燃煤電廠精確配煤工藝智能控制應用研究

錢震峰，王奇，陸衛元，江學文，金凌

（1.江蘇常熟發電有限公司，江蘇 蘇州 215536；2.杭州集益科技有限公司，浙江 杭州 311200）

燃料費用在燃煤發電廠經營成本中占60%～70%的比例，燃煤對電廠機組安全經濟環保運行和電廠經營有著舉足輕重的影響。長期以來，由于煤炭生產和調運的問題，加上季節性影響等因素，我國電煤供需矛盾較為突出，使得眾多燃煤電廠的燃燒煤種煤質不穩定且偏離設計值，影響了機組運行的安全性、經濟性、環保性。因此配煤摻燒技術是解決火電廠燃煤供應緊張、煤種復雜多變、運行性能欠佳的關鍵解決方案。國內外對混配煤的煤質特性和燃燒特性進行了廣泛的研究。研究表明，配煤的水分Mad、灰分Aad、硫分St,ad、熱值Qnet,ar具有線性可加性，而Vdaf、ST、HGI一般不具線性可加性。混配煤燃燒特性（著火特性、燃盡特性）呈非線性特性。電廠配煤常用線性關系模型，對非線性特性指標，則利用遺傳算法、神經網絡等智能配煤算法建立配煤模型。

配煤工藝主要有：（1）分倉入爐，爐內混配（燒）；（2）倉混式；（3）床混式；（4）帶混式。

國內配煤主要在選煤廠、煤炭碼頭，利用大型儲煤場、筒倉群、儲煤溝、儲煤斗等實施配煤工藝。在火電廠，倉混式配煤工藝需要投資建設配煤倉，投資較大，且需要場地空間；床混式缺乏對煤質變化的應對能力；帶混式的工藝較復雜，現場作業環境差，手工作業時配煤精度難以控制。分倉入爐爐內混配的方式在電廠較為普遍。

本文利用電廠斗輪機全自動控制系統和實時盤煤系統技術改造，建立數字化煤場，研究輸煤和配煤運行智能管控，實現融合爐內混配和帶混式的精確配煤工藝。

1 系統組成

系統由斗輪機全自動控制系統、實時盤煤系統、智能運行管控系統三部分組成。

斗輪機全自動控制系統實現斗輪機的全自動定位、堆煤、取煤等作業，同時完成對煤堆輪廓掃描，掃描數據送至實時盤煤系統，其他控制相關信息與智能運行管控系統通信。

實時盤煤系統利用三維建模技術，建立煤堆三維模型，結合智能運行管控系統的煤信息（煤ID、煤堆編號、煤質、堆積密度等）進行煤量計算，堆煤的幾何數據送至智能運行管控系統，作為對斗輪機全自動控制的輸入。

智能運行管控系統，建立數字化煤場，按照堆場運行和配煤規則，智能制定堆煤、配煤和取煤策略，并生成控制指令，送至斗輪機全自動控制系統執行。

圖1 整體系統框圖

圖2 斗輪機全自動控制系統結構

2 斗輪機全自動控制系統

在斗輪機相關部位安裝檢測、掃描、定位、校準、安全保護、高清視頻監視等裝置，信號接入全自動控制PLC，后者計算得出定位、堆料、取料、分流等作業指令，斗輪機PLC接受作業指令后完成實際的控制指令執行，從而實現斗輪機的全自動控制。系統結構如圖2所示，具備如下功能。

（1）全自動定位。系統全自動定位作業目標位置，通過檢測和計算當前大車位置及懸臂姿態角度，自動控制斗輪機動作。定位到位后，系統可以全自動啟動各輔助機構。

（2）全自動取料。系統實現全自動取料功能：①大平層取料；②分段取料；③推底煤取料；④雨季邊坡開槽取料，各種取料模式適用于不同的煤場情況。

（3）恒流量取料控制。系統實現全過程取料恒流控制，根據流量設定值，自動調整取料回轉速度，通過PLC內部的PID閉環控制，實現恒流量控制，流量波動小于±10%。

（4）全自動堆料。系統實現全自動智能堆料，堆料內外角度及堆料高度等參數可以通過上位機進行設置，初始堆料階段，懸臂處于較低位置，減少揚塵。

（5）全自動分流。系統實現精準分流，通過對流量檢測以及分流裝置的無級控制，使進倉流量滿足配煤的要求，提高分流效率，降低輸煤能耗。

3 實時盤煤系統

利用斗輪機全自動控制系統的煤垛檢測裝置，在斗輪機堆取料作業時，實時掃描煤堆的輪廓，通過盤煤服務器進行數據處理、分析和建模，實現煤堆的三維模型在線呈現。

（1）現場測繪及位置標定：系統調試時，使用便攜式定位儀測繪，包括標定煤場的基準點、底層高程等，測量斗輪機外形尺寸（懸臂長度、回轉中心點、俯仰支點高度等）以及左右煤垛檢測裝置的安裝位置和激光掃描方向測量，作為三維建模的基礎配置數據。

