火電廠燃煤輸送運行優化系統開發與應用

郭 勇

（浙江浙能溫州發電有限公司，浙江 溫州 325600）

0 引言

中國的煤炭資源儲量豐富，分布地域廣泛，但是各地域出產的煤炭在燃燒特性、熱值、水分、灰分、揮發份、硫含量、可磨性，灰熔融性和結焦結渣特性等方面均存在較大的差異。火電廠受煤炭市場供應形勢和煤炭價格影響，其煤炭來源多變，從而造成用于電力生產的煤種多變。

此外，火電廠的卸煤、儲煤、輸煤、制粉等系統工藝流程復雜，不同來源、不同批次的煤炭可能同時送入爐膛燃燒。如浙能溫州電廠的原煤倉的燃料來源就有如下3種方式[1]：①碼頭到煤倉；②碼頭分流到煤場和煤倉；③煤場到煤倉。

輸煤流程如圖1所示。

圖1 輸煤程控流程圖Fig.1 Coal Handling program control flow chart

由上述的輸煤流程可以看出，發電機組進入制粉系統的煤種和鍋爐入爐煤種無法保證在同一煤種下運行，其原因有以下幾個方面：

1）每次碼頭來煤的產地可能都不同，碼頭來煤煤種也就不同。

2）煤場存煤可能來源于不同批次，煤場存煤煤種也就不同。

3）各原煤倉燃料消耗速度不同，原煤倉的存煤與新來的燃煤煤種也會不同。

因此，開展基于信息融合與智能控制的燃煤系統運行優化研究，實現給煤機入口燃煤來源實時監控，實現煤種在線識別，實現燃煤系統的動態管理，為機組配煤摻燒[2,3]，降低燃料成本打下基礎具有重要的理論意義和工程應用價值。

1 系統功能結構

1.1 系統網絡結構

入爐煤種辨識采用了BS架構，系統網絡結構如圖2所示。燃煤輸送運行優化系統位于原電廠控制管理三層網絡之中的監控層（即SIS層），由運行優化系統數據庫服務器、燃煤輸送運行優化系統、WEB發布平臺3部分構成。為方便系統使用，系統客戶端位于管理網絡層（及MIS）。為確保系統信息安全，在本系統的監控SIS層和管理MIS層中通過安全隔離網關進行數據隔離。

圖2 燃煤輸送運行優化系統網絡架構Fig.2 Network architecture of coal transportation operation optimization system

1.2 系統功能設計

根據系統需求分析，所設計系統功能結構如圖3所示。

圖3 燃煤輸送運行優化系統功能結構Fig.3 Functional structure of the coal transportation operation optimization system

2 系統功能實現

2.1 數據采集系統

數據采集系統承擔優化系統的全部數據信息的收集、整理、分類、融合功能，數據來源主要包括以下幾個方面：

1）斗輪機系統[4]數據采集處理

斗輪機本體結構參數，包括斗輪的直徑、轉速、斗容等，斗輪機系統的運行數據，包括工作狀態、定位位置、運行速度等。

2）輸煤系統數據采集處理

采集輸煤系統的皮帶機、犁煤器、皮帶秤[5]的數據信息，包括皮帶轉速、犁煤器工作狀態、皮帶秤質量實時荷重值、原煤密度等。

3）煤場系統信息

采集煤場和碼頭卸船機堆放信息，包括煤場分布信息（煤場堆料長、寬、高）、到港運煤船基本數據信息等。

4）煤質化驗信息

包括入廠煤煤質分析數據、入爐煤質化驗信息等。

將上述所有數據信息進行濾波與壞值判斷處理，存入數據采集信息庫，為后續建模工作打下基礎。

2.2 燃煤輸送系統建模

為實現給煤機入口燃煤來源實時監控、煤種在線識別、燃煤系統的動態管理，系統需要建立燃煤皮帶輸送模型、煤倉煤位分層分析模型。

1）燃煤皮帶輸送模型

根據入爐煤電子皮帶秤的實時讀數、犁煤器實時工作狀態，以及輸煤流程的實時跟蹤，采用時序分析和數值差分分析等分析方法，利用電子皮帶秤至各煤倉的延時，采用多源信息融合技術，建立燃煤皮帶輸送模型，實時監測溫州電廠#7、#8鍋爐的各原煤分倉燃煤來源。

