一種燃煤電廠入爐煤種辨識方法設計與實現

徐文輝，董春雷，郭勇，趙德虎，陳長和，仇永裕

（浙能溫州電廠，浙江 溫州 325000）

1 前言

為了提高燃煤電廠運行的經濟性，大多燃煤電廠采用了配煤摻燒，此外，相關研究表明，配煤摻燒也是燃煤機組靈活性改造中所必須解決的問題。當電廠采用配煤摻燒這一方案后，入爐煤種不再是單一煤種，此時，入爐煤種的辨識則可為燃燒策略的優化提供判斷依據。因此，較多學者對電廠的燃料監控系統展開了研究。

陳超等利用輸煤系統程控以及皮帶秤讀數來實現煤倉的分倉計量，并對其中誤差來源進行了分析。為優化分倉計量系統的運行速度，劉華煒等引入SQLServer 數據庫來優化系統架構。蒙毅等基于燃料信息化管理平臺對配煤摻燒策略展開了研究，從而為配煤摻燒管理提供指導。魏勇等基于輸煤系統的實時狀態以及煤倉形狀構建了煤倉煤種分布模型。

浙能溫州電廠四期配備了2 臺660MW 機組，每臺機組配備6 臺原煤倉，采用爐內摻燒。本文通過輸煤系統、斗輪機系統以及煤質化驗數據的采集與分析來實現該廠四期機組的入爐煤辨識。

2 軟件系統結構

入爐煤種辨識采用了BS 架構，其軟件系統結構如圖1 所示。服務器主要由數據采集模塊、數據分析模塊和web 服務器三者構成。數據采集模塊通過企業資源計劃系統(ERP)和廠級監控系統(SIS)獲取入廠煤信息、輸煤系統數據、斗輪機數據以及鍋爐運行數據。數據分析模塊采用時序分析方法，構建煤倉以及煤場燃料存儲情況。web 服務器則為用戶提供數據訪問服務，用戶可以通過瀏覽器對服務器數據進行訪問。

圖1 軟件系統結構

ERP 系統為每一船次的煤種生成唯一特征碼，同時，根據港方化驗數據錄入各船次煤質數據。浙能溫州電廠有兩條入廠皮帶，可支持兩條船同時卸煤，為掌握各入廠皮帶傳輸媒質，人工通過ERP 錄入各班次兩條入廠皮帶的煤質和入廠煤質量。ERP 系統將上述數據存儲在ORACLE 數據庫，服務器通過ORACLE 數據庫獲取入廠煤信息。

輸煤程控和斗輪機程控通過modbus-TCP 協議將系統實時信息傳遞給SIS 系統，鍋爐程控和SIS 系統之間通過OPC 協議進行數據傳輸。SIS 系統提供輸煤程控、斗輪機程控和鍋爐程控的實時數據庫和歷史數據庫。服務器通過SIS 系統所提供的SDK 可以獲取輸煤系統、斗輪機系統以及鍋爐的實時信息和歷史信息。

客戶端通過瀏覽器訪問服務器，瀏覽器和服務器之間采用純業務數據傳輸模式。該方法可以使得客戶端進行靈活部署，系統可維護性高。

3 入爐煤種辨識模型

3.1 煤倉煤種模型

如圖2 所示，煤倉分為共四段，從上至下分別為矩形直段、矩形放樣圓形段、圓柱段和最底部的錐形段。自下而上計算可獲取煤倉體積和料位計高度之間的關系：

圖2 煤倉截面示意圖

式中，V 為體積，h 為料位計高度, 0r和 1r分別為圓錐頂部和頂部5， 2r為圓柱半徑， 1h、 2h和 3h分別為圓錐頂部、圓柱頂部以及方變圓頂部高度，a 和b 分別為矩形段的長寬。

火電機組運行過程中，煤倉中煤種可能發生變化，煤倉可能存在多種煤種。因此，需要建立煤倉中煤種分層模型。對浙能溫電四號機組2022 年8 月19 號～2022 年9 月2 號煤倉情況進行統計，本文發現煤倉中煤種一般不超過兩種。盡管煤倉中煤種一般不超過兩種，但是為避免意外情況，采用列表數據結構來構建煤倉煤種分層模型以避免煤種數量過多。為方便說明計算過程，底部和次底部煤層體積用VA和BV表示，最上層煤體積為cV，煤倉存煤當前體積與前一時刻體積分別為Vh,i和Vh,i-1。煤倉煤種分層模型的計算流程如圖3 所示。本文通過煤倉料位計高度變化來判斷煤倉是否加煤。若煤倉處于加煤狀態，則采用給煤機流量來修正底部煤層的體積：

