淺析智能數(shù)字化動態(tài)煤場管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

國家能源集團(tuán)岳陽發(fā)電有限公司 尹向群

1 工程建設(shè)技術(shù)規(guī)范

某電廠2×1000MW 新建工程隸屬于浩吉鐵路沿線電源點(diǎn)項(xiàng)目。本次工程電廠計(jì)劃建設(shè)4×1000MW機(jī)組。本期工程建設(shè)的主要任務(wù)為2×1000MW 超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。

1.1 工作范圍

某電廠已單獨(dú)配置了燃料智能化管控系統(tǒng)，并為實(shí)現(xiàn)對煤場設(shè)備的數(shù)字化管理，建設(shè)了燃料智能化管控系統(tǒng)。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對于煤場溫度、可燃?xì)怏w以及粉塵濃度的檢測，配備了煤場安全監(jiān)測系統(tǒng)。而在對煤場內(nèi)煤堆外形數(shù)據(jù)進(jìn)行自動采集的過程中，通過采用圓形煤場盤煤系統(tǒng)，構(gòu)建了煤堆動態(tài)三維模型，以便對每個(gè)分割區(qū)域的煤量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，還原煤場的真實(shí)情況，為工作人員瀏覽調(diào)查煤場存煤數(shù)量提供便利[1]。

1.2 技術(shù)要求

本次工程為煤場配備了安全檢測系統(tǒng)以及檢查報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對煤場的實(shí)時(shí)監(jiān)測。并且，為了提升煤場的安全性，在對煤場進(jìn)行安全監(jiān)測的過程中，在煤場安全監(jiān)測設(shè)備中將PROFIBUS 現(xiàn)場總線接入至輸煤DCS，保證煤場連鎖功能發(fā)揮應(yīng)有效用。數(shù)字化煤場系統(tǒng)能夠切實(shí)地展現(xiàn)整個(gè)煤場分區(qū)的溫度情況，并在第一時(shí)間出具煤場溫度統(tǒng)計(jì)圖，以便掌控煤場的溫度變化。同時(shí)，將煤場溫度作為檢測對象，在現(xiàn)場傳感器的幫助下，對煤場進(jìn)行全自動以及全天候的溫度監(jiān)測（見表1），并獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后將測量后數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理后，輸入至DCS 系統(tǒng)中。

表1 煤場溫度檢測表

2 基于智能化數(shù)字動態(tài)煤場管理系統(tǒng)的建設(shè)方案

智能數(shù)字化煤場建設(shè)的目標(biāo)在于，通過三維點(diǎn)陣的方式實(shí)現(xiàn)對于堆煤、煤種以及煤質(zhì)的全方位檢測，以便為配煤摻燒工作提供準(zhǔn)確的場存信息。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)多煤種條件的合理配煤摻燒，保證鍋爐運(yùn)行的高效性以及安全性，對煤場管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)。

2.1 智能硬件層

數(shù)字化煤場要想實(shí)現(xiàn)對所有煤場的管控，需要將煤量、煤質(zhì)以及煤場位置等信息利用數(shù)字化手段顯示出來。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對于煤場的有效監(jiān)控，監(jiān)控設(shè)備、測繪設(shè)備與定位設(shè)備是硬件層的標(biāo)配，其能夠通過相互配合傳遞和獲取煤場信息。

首先，改進(jìn)盤煤裝置。在盤煤裝置的核心設(shè)備堆取料機(jī)大臂位置加裝固定式盤煤系統(tǒng)，全程實(shí)現(xiàn)無人化盤煤，并通過在盤煤系統(tǒng)附近搭載信息獲取云臺和掃描一起完成對盤煤環(huán)節(jié)的編碼，進(jìn)而獲取盤煤信息，實(shí)現(xiàn)對煤場的測溫和掃描，以便做到煤場無盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)對于煤場監(jiān)測的全面覆蓋[2]。其次，提升堆取料機(jī)的智能化水平。基于對智能化堆料機(jī)的改裝，每5°為一個(gè)圓形煤場，在間隔5°的距離設(shè)置圓形煤場定位裝置，通過定位信號的發(fā)送，對圓形煤場的轉(zhuǎn)動部件發(fā)送指令，以控制轉(zhuǎn)動部件智能開關(guān)的調(diào)節(jié)，與堆料系統(tǒng)進(jìn)行相互配合，精準(zhǔn)地定位角度以及速度，實(shí)現(xiàn)對堆取料機(jī)的無死角監(jiān)視。最后，利用智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)。通過在系統(tǒng)中加裝高清攝像頭，對堆取料的裝卸、煤炭運(yùn)輸進(jìn)行全過程監(jiān)控，并利用視頻識別功能監(jiān)測現(xiàn)場人員的操作規(guī)范性，以及設(shè)備運(yùn)行情況，以便為煤炭運(yùn)輸可視化以及事故預(yù)警提供輔助功能。

