火電廠燃料智能管理系統(tǒng)設(shè)計方案研究

應(yīng)波濤， 高 飛， 臧劍南

(1. 國家電投江西電力有限公司， 南昌 330096；2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責任公司， 上海 200240)

近年來，燃料費用約占火電企業(yè)發(fā)電成本的70%以上[1]，多數(shù)火電企業(yè)在燃料入廠驗收、接卸、煤場管理、配煤摻燒等環(huán)節(jié)，由于燃煤裝備低下、分析手段不足、管理工具受限、信息覆蓋面和數(shù)據(jù)共享不充分等，造成燃料生產(chǎn)和管理自動化和智能化水平有限、工作效率低、人工成本高，并存在人為因素的風險隱患[2]。

筆者針對目前燃料管理環(huán)節(jié)存在的不足，在開展燃料智能管理系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，提出燃料智能管理系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

以燃料的全方位管理和燃料高效利用為中心點，立足于燃料現(xiàn)場基礎(chǔ)技術(shù)升級改造，綜合運用信息處理、自動控制、識別感知、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，建立燃煤入廠識別、質(zhì)量驗收、轉(zhuǎn)運接卸、煤場管理、配煤摻燒的全流程、全周期、全方位的智能管控平臺，全面采集燃料設(shè)備的信息并定義業(yè)務(wù)流程，設(shè)計建立自動、實時、完整和豐富的數(shù)據(jù)庫，研究開發(fā)多層次模塊化的應(yīng)用軟件。

按照結(jié)構(gòu)和功能智能燃煤系統(tǒng)可劃分為現(xiàn)場層、管控層和應(yīng)用層三個層次。現(xiàn)場層主要包含生產(chǎn)裝備以及識別感知系統(tǒng)，是更高級別應(yīng)用的基礎(chǔ)條件，其技術(shù)水平、覆蓋程度決定了應(yīng)用的深度和廣度；管控層實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備遠程狀態(tài)監(jiān)視、自動控制與反饋、自動診斷與報警、自動采集與管理，并實時展示相關(guān)數(shù)據(jù)信息；應(yīng)用層建立在現(xiàn)場層、控制層以及電廠其他系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過信息化實現(xiàn)燃料業(yè)務(wù)的全流程管理，強調(diào)對燃料數(shù)據(jù)的多維度分析圖表化直觀展示，為電廠運營、生產(chǎn)管理人員提供真實、可靠、準確、及時的數(shù)據(jù)分析和決策支持。

燃料智能管理系統(tǒng)功能架構(gòu)見圖1，燃料智能管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 燃料智能管理系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

圖2 燃料智能管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 主要子系統(tǒng)功能

2.1 智能計量和質(zhì)量檢測

燃煤計量和質(zhì)量檢測以煤樣處理和流轉(zhuǎn)各環(huán)節(jié)的設(shè)備、人員、車輛等受控元素全方位管控為核心，主要由來煤識別系統(tǒng)、計量設(shè)備、采樣設(shè)備、制樣設(shè)備、原煤樣輸送設(shè)備、樣品輸送與存查、化驗儀器及實驗室實施設(shè)備等設(shè)施和相應(yīng)配套控制系統(tǒng)組成。通過融合應(yīng)用無線射頻、移動終端、現(xiàn)場總線等物聯(lián)網(wǎng)和控制網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)，完成數(shù)據(jù)采集、信息關(guān)聯(lián)、定位追溯、行為監(jiān)視和設(shè)備監(jiān)控等工作，實現(xiàn)燃煤的自動識別、計量、采樣、制樣、樣品封裝傳輸、存儲和化驗、燃煤計量、檢測記錄與報告的自動生成并上傳等功能。

2.1.1 入廠煤自動識別系統(tǒng)

在入廠、計量、采樣、接卸、出廠等各環(huán)節(jié)設(shè)置自動識別裝置，采用無線射頻或其他信息識別技術(shù)，主動探測車輛上的電子標簽，采集來煤信息，建立各環(huán)節(jié)作業(yè)信息與車輛信息、礦點信息的關(guān)聯(lián)。該功能要滿足來煤量、管控要求、工作環(huán)境要求，一般要求車輛識別時間≤1 s，識別距離≤7 m，系統(tǒng)識別率≥99.9%,防護等級不低于IP67[3]。

2.1.2 全自動制樣系統(tǒng)