（2）數據處理及建模：實時盤煤系統軟件對煤垛檢測裝置的掃描數據進行過濾，主動剔除廢點，同時結合當前PLC控制系統的斗輪機姿態（大車位置及懸臂俯仰/回轉角度）、作業模式（堆料、取料、分流）和懸臂皮帶的運轉方向等信息進行三維建模。實時掃描數據結合自動化信號轉化成相應的點云數據，對煤場數據進行實時替換，生成新的實時煤場三維模型。

圖3 單煤場三維模型圖

圖4 全煤場三維動態展示圖

（3）三維煤場模型：實時盤煤系統軟件按照分層取料高度，計算各層的包圍線和起止取料位置；計算各煤堆體積（m3），關聯煤堆煤種堆積密度，計算煤堆煤量。三維煤場模型數據在斗輪機堆取料作業后動態自動生成，數據實時輸送至智能運行管控系統（如圖4）。

4 智能運行管控系統

智能化管控軟件，根據煤場存煤情況和上倉的煤質要求等，自動分析并計算出優化的堆煤、上倉和配煤策略，指導運行人員合理高效地操作。軟件部署在電廠的一區控制安全區，與輸煤程控、斗輪機全自動控制系統同屬一個安全區，與全自動控制系統及實時盤煤系統實現無縫數據連接。軟件根據運行約束規則、上倉煤質要求、船運來煤的煤種、煤質和煤量等數據輸入，以及實時盤煤數據，進行智能化數據分析和一鍵式計算，得出優化的堆取煤運行指導策略，并自動生成斗輪機全自動作業控制指令。

（1）數字化煤場。建立一個數字化煤場，根據煤的批次（不同煤質參數）自動生成煤ID，煤種、煤質、堆積密度等信息由人工錄入和維護。煤ID在自動堆煤過程中由實時盤煤系統關聯到煤堆。通過實時盤煤系統形成一個具有煤種、煤質、煤量及煤堆幾何位置、堆煤時間等信息的直觀的圖形化數字化煤場。煤場上各煤堆的煤種、煤質、船運號等數據信息由運行或燃管人員維護。通過輸煤程控的接口，獲取輸煤系統的主要設備工作狀態，并在數字化煤場展示。

圖5 數字化煤場示意圖

圖6 精確配煤控制過程圖

（2）智能堆煤。對于船運來煤，根據運行人員輸入的船運來煤的船運號、煤種、煤質和煤量，以及系統設置的堆煤規則，系統通過內部算法，計算出符合要求的煤堆位置，指導運行人員堆煤作業。①針對來煤的煤種屬性（人工設置的經濟煤種、主力煤種、適配煤種、易燃煤種等），系統進行入廠調度，確定來煤的輸送去向，即入場或者入爐。經濟煤種、主力煤種、適配煤種、易燃煤種優先入爐，以減少存和取作業過程，降低輸煤能耗，同時降低易燃煤種的熱值損失。②在堆煤策略分析時，系統自動搜索合理經濟的空煤場（或可疊堆煤堆）以堆放來煤，并形成工單。考慮的因素有：空煤場可堆煤量和來煤煤量的分析，以確定分堆與否；主力、經濟、易燃煤種盡量堆放在輸送皮帶路徑短的場地；高熱值、低熱值煤盡量搭配在同一臺斗輪機所處的煤場；各煤場存煤量保持均衡，以保證斗輪機故障時正常上倉；各煤場煤質保持均衡，以保證配煤需要；煤質相近相鄰堆放；同一種煤盡量不分堆或少分堆。③在來煤直接上倉時，根據配煤需要，卸煤流量可能大于上倉流量。在此情形下，斗輪機開啟自動分流優化功能，在保證上倉流量的同時，剩余流量全部入場堆放。

（3）智能配煤。運行人員輸入混配煤上倉煤質參數目標值，包括Qnet，ar、Vdaf、Ad、Mt、Sd等，設置參與配煤的煤種數量，選擇主要煤種，系統通過內部智能算法，分析煤場各個煤堆及船運來煤的煤質參數和煤量，篩選出合適的配煤方案，滿足混配煤煤質目標值以及邊界條件。配煤方案包括煤種、煤堆編號（船運號）及它們之間的煤流量配比，運行人員可查看配煤方案的煤質參數預測。智能配煤考慮的因素有：現場存煤情況（包括可用來煤）、優先上倉煤種/煤堆、低負荷工況時混配煤熱值下限、經濟和易燃煤種優先上倉、小存量煤堆（低于限值）優先上倉、來煤優先上倉等。系統產生多個可用配煤方案供運行人員結合實際條件進一步決策。