2.2 系統(tǒng)監(jiān)測層

對于燃煤電廠而言，要想對燃煤情況進(jìn)行全生命周期監(jiān)察，需要將煤源地作為入手點(diǎn)，對燃料運(yùn)輸、裝卸、堆存以及入爐等環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)視。首先，進(jìn)行在途監(jiān)視，通過集成通訊網(wǎng)的數(shù)據(jù)接口，接收系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)信息，獲取各個(gè)環(huán)節(jié)的煤炭燃燒質(zhì)量，如果期間發(fā)現(xiàn)煤炭燃燒不充分，系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以通過異常顯示，對煤炭燃燒進(jìn)行預(yù)報(bào)。其次，燃煤卸裝環(huán)節(jié)也可能出現(xiàn)燃燒不充分的情況，在引入監(jiān)控系統(tǒng)后，通過對卸裝流程的完全可視化處理，展現(xiàn)煤炭卸裝參數(shù)，生成煤炭卸裝圖譜，用以還原整個(gè)卸裝過程，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)煤工具的在線監(jiān)視，精準(zhǔn)掌控來廠煤量和裝卸煤量，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。最后，對煤種入爐和排放進(jìn)行監(jiān)視，開發(fā)煤種實(shí)時(shí)分析模塊，建設(shè)數(shù)字化煤場以及數(shù)字化原煤倉。

2.3 智慧應(yīng)用層

智慧應(yīng)用層主要是對燃料生產(chǎn)過程中的配煤、上倉等環(huán)節(jié)進(jìn)行管理。首先，提升配煤摻燒的智能化程度。基于配煤摻燒知識庫，在目標(biāo)優(yōu)化算法的幫助下，建立安全、環(huán)境等目標(biāo)約束條件，參照不同的摻配規(guī)則，基于燃料生產(chǎn)的實(shí)際情況自動生成配煤摻燒方案，實(shí)現(xiàn)對原煤倉配煤質(zhì)量，以及煤質(zhì)指標(biāo)等基本信息的監(jiān)控。其次，進(jìn)行智能化取料，基于現(xiàn)場來煤以及場存情況，自動計(jì)算出最佳的堆煤決策，計(jì)算便捷的取料位置，根據(jù)堆取料機(jī)無人值守系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動取料。最后，開發(fā)現(xiàn)場測溫系統(tǒng)，自動獲取煤場的溫度數(shù)據(jù)，建立煤場溫度以及煤堆損耗模型，預(yù)測燃料生產(chǎn)中的溫度變化趨勢以及損耗情況。

2.4 智慧決策層

智能決策層主要被應(yīng)用于燃料的采購以及庫存中，并基于獲取的信息分析燃料生產(chǎn)的成本以及收益。首先，保證智能燃料采購決策的準(zhǔn)確性，基于市場指導(dǎo)，構(gòu)建配煤摻燒以及入爐指導(dǎo)采購思路，基于數(shù)據(jù)庫的分析出具最佳燃煤采購決策。其次，制定配煤需求決策，基于市場煤信息以及制粉系統(tǒng)提供的信息，通過將市場數(shù)據(jù)變化值以及煤粉變化數(shù)據(jù)引入系統(tǒng)計(jì)算公式，構(gòu)建鍋爐煤種需求菜單[3]。月度發(fā)電額度的計(jì)算，煤炭采購和消耗量是主要參考數(shù)據(jù)，其需要在燃煤庫的配合下，按照當(dāng)時(shí)電量價(jià)格，計(jì)算當(dāng)月電量售出利潤，并減去電能生產(chǎn)成本，得出當(dāng)月火電廠的經(jīng)營利潤。

