智慧燃料系統的設計與優化

張蘭慶 張來祖 侯建國 康夜雨 李劍

（1.華能國際電力股份有限公司德州電廠，山東德州 253000；2.四川能為環保科技有限公司，四川成都 610074）

0 引言

電力行業作為我國經濟發展的基礎，其是否穩定運行決定著國民經濟發展能否得到保障。現階段，我國具有較為豐富的發電形式，主要包含火力、水力、風力、核電和太陽能等，火力和水力作為主要發電形式，發電量總和占據總發電量的90%以上，其中火力發電則占70%以上，且因水力發電存在周期波動，使火電作為主力發電形式的現狀難以改變。而火力發電是通過燃煤實現的，其發電成本易受到煤炭市場的制約，且燃煤帶來的資源消耗、環境污染也成為關注的重點，加之配售電市場開放，加劇了電力行業的市場競爭。面對激烈的競爭環境，燃煤電廠需降低發電成本、提升生產效率，以滿足系統對電源靈活性的要求[1]。

鑒于燃料成本占據發電企業發電成本70%的現狀，結合我國“西煤東運、北煤南運”的煤炭運輸方式，電廠無法獲得完全滿足廠內發電負荷要求且價格便宜的單一煤種，因此電廠對就近煤礦的多種煤質燃煤的混合摻燒成為了降低成本的關鍵[2]。而不同煤種燃煤的摻配比例、煤場的最優化利用、采購計劃的提前制定成為鍋爐及其他發電設備安全穩定運行的關鍵，也是電廠廢棄物排放符合環保要求以及發電成本滿足市場競爭要求的核心。燃煤摻配方案的制定、煤場優化分區、燃燒評價反饋以及采購監管是廠內實現優化經濟生產的重點工作，而各功能目標的實現均需依靠智慧燃料系統[3]。因此，智慧燃料系統的設計優化是提高電廠生產效率、降低生產成本的基礎保障。

1 智慧燃料系統建設的必要性

傳統的燃煤摻配方案則是由電廠運行人員依據經驗所確定的。該摻配方案的確定對運行人員的要求較高，沒有確定的摻配原則，無法保證摻配的精確性及經濟性，且該方法僅對穩定來煤有效，一旦廠內采購新煤種則會為摻配帶來較大難度，也會造成一定的燃煤摻燒風險。與此同時，電廠還存在煤場管理混亂、燃煤堆放區域不明確、堆放量不足、燃煤堆放周期長、煤場空間利用不充分等問題，甚至還會因燃煤堆放時間過長而引發料堆自燃等問題，危害煤場安全，且燃料管理方面沒有完善的系統，使燃料的信息更新不及時或存在錯誤數據，進而使燃煤摻燒和采購擬定過程缺少準確、直觀的數據。

現如今，隨著信息技術的發展，燃煤電廠實現智能化、數字化運行成為必然趨勢，而智能發電、智慧電廠的發展應用是實現電廠信息深度融合的基礎，也是實現燃煤精確摻配的保障[4-5]。因燃煤摻配方案和采購意見的制定需綜合考慮燃煤煤質、煤價、煤場燃煤存量、來煤計劃、發電負荷、設備運行參數等影響因素，現增設燃料信息管理平臺、數字化煤場監管平臺、燃燒評價監管平臺和智慧采購監管平臺，以實現燃煤由入廠到入爐的全流程管控和煤場內庫存監管與分區優化，保證燃料信息得以全面及時反饋，保證煤場燃煤的安全有序堆放。該智慧燃料系統一方面可為燃煤摻配方案的精細化制定提供準確、詳盡的基礎數據，保證摻燒過程的經濟穩定性；另一方面減少煤場內因堆放時間長而造成的煤損、煤燃等問題，同時實現煤場的最大化利用，為電廠提供高效經濟生產的可能。

2 智慧燃料系統建設目標

智慧燃料系統以燃煤的智能化摻配混燒為核心，利用綜合信息技術、自動化技術、網絡技術和智能控制技術，建立了燃料由采購、運輸、到廠、儲存、摻配、燃燒全流程、全周期的智能化管控，是集燃煤信息管理、燃料設備運行監控、燃煤決策制定功能于一體的智慧化系統。該系統可將分散的生產設備、業務流程按照統一標準進行管控，可依據生產過程的決策目標和實際運行分析，通過閉環反饋實現燃煤摻配方案的精確制定和燃煤采購需求的準確預知，使廠內發電成本、燃煤煤質、鍋爐運行和廢棄物排放等信息數據間得以最佳耦合，在復雜來煤、多種煤質的情況下實現科學管理煤場和智能燃煤摻燒[6-7]。智慧燃料系統的目標如下。