式中，mt為給煤機當前時刻與前一計算時刻之間給煤累積量，ρ 為煤的密度。若煤倉處于未加煤狀態，則采取料位高度對各煤倉體積進行更新。

3.2 輸煤系統模型

圖4 顯示了輸煤系統的構成。四期有兩臺機組，每臺機組各配備6 個煤倉。17A 和17B 皮帶負責將煤炭運送至7 號機組和8 號機組，17A 和17B 皮帶配置了皮帶秤，可對煤倉上煤量進行計量。煤倉配備兩個進料口，因此各機組配備了兩條上煤皮帶，四期總共配備了四條上煤皮帶。通過料位計讀數的變化趨勢可以獲取煤倉是否在加煤，若煤倉在加煤，此時，則需結合犁煤器狀態以及18A、18B、18C 和18D 皮帶的運行狀態，獲取煤倉當前從何處進料口進行加煤。在此基礎上，結合13A、13B、13C、14A、14B、14C、17A、17B、19A 和19B 皮帶以及上述皮帶的落煤系統(三通管或分流器)的運行狀態，可以獲取煤倉煤流的來源。

圖4 輸煤程控流程圖

若煤倉煤流來自港口，即煤炭來自12A 或12B 皮帶，此時，通過ERP 系統讀取12A 或12B 的煤質數據。若煤倉煤流來自煤場，則需結合斗輪機參數以及煤場煤堆模型來獲取煤倉進煤數據。電廠有兩個煤場，斗輪機軌道將煤場劃分為兩個區域，各區域煤堆數量上限設置為10，以此可以對煤堆進行編號。在斗輪機懸臂頭部兩側各有一套三維激光掃描儀，結合斗輪機大車位置、旋轉角度和俯仰角度可以獲取當前作業煤堆編號以及當前煤堆體積。若斗輪機處于堆料狀態，則根據斗輪機煤流來源更新煤堆煤種。2 號和4 號斗輪機煤流來源為12A 皮帶，3 號斗輪機煤流來源為12B 皮帶。若斗輪機處于取料狀態，則根據煤堆煤種確定煤倉加煤煤種。

3.3 煤種切換時間

由于料位計誤差、皮帶秤誤差等多種因素，煤倉煤種分層模型也會存在誤差。為了減少這一誤差，需結合磨煤機狀態來判斷煤種切換時間。實時采集制粉系統運行數據，根據熱平衡原理在線計算原煤水分，根據機組負荷微增率與煤量微增率之間的動態關系特性獲得燃煤當量電負荷。依據原煤水分和燃煤當量電負荷兩個特征的變化來辨識煤種切換時間，結合煤倉中煤種分布來獲取入爐煤煤種與煤質。

4 應用示例

本文系統以在現場實際應用。系統通過ERP 和SIS系統獲取輸煤系統、斗輪機以及鍋爐等設備的相關運行參數，在此基礎上，結合煤倉煤種模型、輸煤系統模型以及煤種切換時間模型實現了入爐煤種辨識。

圖5 顯示了輸煤系統畫面。該畫面通過SIS 系統獲取皮帶、三通管、分流器、皮帶秤、犁煤器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熱值，從而為鍋爐運行人員確定燃燒策略提供判斷依據。

圖5 輸煤系統畫面

圖6 為煤倉煤種分布畫面。該畫面通過本文的煤種辨識模型構建了四期機組各煤倉的煤種分布情況，方便鍋爐運行人員根據燃燒策略確定各煤倉給煤量。系統通過mysql 數據庫存儲了各煤倉入爐煤熱值的歷史數據并在煤種分布畫面，方便運行人員對鍋爐燃燒策略的相關參數進行修正。

圖7 為煤場煤種分布畫面。系統給出了各煤堆的體積與熱值，運行人員可根據系統數據確定給煤倉的上煤方案，優化鍋爐燃燒工況。

圖7 煤場煤種分布畫面

5 結語

本文基于燃料全過程開發了入爐煤種辨識系統軟件。系統通過ERP 和SIS 相關接口獲取了輸煤系統以及鍋爐的相關運行數據，在此基礎上建立了煤倉煤種模型、輸煤系統模型和煤種切換時間模型。系統利用煤倉料位計以及給煤機信號等參數建立了煤倉煤種分布模型，結合入廠皮帶秤煤種、煤量以及煤場煤種分布模型實現了入爐煤辨識，從而為鍋爐燃燒策略提供了優化依據，提高了鍋爐燃燒效率以及安全性。