隨著AVO技術(shù)的提出和應(yīng)用，國內(nèi)外專家對儲層AVO類型進(jìn)行了相關(guān)研究。Rutherford和Williams（1989）依據(jù)圍巖與儲層的波阻抗差值，反射振幅隨入射角的變化情況將AVO異常分為四類：Ⅰ類為高阻抗含氣砂巖，零炮檢距振幅強(qiáng)且為正極性（截距為正），AVO呈減少趨勢（梯度為負(fù)）；Ⅱ類為砂泥巖近似零阻抗差的含氣砂巖，零炮檢距振幅很小（截距很小），由近到遠(yuǎn)，AVO特征變化較大，出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)；Ⅲ類和Ⅳ類為低阻抗含氣砂巖，零炮檢距振幅很強(qiáng)（截距較大），呈負(fù)極性，AVO特征呈增加趨勢為Ⅲ類，AVO特征呈減少趨勢為Ⅳ類。

3 智能數(shù)字化動態(tài)煤場管理系統(tǒng)的應(yīng)用

智能數(shù)字化動態(tài)煤場管理系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠有效提升系統(tǒng)設(shè)置的合理性，明確煤場的工作流程，并對煤場工作的實(shí)施情況進(jìn)行如實(shí)反映，統(tǒng)計(jì)查詢煤場應(yīng)用中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)，對煤料生產(chǎn)的創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行分析，保證煤場的經(jīng)濟(jì)收益。

3.1 系統(tǒng)設(shè)置

應(yīng)用智能數(shù)字化管理系統(tǒng)（如圖1所示）對火電廠的燃料進(jìn)行管理，相關(guān)人員需要在操作系統(tǒng)的過程中，以管理需求為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對火電廠的動態(tài)的調(diào)整，尤其是智能動態(tài)煤場的引入，需要全方位覆蓋火電廠下屬煤場名稱、供能范圍等信息，并跟隨數(shù)據(jù)信息變化，與火電廠實(shí)際運(yùn)行配合，確保火電廠運(yùn)行的科學(xué)性。另外，為系統(tǒng)安裝設(shè)置權(quán)限和保密裝置，其中會摻雜危險(xiǎn)性信息，而該危險(xiǎn)性信息會影響煤場的經(jīng)營管理，因此對于登錄系統(tǒng)人員要進(jìn)行身份識別，實(shí)時(shí)記錄各個(gè)部門人員的登錄時(shí)間、登錄內(nèi)容以及登錄范圍，明確當(dāng)期人員職責(zé)，做好人員調(diào)配和明確分工，提升火電廠運(yùn)行的效率和安全性。

圖1 數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)流程

3.2 工作流程

實(shí)現(xiàn)對煤炭燃料堆取的智能化管理，并進(jìn)行相應(yīng)的決策安排，使得火電廠運(yùn)行處于有序狀態(tài)。首先，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，相關(guān)管理人員能夠?qū)⑾嚓P(guān)數(shù)據(jù)錄入至智能化管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)功能的完善。同時(shí)，在對煤場進(jìn)行日常管理過程中，相關(guān)工人員將數(shù)據(jù)錄入后，利用系統(tǒng)功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，并填寫日常管理日志，如果在管理過程中出現(xiàn)操作失誤的情況，也可以根據(jù)備份的數(shù)據(jù)恢復(fù)操作。

同時(shí)，掌握燃煤存放的時(shí)間以及成本，并對燃煤產(chǎn)生的熱量進(jìn)行自動計(jì)算，提升燃料管理的效率。另外，為了保證火電廠煤場燃料的質(zhì)量，利用系統(tǒng)獲取燃料的基本信息，掌握煤炭種類，在保證各項(xiàng)信息合格后，利用系統(tǒng)生成樣本編碼，進(jìn)行二次制樣，并將相關(guān)數(shù)據(jù)錄入至系統(tǒng)中，經(jīng)由系統(tǒng)計(jì)算，掌握煤炭干基灰分以及煤炭高位熱值（見表2），實(shí)現(xiàn)對火電廠的質(zhì)量檢測。

