(luò)信息安全手段，確保網(wǎng)絡(luò)安全要求。

（4）一體化原則：統(tǒng)一平臺(tái)、統(tǒng)一流程、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、集中部署。

（5）全盤(pán)管控與過(guò)程追溯原則：以燃煤全過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)口進(jìn)行管控，確保有據(jù)可查，有源可溯。

（6）系統(tǒng)擴(kuò)展性及開(kāi)放性原則：軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)、PLC控制系統(tǒng)均采用當(dāng)前成熟的平臺(tái)架構(gòu)，具有模塊化、靈活擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)。

1.2 智能化系統(tǒng)功能

1.2.1 智能化管控平臺(tái)

智能化管控平臺(tái)集成入廠煤智能驗(yàn)收、數(shù)字煤場(chǎng)及智能摻配等各系統(tǒng)，采集各子系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)及運(yùn)行信息，收集各子系統(tǒng)的異常狀態(tài)并分析處理，建立從計(jì)劃到入爐的燃料管理模型，與各子系統(tǒng)建立接口，形成集傳遞、加速、計(jì)算為一體的智能化管控中心。

燃料智能化管控平臺(tái)是監(jiān)視、對(duì)講、控制和展示中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)、設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)管等；是集設(shè)備管控、視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析與展示于一體，以實(shí)現(xiàn)燃料智能化管理為目的集成系統(tǒng)；是將燃料智能驗(yàn)收、數(shù)字煤場(chǎng)、智能摻配燒等環(huán)節(jié)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備運(yùn)行情況及參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，并在設(shè)備發(fā)生異常時(shí)具有自動(dòng)報(bào)警提示功能，同時(shí)可對(duì)報(bào)警點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤監(jiān)視。燃料管控中心可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)和緊急停機(jī)等相關(guān)操作。

1.2.2 入廠智能驗(yàn)收系統(tǒng)

入廠智能驗(yàn)收系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備包括計(jì)量設(shè)備、全自動(dòng)采樣設(shè)備、全自動(dòng)制樣設(shè)備、全自動(dòng)化驗(yàn)設(shè)備及煤樣智能傳輸存儲(chǔ)裝置。主要實(shí)現(xiàn)汽（火）車(chē)入廠智能管控、全自動(dòng)采樣、全自動(dòng)制樣、全自動(dòng)化驗(yàn)，有效防范廉潔風(fēng)險(xiǎn)，有效防范效益流失。

應(yīng)具備以下功能：汽（火）車(chē)入廠智能管控模塊可實(shí)現(xiàn)運(yùn)煤車(chē)輛從重車(chē)入廠、驗(yàn)收、接卸到輕車(chē)出廠的全過(guò)程少人或無(wú)人干預(yù)。全自動(dòng)采制樣模塊可自動(dòng)采集來(lái)煤信息、生成采樣方案，完成集樣歸批、自動(dòng)制樣、在線全水分檢測(cè)、樣品封裝傳輸、智能存取樣、自動(dòng)化驗(yàn)、自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)等功能。通過(guò)氣動(dòng)傳輸系統(tǒng)連接全自動(dòng)制樣系統(tǒng)、智能存查樣柜、全自動(dòng)化驗(yàn)系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)煤樣瓶的自動(dòng)傳輸，可完全杜絕樣品轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中人為換樣的風(fēng)險(xiǎn)。全自動(dòng)化驗(yàn)實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)，化驗(yàn)全流程可控、結(jié)果可溯源。

1.2.3 數(shù)字煤場(chǎng)

數(shù)字煤場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備包括盤(pán)煤裝置、堆取料設(shè)備、煤場(chǎng)安全環(huán)保設(shè)施等，主要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)盤(pán)煤、煤場(chǎng)三維模型、存煤信息動(dòng)態(tài)管理、煤堆溫度監(jiān)控預(yù)警、抑塵防爆、堆取料設(shè)備自動(dòng)堆取料等。

數(shù)字煤場(chǎng)管控系統(tǒng)作為智能化管控平臺(tái)的重要組成部分，包括盤(pán)煤、堆取料、煤場(chǎng)安全環(huán)保防護(hù)、溫度監(jiān)測(cè)、抑塵等設(shè)備設(shè)施控制系統(tǒng)。