燃煤輸送系統建模算法結構如圖4所示。

圖4 燃煤皮帶輸送建模示意圖Fig.4 Modeling diagram of coal belt conveyor

2）煤倉煤位分層分析模型[6,7]

溫州電廠#7、#8鍋爐各有6個原煤倉，各原煤倉結構相同，從上至下分別為矩形直段、矩形梯形臺、圓柱段和最底部的錐形段。在原煤倉的頂部安裝有萬向雷達料位計，可實時測量煤倉內煤位高度。下面以#8鍋爐F煤倉為例，分析其煤位分層模型建立過程，煤倉結構如圖5所示。

圖5 #8鍋爐F煤倉結構示意圖Fig.5 #8 Boiler F coal bunker structure schematic diagram

① 煤倉體積和料位計高度關系模型

煤倉體積和料位計高度之間的關系可用公式（1）計算：

式（1）中：V為體積；h為料位計高度；r0和r1分別為圓錐頂部和頂部半徑，r2為圓柱半徑；h1、h2和h3分別為圓錐頂部、圓柱頂部以及方變圓梯形臺頂部高度；a和b分別為矩形段的長度和寬度。

② F煤倉的加煤量

根據犁煤器的狀態變化，可得出每次新進入F煤倉的原煤質量：

式（2）中：Mi為第i次加煤的原煤質量；ti為第i次加煤時的持續時間；mi為第i次加煤時的皮帶秤平均質量流量。

則每次新進入F煤倉的原煤體積如下：

③ F煤倉的煤種分層模型

假定F煤倉的原煤是嚴格按照分層流動變化的，即每次新進入F煤倉的原煤都是依次進入矩形直段、矩形梯形臺、圓柱段，最后經底部的錐形段由給煤機進入制粉系統，最終形成入爐煤。

則每次新進入F煤倉的原煤引起的煤種煤位變化可按公式（1）逐步分段計算，可得出每次新進入F煤倉的原煤在煤倉中所處起始位置和高度。

如果每次新進入F煤倉的原煤煤種與煤倉中原有煤種相同，可以將加入的原煤量與最上層原煤量直接累加，然后一起計算煤種分層高度；如果新進入F煤倉的原煤煤種與煤倉中原有煤種不同，則重新將新加入煤種煤位分層獨立計算分層高度。

2.3 入爐煤種的在線識別

本系統運行優化是為了實現給煤機入口燃煤來源實時監控，實現入爐煤種在線識別，實現燃煤系統的動態管理目標，其中入爐煤種在線識別更是其最重要的功能。入爐煤種的在線識別使運行人員能夠實時掌握入爐煤的煤質特性（熱值、碳、氫、氮、硫、水分等含量），對于鍋爐燃燒系統的實時調整配風，確保鍋爐安全，提高鍋爐效率具有重要意義。入爐煤種的在線識別算法結構如圖6所示。

圖6 入爐煤種的在線識別算法結構Fig.6 Online identification algorithm structure for coal types entering the furnace

2.4 WEB信息發布

設計WEB發布平臺，方便熱工人員對系統的維護和管理。同時，運行人員可以通過該平臺直接查詢入爐煤的實時煤質特性信息，也可查詢歷史入爐煤種信息，對開展鍋爐燃燒系統歷史運行性能分析具有意義。

