燃煤電廠燃料系統煤場數字化管理的設計與實現

劉華煒，黃 偉，許 杰

(1.上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233；2.上海外高橋第二發電有限責任公司，上海 200137)

0 引言

隨著可再生能源的高速發展以及環保需求的提升，電力市場競爭日趨激烈，全行業都面臨降本增效的問題。燃氣、燃煤電廠的數字化轉型[1]成為擺在傳統發電企業面前的重要課題。國內的電力運營體系較為傳統，在可靠性和穩定性上并無問題，但在提質增效等方面仍然存在改進的空間。計算機和大數據技術的運用能夠開發出很多傳統電廠的潛能，從而改變以往的運行管理模式，實現從人工決策到機器決策的過程[2]。

燃煤機組發電是用煤大戶，對燃煤的精度計量和管理，不僅能夠進行成本核算、提高經營管理效益，而且對節約能源具有深遠的意義。燃料系統的數字化、智能化，主要是對碼頭卸煤、煤場儲煤、原煤倉加倉等主要節點進行數字化統計管理。而煤場是燃料存儲的核心區，煤場的數字化管理[2]，煤場入庫-堆存-出庫等數據的精確統計，可以使生產管理人員清楚掌握生產流程、提高生產過程的可控性、減少人工干預、及時正確地采集生產過程數據。這些生產的基礎數據，通過網絡技術，可以實現可靠而準確的數字化信息交換、跨平臺的資源實時共享，進而利用智能專家系統提供各種優化決策建議，為機組的燃料供給提供科學指導，制定生產計劃。本設計的作用是降低發電成本、提高上網電量、減少設備故障，構建高效節能、綠色環保、環境舒適的現代化電廠，最終實現電廠的安全、經濟運行和節能增效。

1 燃煤電廠燃料系統煤場概況

燃煤電廠通常設置兩個煤場A、B。A煤場的煤由皮帶輸送機A輸送，B煤場的煤由皮帶輸送機B輸送。兩臺斗輪堆取料機分別在A煤場、B煤場的皮帶輸送機上行走，通過斗輪的不同轉向和斗輪輸送小皮帶的不同輸送方向，將煤由碼頭輸送至煤場存儲，或將煤由煤場輸送至原煤倉燃燒。

斗輪堆取料機的工作狀態分為四種：堆料(即卸船),取料(即加倉),分流(即邊卸船邊加倉),通過(即由碼頭直通加倉至原煤倉)。現場實際工況為斗輪機A工作在A煤場，A煤場分成A1、A2、A3、A4四個煤堆，四個煤堆分別存放指定煤種的煤。斗輪機A均可在四個煤堆進行堆料、取料、分流、通過工作。斗輪機B工作在B煤場，工作方式及煤場劃分同A煤場。堆料、取料、分流三種工況均涉及煤場存煤量的變化，而“通過”工況是從碼頭卸船機直接加倉至煤倉，不經過煤場。因此“通過”工況不會影響煤場存儲煤量的改變。

煤場數字化管理是以實現煤場存儲信息的數字化管理為目標，通過相應皮帶輸送機運行狀態、三通狀態及斗輪堆取料機、皮帶秤等設備的實時采集數據，對煤場的進出場動態及煤流量，各煤場的煤種儲量進行數字化統計、存儲。這種方式使煤場管理人員、燃料系統運行人員、發電運行人員能夠及時掌握煤場存儲的動態情況，提高燃料生產過程的安全性、可靠性，并進行有效的數據分析，從而達到成本的精確計算，真實掌握運營發電情況。燃料系統煤場工況示意圖如圖1所示。

圖1 燃料系統煤場工況示意圖Fig.1 Fuel system coal yard overview

2 煤場數字化設計與實現

2.1 斗輪機工作位置定位

煤場存儲煤量的變化，與煤場皮帶輸送機上斗輪堆取料機的不同工作狀態密切相關。因此，斗輪機精確的工作位置是煤場存儲動態數據建模的關鍵。

引入三維坐標的概念，將煤場進行數字化的設計，在A、B煤場分別建立一個立體的三維坐標系。以A煤場為例，四個煤堆位置坐標分別為：煤堆1(0～Xa1，0～Ya1，0～Za1)，煤堆2(Xa2～Xa，0～Ya2,0～Za2)，煤堆3(0～Xa3，Ya3～0,0～Za3)，煤堆4(Xa4～Xa,Ya4～0,0～Za4)。煤堆的坐標根據煤場實際的堆煤情況和煤種進行人為劃分，并由專業工藝人員在人機界面上輸入各個煤堆的坐標數據。