應(yīng)具備以下功能：（1）對(duì)煤場(chǎng)實(shí)現(xiàn)全覆蓋自動(dòng)盤(pán)煤，以三維圖形的方式全面、直觀、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)展示煤場(chǎng)狀態(tài)，反映煤場(chǎng)各空間位置的煤量、煤質(zhì)、煤價(jià)、存煤時(shí)間、溫度等信息。實(shí)現(xiàn)從入廠煤智能驗(yàn)收開(kāi)始—煤場(chǎng)堆存—煤場(chǎng)管理—取煤—原煤倉(cāng)整個(gè)流程實(shí)物流和數(shù)據(jù)流的結(jié)合。（2）實(shí)現(xiàn)煤場(chǎng)無(wú)人化精準(zhǔn)堆取：實(shí)現(xiàn)燃煤根據(jù)不同煤種、不同礦點(diǎn)分堆、分層堆放。同時(shí)，接入堆取料設(shè)備高精度定位傳感器，實(shí)現(xiàn)堆取料設(shè)備精確定位，并結(jié)合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)煤場(chǎng)三維模型，實(shí)現(xiàn)燃煤的精確堆取。實(shí)現(xiàn)存取煤軌跡記錄和追溯。（3）實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控報(bào)警功能：能以圖像顯示表面溫度的分布情況，并具備區(qū)域溫度趨勢(shì)顯示和報(bào)表輸出功能。當(dāng)煤堆溫升或溫度超標(biāo)、有害氣體或粉塵濃度超標(biāo)時(shí)，能自動(dòng)預(yù)警、報(bào)警。具備有害氣體濃度、粉塵濃度的分區(qū)展示功能。

1.2.4 智能摻配燒系統(tǒng)

智能摻配燒系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備包括堆取料設(shè)備、燃煤接卸輸送摻配設(shè)備、入爐煤計(jì)量及采制化設(shè)備、在線檢測(cè)設(shè)備。

智能摻配燒系統(tǒng)根據(jù)摻燒目標(biāo)及條件，完成摻配摻燒方案的制訂、信息反饋、效果評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采購(gòu)策略?xún)?yōu)化反饋的智能化系統(tǒng)。配煤摻燒智能決策模塊，根據(jù)決策系統(tǒng)配煤摻燒優(yōu)化模型，綜合鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)、來(lái)煤信息、發(fā)電計(jì)劃、負(fù)荷分布、煤場(chǎng)庫(kù)存、燃煤成本、配煤摻燒反饋評(píng)價(jià)、設(shè)備運(yùn)行工況等因素，生成安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保指標(biāo)綜合最優(yōu)的配煤摻燒方案。

應(yīng)具備以下功能：根據(jù)電廠負(fù)荷計(jì)劃、煤場(chǎng)數(shù)據(jù)，以煤質(zhì)、煤價(jià)、安全、環(huán)保等為約束條件，自動(dòng)生成包含配煤方式、煤質(zhì)需求等要素的摻配方案，并可按照機(jī)組負(fù)荷工況進(jìn)行人工調(diào)整優(yōu)化。通過(guò)堆取料設(shè)備實(shí)現(xiàn)燃煤精準(zhǔn)堆取、過(guò)程摻配。利用入爐煤在線檢測(cè)技術(shù)安全快速地完成全水分（水分）、元素、灰分、發(fā)熱量等指標(biāo)檢測(cè)，對(duì)配煤摻燒效果進(jìn)行評(píng)價(jià)、調(diào)整、優(yōu)化，確保機(jī)組安全運(yùn)行、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)燃煤全過(guò)程數(shù)據(jù)分析及接收、分析傳輸過(guò)來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)建模數(shù)據(jù)和安環(huán)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃煤全過(guò)程中相關(guān)設(shè)備的自動(dòng)化精準(zhǔn)控制及安全作業(yè)，結(jié)合煤質(zhì)和負(fù)荷等工況信息，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)為發(fā)電運(yùn)行提供最優(yōu)化指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)燃煤入廠驗(yàn)收智能化、煤場(chǎng)數(shù)字化、摻配燒精準(zhǔn)化，提升全流程管理精益化水平。

（1）提升風(fēng)險(xiǎn)管控能力。在燃料關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè)，信息系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)督，杜絕人為干擾因素，堵塞漏洞，維護(hù)企業(yè)利益，有效防范風(fēng)險(xiǎn)。

（2）提升成本控制能力。通過(guò)智能管控系統(tǒng)，燃料采購(gòu)成本、耗用成本實(shí)時(shí)測(cè)算，驗(yàn)收數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確、及時(shí)全面，為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

（3）提升過(guò)程控制能力。用信息化代替人工管理，燃料管理可實(shí)現(xiàn)工作制度化、流程規(guī)范化，管理信息化，提高管理效率和過(guò)程管控水平。