（1）燃煤摻配的智能化。根據機組負荷要求、來煤計劃、煤場存煤等基礎數據，利用高效算法，自動生成燃煤摻配方案和斗輪機運行指令，通過控制系統實現斗輪機的自動化燃煤分層堆疊摻配。

（2）數據信息的全面化。通過對入廠煤、煤場存煤、設備運行參數、煤場狀態等信息的全流程采集，實現電廠生產信息的全面化統計，并利用數據處理、去噪、轉化等技術，將各狀態數據通過三維圖表的形式直觀地進行展示，保證運行人員隨時了解燃煤使用信息和生產設備的運行工況，實現燃煤流程的量、質、價等信息的精準追蹤，為優化采購意見提供數據基礎。

（3）煤場管理的數字化。利用煤場分層模型對煤場進行數字化分層管理，其依據電廠實際生產運行將煤場劃分為若干區域，提高煤場空間利用率，為燃煤摻配過程的實施提供保障。同時可實時更新煤場中煤質、煤量、煤種、堆存時間、煤場溫度等監測信息，對堆放時間較長的燃煤優先使用，保證煤場的安全生產，且上述監測信息要具有可追溯性，為煤場的安全運行提供保障。

（4）設備運行的自動化。該系統可實現斗輪機對燃煤的自動化摻配以及輸煤系統各設備的無縫連接，其利用監控設備與網絡信號傳輸技術實時記錄、反饋現場斗輪機運行狀態和煤場內的存煤狀態，根據設備實際運行工況，實時調節被控裝置的運行參數，同時也可根據反饋信號實現設備的自動啟停，以保證設備的高效運行和廠內的安全生產。

（5）決策的自動優化。建立煤種綜合經濟性計算模型，對煤種燃燒性能進行分析，定量給出燃用不同煤種時的綜合單位發電燃料成本，根據燃料成本、煤場存煤結構、市場煤信息，結合機組燃料耗用模型，提出燃煤采購建議，廠內可依據采購意見完成燃煤的采購，進而實現廠內來煤的可預測性和發電成本的最小化目標。

3 智慧燃料系統主體功能

智慧燃料系統的核心是燃煤摻配混燒，其旨在通過對燃煤全周期信息監測和生產設備的自動化控制實現人員、設備、燃煤和平臺之間的相互連通，進而保證電廠高效率生產運行、低成本發電，提高其市場競爭力。該系統依托數據采集監控、計算機模型建立和數值模擬計算實現煤場的數字化管理、燃煤摻配方案的最優化制定和燃煤采購意見的合理化提出，而上述3 種功能的實現不僅保證了入爐混煤符合安全、經濟、環保的要求，而且還實現了數據信息的可視化展示，為運行人員下達精確、及時的燃運調度提供保障。其具體的功能實現流程如下。

3.1 煤場數字化管理

煤場數字化管理是將煤場內的燃煤信息、設備運行工況實時動態以三維圖表的形式顯示至控制室，以保證煤場內設備安全運行、燃煤安全堆放。除信息采集展示外，煤場的合理化分區利用，既是煤場管理的關鍵，也是燃煤有序堆放的保證。煤場分區是以電廠的煤源分類、煤質分類以及燃煤摻配要求為基礎，結合現場存煤制度，遵循存新取舊、堆取料便捷等原則，將煤場劃分為多個區域，每個區域可以存放單一或多種來煤，同時設置臨時應急堆放區，以堆放非常規來煤煤種，最終實現煤場的藥匣子式管理。

為保證燃煤摻配的均勻性和電廠智能化改造的便捷性，通過利用電廠原有的斗輪機設備完成燃煤摻配，其摻配方式是通過利用斗輪機對不同特性的燃煤進行分層堆疊，由此煤場分區顯得尤為重要。其中，堆煤區域的選擇遵循以下原則：若多個區域滿足堆放摻配需求時，選擇最近的區域進行燃煤堆料摻配；若單個區域無法滿足一個批次的堆放摻配要求時，則將堆放任務分解為多個任務進行堆放摻配，堆放分解時按照最小堆放次數進行分解。

3.2 燃煤智能化摻配

燃煤智能化摻配旨在解決單位發電耗煤量大、發電成本高的問題，為適應燃煤分布不均、到廠煤煤質復雜的現狀，對不同特性的燃煤進行摻配混合，一方面保證入爐煤煤質滿足發電負荷、鍋爐運行需求，另一方面調控燃料成本，保證發電的經濟性。該摻配過程的關鍵是計算燃煤摻配比例，確定燃煤摻配方案，下發燃煤摻配指令，其具體流程如下。