表2 干基灰分表

3.3 實(shí)施情況反映

煤場地圖、機(jī)組以及煤炭入爐等環(huán)節(jié)需要實(shí)時(shí)還原場景，因此智能化管理系統(tǒng)還需要承擔(dān)起實(shí)時(shí)反映煤炭燃燒關(guān)鍵環(huán)節(jié)的責(zé)任，利用影像還原手段，播放煤炭在鍋爐內(nèi)部的燃燒情況，并伴以立體圖形，展示煤炭所處的位置以及時(shí)間。機(jī)組情況則要對煤炭堆料和取料進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，一旦出現(xiàn)異常情況要進(jìn)行預(yù)警。

3.4 統(tǒng)計(jì)查詢

一般而言，工作人員利用管理系統(tǒng)的信息查詢功能，實(shí)現(xiàn)對于煤炭信息、上煤信息的查詢和監(jiān)管，并基于獲取的來煤信息，進(jìn)行相應(yīng)的工作安排，保證各項(xiàng)工作得以有序開展[4]。

3.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

智能數(shù)字化動態(tài)煤場管理系統(tǒng)，通過精準(zhǔn)控制煤量、煤種摻雜情況，管控煤炭燃燒。例如，本次工程在建設(shè)中煤料摻燒量達(dá)到20萬t，為了保證每噸煤料摻燒節(jié)省30元，需要在同等摻燒條件下，制定科學(xué)的上倉方案，以便減少場內(nèi)熱值差以及飛灰含碳量，使得供煤消耗得以降低。本次工程主要用到4×1000MW 機(jī)組，其發(fā)電小時(shí)數(shù)為4500h，假設(shè)按照1.3g/kWh，其大約可以節(jié)省5400t 標(biāo)準(zhǔn)煤。如按照標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)計(jì)算，大約可以節(jié)省390萬元的燃煤成本。

同時(shí)，通過對堆、配以及取等環(huán)節(jié)的合理優(yōu)化，控制煤場庫存，能夠達(dá)到節(jié)省燃料熱值的目的，減少資金占用的情況，每年大約節(jié)省843萬元。因此，將智能數(shù)字化動態(tài)煤場管理系統(tǒng)應(yīng)用于煤場管理當(dāng)中，項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)小于可達(dá)1900萬元以上。

3.6 創(chuàng)新點(diǎn)分析

通過開發(fā)數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對煤場全過程數(shù)據(jù)的監(jiān)控，固定式盤煤儀等硬件設(shè)施直接與燃料智能化的數(shù)據(jù)接口接通，實(shí)現(xiàn)對煤種以及煤質(zhì)的全面檢測，自動記錄燃煤的位置以及煤量消耗數(shù)據(jù)。同時(shí)，應(yīng)用多維度多變量燃料監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對于燃料全生命周期的數(shù)據(jù)跟蹤，并在獲取數(shù)據(jù)后形成多維度的圖像和數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)煤流的可視化，以便能夠?yàn)槊簣龉芾硖峁﹥?yōu)質(zhì)的決策，使得電廠管理人員實(shí)現(xiàn)對于燃料的全方位管控，通過集成開發(fā)和展示數(shù)據(jù)情況，實(shí)時(shí)跟蹤燃料使用情況。最后，應(yīng)用智能模型建設(shè)配煤摻燒決策系統(tǒng)，即便在多煤種條件下，也能出具最為安全高效的摻配策略，構(gòu)建科學(xué)的配煤方案，提升同等煤種的鍋爐燃燒效率。

總而言之，智能數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)在火電廠燃料管理中得到了廣泛的應(yīng)用，其對于保證火電廠燃料的管理質(zhì)量，以及經(jīng)濟(jì)效益能夠發(fā)揮關(guān)鍵的作用，為提升火電廠市場競爭力提供助力。