全自動制樣機作為采制環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備，具有上料、稱重、輸送、除鐵、破碎縮分、干燥、制粉、棄樣等功能，各功能組成設(shè)備、制樣程序、制樣精密度和誤差要符合GB/T 19494.2—2004《煤炭機械采樣 第2部分：煤樣的制備》和GB 474—2008 《煤樣的制備方法》的要求，可自動制備顆粒直徑為6 mm、3 mm、0.2 mm的若干份煤樣，煤樣可自動裝瓶并設(shè)置二級噴碼或芯片寫碼，樣瓶能按管控要求傳送至智能存查樣柜或化驗室，整個過程無人為干預(yù)，全自動完成。

2.1.3 智能原煤樣輸送系統(tǒng)

原煤轉(zhuǎn)運系統(tǒng)用于采樣機的樣品自動輸送到全自動制樣機，滿足在線制樣需求。原煤轉(zhuǎn)運系統(tǒng)由上料對接裝置、傳輸載體、卸料對接裝置等相關(guān)配套設(shè)備組成，能夠與采制樣系統(tǒng)無縫連接，并采用全密封設(shè)計的通道或自動輸送技術(shù)，真正實現(xiàn)人樣分離。目前自動輸送技術(shù)主要有樣桶自動輸送技術(shù)、樣瓶氣動自動輸送技術(shù)、皮帶自動輸送技術(shù)等。

2.1.4 智能氣動樣品輸送系統(tǒng)

樣品傳輸系統(tǒng)用于人工制樣間、全自動制樣機間、化驗間、存樣間、棄樣間等站點間的煤樣瓶多點互傳，應(yīng)采用以動力風機作為動力源，全封閉式管道為傳輸通道，在管控中心的控制下實現(xiàn)樣品高效、安全傳輸。

2.1.5 全自動智能存查樣系統(tǒng)

全自動智能存查樣系統(tǒng)基于自動化立體庫的設(shè)計理念，通過與氣動輸送系統(tǒng)的無縫對接配合高精度伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)全水樣(顆粒直徑為6 mm的煤樣)、存查樣(顆粒直徑為3 mm的煤樣)、分析樣(顆粒直徑為0.2 mm的煤樣)的轉(zhuǎn)運及暫存管理，達到實現(xiàn)樣品的“人樣分離，盲存盲取”的要求。

2.1.6 實驗室網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)

化驗網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)實時采集化驗室煤質(zhì)分析儀器的分析數(shù)據(jù)，自動生成煤質(zhì)檢測報告，并審核數(shù)據(jù)的準確性。系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控儀器運行狀態(tài)及化驗環(huán)境的溫度、濕度等參數(shù)，提示異常檢測信息，形成質(zhì)量控制臺帳。

2.2 智能煤場子系統(tǒng)

2.2.1 堆取料機自動堆取控制系統(tǒng)

為滿足數(shù)字化煤場的智能堆場和配煤摻燒精確取料的要求，綜合利用了自動化控制技術(shù)、三維成像技術(shù)、精確定位技術(shù)、圖像監(jiān)控、安全防護技術(shù)、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，獲取堆取料機實時數(shù)據(jù)、認知煤堆及設(shè)備自身位置，解析料堆模型，完成自動堆取作業(yè)。

料堆三維掃描及成像技術(shù)：在煤場四周或堆取料機懸臂前方安裝激光掃描裝置對料堆進行動態(tài)掃描，獲取料堆表面數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件處理生成料堆的三維成像，控制系統(tǒng)根據(jù)三維圖像數(shù)據(jù)，確定料堆作業(yè)切入點坐標和取料料堆的邊界。

堆取料機定位檢測技術(shù)：堆取料機回轉(zhuǎn)、俯仰、走行位置檢測應(yīng)采用差分GPS、光電編碼或數(shù)字刻度標尺等非接觸式位置檢測技術(shù)，要求檢測無盲區(qū)，定位精度高，檢測誤差≤5 cm或0.1°，檢測裝置的設(shè)計和安裝應(yīng)適應(yīng)現(xiàn)場粉塵、溫度、濕度、振動、電磁等惡劣環(huán)境，并有可靠的自動校正功能。

防碰撞技術(shù)：為防止懸臂與煤堆以及堆取料機之間發(fā)生碰撞，需設(shè)計一套完整的防碰撞保護系統(tǒng)。硬件上除了鋼絲繩限位開關(guān)，還應(yīng)設(shè)置雷達、激光或超聲波式非接觸式防撞裝置，軟件設(shè)計上還應(yīng)根據(jù)堆取料的大車位置、懸臂角度、回轉(zhuǎn)角度實時計算出存在碰撞可能的位置信息，提供防碰撞預(yù)報，并協(xié)調(diào)各臺堆取料機之間的作業(yè)，確保堆取料機安全作業(yè)距離，最終實現(xiàn)堆取料機多重級的防碰撞保護。