3.2.1 燃煤摻配方案制定與優化

燃煤摻配方案的制定依托數字化煤場中的監測技術，在線收集獲取燃煤信息、設備信息和環保信息等數據，根據廠內歷年年度、季度、月度的鍋爐負荷趨勢得出鍋爐負荷參數，而后以燃煤信息、鍋爐負荷為基礎數據，以設備信息和環保信息為約束條件，利用模型進行數據整合計算，確定各燃煤摻配比例，并以雷達圖的方式顯示各種摻配結果。其中，燃煤信息包含燃煤的礦點信息（包含之前廠內可購買到但因煤質原因無法使用而未進行購買的燃煤）、燃煤煤質、燃煤量、燃煤物性參數（揮發分、發熱量、灰分、水分、硫分、灰熔點）以及燃煤燃燒特性（著火特征、燃盡特征、結渣特征）等；設備信息包含除塵系統可處理的最大含塵量、脫硫系統容許的最大煙氣含硫量以及磨煤系統的最大出力信息；環保信息包含排放煙氣中的硫氧化物、氮氧化物含量。

該方案制定過程中可根據廠內現有煤種以及廠內可購買煤種得出不同的摻配比例和摻配組合，實現各摻配的成本對比，以獲取最優摻配比例方案，同時為后期廠內燃煤采購做指導。同時，制定的摻配方案中不同特性燃煤的摻配比例存在安全區，摻配量在安全區內均可保證摻燒的安全穩定性，且根據摻配方案完成燃煤摻配和摻燒后，可實時向控制系統反饋輸煤系統中各設備的運行狀態、鍋爐工況以及排放的煙氣污染物含量，并將其作為下一次方案制定的基礎數據，以實現摻配方案的優化，使摻配方案在滿足安全、環保的條件下，降低成本，提升燃煤發電的市場競爭力。

3.2.2 燃煤摻配方案的校核模擬與執行

燃煤摻配方案制定完成后并非直接下發至執行機構，而是依據歷史存儲配煤方案和鍋爐運行工況反饋等參數對新方案進行校核，校核完成后利用模擬軟件對方案進行模擬堆疊，并輸出燃煤堆疊圖，堆疊圖中顯示燃煤在煤場中的堆疊位置、各煤種燃煤的堆疊厚度以及斗輪機的行走、堆疊等參數，堆疊圖完成后將方案與圖輸送至執行模塊，由斗輪機自動完成燃煤的橫向平鋪、縱向垂直堆疊的“3D 打印”式燃煤摻配，該摻配過程所涉及的設備運行狀態和煤場狀態參數被實時監測記錄，并通過通信網絡傳輸至控制系統，控制系統根據斗輪機實際運行工況隨時調控指令或直接緊急停止，以保證煤場設備的安全運行。

3.2.3 摻燒信息閉環反饋

燃煤于煤場完成分層堆疊摻配后，由斗輪機根據上料指令自動完成混煤的取料，并將混煤輸送至鍋爐完成燃燒發電。燃煤混燒過程中會因煤質原因造成鍋爐結焦、燃燒不穩定、水冷壁高溫腐蝕等問題，通過對鍋爐燃燒工況進行實測和評價，將信息閉環反饋至方案制定系統，以實現對現行配煤摻燒方案的持續優化調整，保證生產過程的安全運行。

3.3 采購意見自動優化

燃煤摻燒的根本是降低燃煤發電成本，發電成本的決定性因素是燃料成本，優化固定來煤摻配實現燃料成本的降低，減少單價高的燃煤耗量，引入就近煤礦新煤種，制定新的燃煤摻配方案，燃煤的采購單價、采購時期、采購量成為摻燒的基礎。為保證電廠穩定發電，智慧燃料系統通過整合入爐煤單耗、入爐煤耗（SIS 取機組功率）、入爐煤單價（人工輸入采購單價、結算單價）等數據，實現發電單價及煤耗的預測和分析功能，為電廠提前制定采購意見，該意見可自動完成比對、校核、優化，以滿足電廠發電負荷需求。同時，廠內采購意見的提前制定，可實現到廠來煤的提前預知，為來煤后的接卸、堆放、摻配等操作預留了一定時間，可保證輸煤系統各生產作業流程的有序化進行，為廠內生產提供有序保障。

4 結語

因燃煤供應不平衡、配售電市場開放導致燃煤電廠市場競爭壓力大，加之現代技術發展，促使電廠數字化管理、燃煤摻配智慧化成為必然趨勢。智慧燃料系統通過信息技術、監測技術和控制技術的聯合應用，實現了廠內信息的全面化采集、燃煤摻配方案的智能化制定、煤場的數字化管理與分區、設備的自動化運行以及采購決策的自動優化等功能，為燃煤摻配提供了可靠的數據來源和安全、經濟、環保的生產基礎，為電廠降本增效提供了技術和理論支持。