斗輪堆取料機在煤場工作，即處于煤場的立體三維坐標系中，可以得到精確的工作旋轉斗輪的坐標。通過對工作旋轉斗輪的位置坐標數據與煤場坐標系煤堆的位置坐標范圍進行比較及邏輯判斷，即可確定斗輪機堆、取料工作的旋轉斗輪所在的煤堆，從而得到其精確的定位[3-5]。

2.2 斗輪機工作狀態確定

運行人員在輸煤系統操作界面對斗輪機的工作狀態進行選擇。輸煤系統可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)讀取斗輪機工作狀態信息后，再通過對皮帶輸送機運行狀態、三通位置、斗輪機堆、取料皮帶輸送機運行狀態等信息進行邏輯編程,從而確定煤流是經由A路還是B路皮帶秤進行的計量，并實現兩臺斗輪機分別在兩個煤場八個煤堆堆料、取料、分流、通過四種工況的確定。斗輪堆取料機A堆料工況邏輯、斗輪堆取料機A取料工況邏輯、斗輪堆取料機A分流/直通工況直通部分邏輯分別如圖2～圖4所示。

圖2 斗輪堆取料機A堆料工況邏輯示意圖Fig.2 Schematic diagram of stacking and reclaiming machine A stacking conditions

圖3 斗輪堆取料機A取料工況邏輯示意圖Fig.3 Schematic diagram of stacking and reclaiming machine A reclaiming conditions

圖4 斗輪堆取料機A分流/直通工況直通部分邏輯示意圖Fig.4 Schematic diagram of the straight-through part of the Shunt/through condition of the bucket wheel stacker and reclaimer A

2.3 煤場煤量的計算

煤場入場-出場煤量的計量通過PLC軟件編程來構建數學模型，實現各煤場的每個煤堆的進-出場量等數據的精確計算、統計。

針對燃料系統現場卸煤、加倉生產操作工藝流程的靈活性、多樣性，設計三個皮帶秤計數器，分別計量入場煤皮帶秤、出場煤皮帶秤A和出場煤皮帶秤B的累計數據。一個皮帶秤對應一個計數器。每個計數器無條件地對皮帶秤脈沖數據進行累計。這樣可以保證計數器與操作無關，以及煤場的入場煤量與出場煤量的總數是絕對正確性。

每個煤堆設計六個數據存儲器，分別存儲：原始存儲煤量、卸煤量、直通量、入場量、出廠量、當前存儲量等統計數據。原始存儲煤量為工藝設置數據，是常數。當前存儲量=原始存儲煤量+入場量-出廠量。卸煤量為入場煤皮帶秤累計數據。根據三個皮帶秤計數器的數據，并依據對斗輪機的定位及工況的確定等邏輯控制，將進-出場煤量分配至兩個煤場。

料/卸船工況時，入場煤量統計值的數學公式為：

(1)

式中：G入場煤皮帶秤(t)為t時刻保存至對應煤堆的入場煤皮帶秤瞬時量；t1、t2分別為堆料計量開始與結束時刻。

斗輪堆取料機在堆料工況下工作，依據之前定位邏輯所判斷的具體工作煤堆位置，將入場煤皮帶秤新增數據分配至相應煤堆入場煤存儲器中，即可完成相應煤堆的入場煤量的統計。

取料/加倉工況時，出場煤量統計值的數學公式為：

(2)

式中：G出場煤皮帶秤A/B(t)為t時刻保存至對應煤堆的出場煤A/B皮帶秤瞬時量；t1、t2分別為取料計量開始與結束時刻。

斗輪堆取料機在取料工況下工作，依據之前定位邏輯所判斷的具體工作煤堆位置，將出場煤皮帶秤A或出場煤皮帶秤B的新增數據分配至相應煤堆出場煤A路或B路存儲器中，即可完成相應煤堆的出場煤量的統計。

分流/直通工況時，入場煤量統計值的數學公式為：

(3)

分流/直通工況時，直通量統計值的數學公式為：

(4)

分流與直通工況下是由碼頭卸船直接加倉去燃燒，對于煤場出場煤煤量而言是不發生變化的。因此，分流與直通工況下不需考慮出場煤的統計。

分流工況，是入場煤經入場煤皮帶秤進場，同時部分煤量經出場煤皮帶秤A或出場煤皮帶秤B加倉。直通工況，是經入場煤皮帶秤，直通經出場煤皮帶秤A，或出場煤皮帶秤B加倉，即直通工況下入場煤皮帶秤與出場煤皮帶秤A和出場煤皮帶秤B的和是相同的。