2.2.2 數(shù)字化煤場系統(tǒng)

數(shù)字化煤場管控系統(tǒng)是通過信息技術(shù)，采用數(shù)字化的形式來顯示煤場的具體信息，指導來煤分區(qū)堆放和智能存取。

煤場三維展示：實時采集激光盤煤儀等煤場成像設(shè)備的數(shù)據(jù)，采用三維重構(gòu)技術(shù)，全面直觀展示煤場狀態(tài)，動態(tài)記錄各區(qū)域的燃煤進存耗和煤質(zhì)信息。

來煤堆放指導：將煤場按照摻燒要求分為多個存煤分區(qū)，并根據(jù)電廠煤場管理的堆放原則和來煤煤種、煤量等相關(guān)參數(shù)建立堆煤模型，提供來煤堆放建議，引導原煤卸在指定的卸煤位置，實現(xiàn)不同煤種不同煤質(zhì)的分區(qū)分層堆放。

煤場取煤指導：根據(jù)摻燒系統(tǒng)的配煤方案，系統(tǒng)按照煤場存煤情況及堆料機設(shè)備狀況生成煤場取煤方案，并在三維煤場上用不同的顏色標記待取煤分區(qū)，指導取煤上倉過程。

2.3 智能配煤摻燒子系統(tǒng)

通過與電廠SIS(廠級信息監(jiān)控系統(tǒng))的數(shù)據(jù)接口獲取鍋爐的實時熱力參數(shù)和制粉系統(tǒng)工況，并結(jié)合平臺內(nèi)的數(shù)字化煤場信息和實際上煤煤質(zhì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依據(jù)以電廠燃燒試驗數(shù)據(jù)或運行經(jīng)驗建立配煤摻燒模型，生成最佳摻配方案，跟蹤摻配執(zhí)行情況，自動統(tǒng)計實際煤種的摻燒量，監(jiān)控摻配燃煤對鍋爐影響，對摻配安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟性等進行評價，提供摻配方案的優(yōu)化及采煤優(yōu)化參考建議，實現(xiàn)燃料摻配系統(tǒng)的閉環(huán)管理。

摻燒模型：基于大量鍋爐燃燒試驗和實際摻燒方案大樣本數(shù)據(jù)生成摻燒動態(tài)數(shù)據(jù)庫，通過回歸和仿真方法，建立智能摻燒數(shù)學模型，包括煤質(zhì)元素分析預(yù)測模型、機組負荷預(yù)測模型、燃料特性分析模型、鍋爐熱力計算模型、指標分析模型、燃燒尋優(yōu)模型等，根據(jù)機組負荷、存煤狀況、鍋爐熱力參數(shù)、主要輔機設(shè)備工作狀況自動生成在滿足機組安全性、環(huán)保性的前提下最經(jīng)濟的摻配方案。

燃燒綜合成本分析模塊：通過獲取機組DCS(分布式控制系統(tǒng))數(shù)據(jù)及其他生產(chǎn)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，綜合廠用電率、標煤單價、煤耗、運行成本、鍋爐效率、環(huán)保成本等各因素測算摻燒方案對應(yīng)的綜合成本，評估摻燒方案的經(jīng)濟性。

燃燒環(huán)保指標分析模塊：通過燃燒NOx/SO2，根據(jù)粉塵排放濃度實際測量數(shù)據(jù)，分析評估摻燒方案的環(huán)保性。

燃燒安全分析模塊：實時監(jiān)測鍋爐運行和主要輔機的運行參數(shù)，實時計算鍋爐各受熱面熱力學參數(shù)，建立安全分析模型，綜合磨煤機的安全特性、金屬腐蝕、受熱面結(jié)焦、機組帶負荷能力等指標分析評估摻燒方案的安全性。

3 結(jié)語

燃料智能管理系統(tǒng)借助新一代智能裝備與智能技術(shù)，將燃料管理環(huán)節(jié)相對分散的生產(chǎn)設(shè)備、業(yè)務(wù)過程統(tǒng)一起來，實現(xiàn)設(shè)備遠程管控、燃料信息實時共享、燃煤摻配、分析預(yù)警及決策輔助等功能，便于生產(chǎn)經(jīng)營者實時掌握設(shè)備運行狀態(tài)及燃料量、質(zhì)、價的信息，有助于實現(xiàn)電廠經(jīng)營的降本增效，也必將成為智能電廠的重要組成部分。隨著相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)特別是設(shè)備級自動化水平的不斷改進和完善，能夠在電廠生產(chǎn)和管理中產(chǎn)生更大的效益。