3 誤差分析和處理

3.1 誤差因素分析

1）輸煤電子皮帶秤精度誤差

電子皮帶秤的最大允許誤差是在不同的流量條件下進行檢驗的。一般規定在最大流量的20%～100%之間時，最大允許誤差為累積荷重值0.2%～1.0%。

2）輸煤系統皮帶速度誤差

因皮帶打滑、跑偏、熱脹冷縮等原因，可能會導致皮帶速度出現非均勻性偏差，給燃料量計算帶來誤差。

3）犁煤器漏流誤差

犁煤器投入時，為防止刮傷輸煤皮帶，總會留有一定間隙，會引起燃料量計算誤差。

4）煤倉料位計測量誤差

煤倉內的原煤堆積過程中，無法保證料位表面為平面，會引起料位測量誤差。

5）煤倉內煤種分層流動誤差

煤倉內的原煤流動過程中，因煤倉結構、原煤濕度、倉壁粘結等原因，無法確保煤種嚴格按照分層流動，會帶來煤位分層流動誤差。

3.2 減少或消除誤差的方法

1）通過電子皮帶秤在線遠程自動校驗，提升電子皮帶秤的測量精度和可靠性。

2）通過對輸煤皮帶機的加強校準，盡力確保輸煤皮帶穩定勻速運行。

3）基于貝葉斯誤差估計算法，對犁煤器漏流進行誤差估算，減少犁煤器漏流引起的系統性誤差。

4）對于煤倉料位計測量誤差，采用萬象雷達料位計多點測量進行料位修正，減少料位測量誤差。

5）煤倉內煤位分層流動誤差，首先采用定期煤倉清空，煤量/煤位數據清零等處理方法，完成煤倉分層校驗；然后采用固體顆粒流動特性算法，實時給出誤差估計量，減少分層流動誤差。

4 燃煤輸送運行優化系統應用

結合系統需求分析和功能要求，運用python完成主程序、數據采集、系統建模計算、煤種在線識別、WEB發布平臺等各功能模塊開發，實現了以下3個方面的功能應用：

4.1 輸煤系統流程實時監控

輸煤系統實時流程監控功能將輸煤系統的整個工作流程清晰直觀地展示給熱控管理人員，管理人員可根據系統提示獲取斗輪機、皮帶機、三通管、犁煤器、皮帶秤，以及煤倉料位計的實時與歷史數據。系統同時給出了煤倉底部煤種實時熱值，從而為鍋爐運行人員進行燃燒調整提供數據支撐。

4.2 煤倉煤種分層在線監控

煤倉煤種分層在線監控功能模塊采用多源信息融合技術，完成燃煤輸送系統建模；采用支持向量機完成煤種在線辨識。將溫州電廠#7、#8鍋爐的各個煤倉煤種分層情況以柱狀圖和趨勢圖方式直觀地顯示給熱控管理人員和機組運行人員。鍋爐運行人員通過煤種分層在線監控可及時掌握入爐煤的各種煤質特征信息，為鍋爐燃燒調整提供數據支撐。策略確定各煤倉給煤量。此外，系統通過MySQL數據庫存儲了各煤倉入爐煤種的歷史數據信息，方便運行人員開展鍋爐燃燒系統歷史運行性能分析。

4.3 煤場煤種分布在線監控

煤場煤種分布在線監控功能模塊運用多源信息融合技術，綜合了碼頭卸船系統、斗輪機系統、煤場管理系統、輸煤系統的數據信息，建立了煤場對方模型，直觀給出各煤場中的煤堆存放體積與煤質特性信息。通過該功能模塊，燃料系統人員和鍋爐運行人員可及時掌握煤場煤種分布動態信息，根據煤場煤種分布數據確定給煤倉的上煤方案，進一步優化鍋爐燃燒工況。

5 結束語

近年來，國內外火力發電領域在配煤摻燒、燃燒優化、燃料系統的精細化管理等方面開展了一系列研究，取得了一定成果，對鍋爐安全高效運行起到了重要作用。但由于下述因素影響，在實際應用過程中存在一些問題：

1）無論是爐內配煤還是煤場配煤的配煤摻燒方式，都需要及時掌握煤質特性信息。但由于煤炭來源多變，造成煤種多變，煤質特性信息很難及時掌握。

2）火電廠中，燃料化驗、燃料輸送、燃燒調整、熱工測量通常由不同部門負責，各部門之間信息實時通信渠道不暢，無法及時做到信息交互。

3） 燃料的輸送、入倉、入爐缺乏全流程的監控，入爐煤種幾乎無法做到準確在線識別，燃料的精細化管理和高效利用也就很難實現。

本系統的開發與應用，將對燃料的輸送、入倉、入爐精細化管理水平產生積極作用，有利于配煤摻燒、燃燒優化的技術應用，也為同類項目的研發與應用提供了重要參考。