“分流”和“直通”工況均會經過入場煤皮帶秤，即入場煤皮帶稱會進行同步累計計量。因此，入場計數存儲器數據的變化，與“堆料”工作狀態相同。當入場煤皮帶稱累計計量時，將計量數據分配至當前工作煤堆的入場計數存儲器中即可。而出場煤皮帶稱也會進行同步累計計量。但在此工況下，當出場煤皮帶稱累計計量時，需要將計量數據分配至當前工作煤堆的直通量計數存儲器中。計算入場煤量時，需要將入場煤皮帶秤的數據減去直通量計數存儲器數據。因此，在分流與直通兩種工況下，對直通量的統計是關鍵。將這兩種工況作為相同的工況來進行入場煤的計量，對于入場煤皮帶秤數據計量的編程可以更簡潔，數據統計正確率更高。

皮帶秤計數器的數據分配邏輯示意圖如圖5所示。

圖5 皮帶秤計數器的數據分配邏輯示意圖Fig.5 Schematic diagram of data distribution of the belt scale counter

2.4 現場投運中遇到的問題

由于出場煤皮帶秤安裝位置與煤場的距離較遠，由煤場輸送出來的煤流要經由幾條出場皮帶后，方可到達出場煤皮帶秤進行稱重。現場投運試運行期間，發現數據的準確度與操作習慣密切相關，現場實際生產運行操作與理想的編程條件存在一定差異。因此，在投運過程中不同班次操作會出現數據計量偏差較大的情況，需要根據現場實際工藝運行工況對程序進行完善。

首先，對發生誤差的重要信號加入關鍵信號處理程序，對這些信號在操作過程中進行相應的延時保持和濾波。根據出場皮帶輸送機的工藝參數，計算煤場與出場煤皮帶秤之間的所有皮帶輸送機輸送煤量的濾波時間。濾波時間=皮帶輸送機長度/皮帶輸送機帶速。煤場與出場煤皮帶秤之間的每條出場皮帶輸送機均應設置運行信號的濾波時間，皮帶輸送機的濾波時間是與出場煤皮帶秤之間下游皮帶輸送機的濾波時間之和，電動三通位置信號的濾波時間等于電動三通與出場煤皮帶秤之間下游皮帶輸送機的濾波時間之和，斗輪堆取料機狀態信號的濾波時間等于煤場與出場煤皮帶秤之間下游皮帶輸送機的濾波時間之和。所有延時濾波存儲器均設A路和B路，對應出場煤皮帶秤A和出場煤皮帶秤B。當所對應的出場皮帶秤瞬時量<10 t/h時，相應的所有計時器取消計時保持，這樣可以將出場煤量或直通煤量保持至皮帶秤計量結束，消除皮帶秤與煤場之間的距離誤差。

其次，規范運行操作也是數據準確的重要因素。通過幾個月反復的現場測試運行，每天記錄所有工況下的煤場數據，并與手動記錄的數據進行比較分析。在不影響生產運行的情況下，規范操作，完善后的PLC程序數據計量精度可達99.9%。

3 利用歷史數據庫實現數據的存儲和調用

通過Historian[4]數據庫對煤場入庫-堆存-出庫等統計數據進行采集記錄，利用Historian SDK[6]編程工具，在上位機監控軟件實現對Historian歷史數據庫數據的調用。通過簡易操作，即可實現在上位機操作界面上，調用任意選擇時間點及時間間隔的煤場入庫-堆存-出庫等統計數據。在操作界面生成的查詢報表，可以靈活查看所選時間的歷時數據記錄，并可以在指定文件夾中自動生成EXCEL數據報表文件，支持打印備份功能，為用戶對系統的評估和進一步優化研究提供可靠，有效的數據依據。同時，在上位機監控畫面開發維護程序[4]，維護工程師可以通過上位機操作界面對Historian數據庫進行便捷管理維護，確保歷史數據、操作記錄及報警查詢等信息的大量存儲，不會影響計算機的性能。

4 結論

燃料系統煤場數字化設計的關鍵，是對煤場進行數字化的設計，為煤場建立虛擬三維坐標系，精確定位斗輪堆取料機的工作位置，再進行嚴謹的邏輯判斷，把皮帶秤計量數據精確分配至每個煤場的每個煤堆，形成一套 “入庫-堆存-出庫”的動態算法。利用歷史數據庫，形成報表，進行數據記錄、查詢及打印存檔。同時，利用網絡技術，將這些數據作為數字化煤場的基礎數據[5]，傳送給廠級安全功能系統(safety instrument system，SIS)和廠級數據專家分析系統。系統實現了可靠而準確的數字化信息交換[6]、跨平臺的資源實時共享，利用智能專家系統提供各種優化決策建設，為機組的燃料供給操作提供科學指導。