（4）智能上倉。在配煤方案生成后，進一步計算作業斗輪機的取煤流量或直接上倉的煤流量。根據取料時的起始位置至皮帶配煤轉運樓距離，以及輸煤皮帶的移動速度，計算參與配煤作業的各斗輪機（或卸船機，如果有來煤上倉）的開始作業時間（相對時間），使參與配煤的各個煤種準確地同時到達配煤轉運樓。之后形成工單，指導運行人員斗輪機作業，包括工作模式（取煤、直通、分流）、上倉流量、開始作業相對時間等。通過斗輪機的恒流取煤控制，實現各個煤種的精確流量取煤，最終實現精確皮帶配煤上倉。

5 應用

某水運燃煤電廠擴建工程建設有2×1050MW超超臨界機組，設計燃用煤種為大同煤，校核煤種為開灤煤和神華煤。機組燃煤全部采用鐵水聯運方式，建有一個3.5萬噸級散貨船泊位卸煤碼頭，卸船機械設置2臺出力為1500t/h的橋式抓斗卸船機。建有一座四列式煤場，煤場長368米，寬197米，堆煤底邊寬43.25米，堆高12米，堆積系數取0.85，堆煤容重0.9t/m3,總貯煤量約為33萬噸，可滿足2×1050MW機組約20天的耗煤量要求。煤場設2臺DQL3600/1500.35懸臂斗輪機，通過式尾車，機上設置分流裝置，堆料能力3600t/h，取料能力為1500t/h，與上煤系統的輸送能力相匹配（如圖7）。

圖7 擴建工程輸煤系統圖

該電廠配煤加倉方式有2種，一是分倉上煤，爐內混配；二是皮帶配煤。具體方式有：（1）斗輪機分段取優、劣煤進行分倉摻加；（2）斗輪機配合碼頭直通（分流）進行優、劣煤分倉摻加；（3）碼頭直通（或分流），場地取煤混合摻煤；（4）兩臺斗輪機場地雙取，混合摻煤。

該電廠入爐煤煤質重點指標為熱值、硫分、灰分，設置熱值、硫分、灰分為配煤后的煤質約束指標。電廠來煤煤種多，煤質復雜，因此采用分倉上煤為主，皮帶配煤為輔的配煤工藝。皮帶配煤二個煤流在經過306#、307#皮帶后進入T307轉運站混合，并經T308、碎煤機室、T310等多次翻轉混合，配煤較為均勻。

熱值、硫分、灰分具有線性相加特性，因此采用線性加權法計算配煤的三個煤質指標。

精確配煤工藝的主要控制流程如下（如圖6）：（1）運行人員根據機組負荷，輸入鍋爐機組入爐煤配煤的煤質指標，包括熱值、硫分、灰分。（2）系統根據配煤要求指標和數字化煤場信息（煤堆信息和設備工況等），智能分析來煤（在卸煤）、煤堆取煤的配煤方案。配煤方案除了滿足煤質指標外，同時滿足運行約束條件，如設備工況約束、皮帶配煤需經不同上倉線路、加倉煤種熱值按ABCDEF倉順序依次遞減（DEF倉加高揮發份煤種）等。一般生成有多個不同配煤方案。（3）運行人員選擇系統生成的一個配煤方案。系統將自動轉化為斗輪機全自動控制系統運行指令和參數，并傳遞給后者。參數包括煤堆編號、取煤起始位置（包括大車位置、懸臂回轉俯仰角度）、取煤流量。（4）斗輪機全自動控制系統接收到運行指令后，經運行人員安全確認，輸煤上倉線設備進入工作就緒狀態后，斗輪機全自動控制系統自動執行取煤任務。分倉單煤種上倉煤量控制在1500t/小時；皮帶配煤按照不同混煤比例控制斗輪機取煤流量或直通/分流流量，皮帶總煤量控制在1500t/小時。（5）在上倉過程中有在卸煤直通/分流上倉時，通過斗輪機全自動控制系統的自動分流功能，自動調節分流擋板開度，使直通/分流上倉煤量滿足配煤方案要求。

通過系統的實施，在現有設備全自動改造的基礎上，電廠實現了精確配煤工藝的智能控制，包括配煤方案生成和全自動執行。斗輪機取煤流量自動控制和分流自動控制，使得上倉流量和皮帶配煤配比得到了精確控制。系統顯著提高了電廠配煤的工作效率、配比精確性、運行可靠性，增強了發電機組的經濟性和安全性，擴大了電廠煤種采購范圍，對電廠的經濟效益和企業經營有重要作用。

6 結語

配煤摻燒是解決燃煤電廠燃煤供應復雜形勢的關鍵技術。通過斗輪機全自動控制系統的改造，利用煤堆實時盤煤技術，建立數字化煤場，實現配煤方案和堆取煤作業的智能控制，提升燃料運行的工作效率和可靠性，對電廠的經濟安全運行和企業經營具有重要意義。