火力發(fā)電企業(yè)燃料智能化管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用

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（國(guó)家電投河南電力有限公司沁陽(yáng)發(fā)電分公司，河南 焦作 454550）

0 引言

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的過(guò)程中，電力提供了強(qiáng)有力的支撐，而火力發(fā)電在我國(guó)供電系統(tǒng)中仍占有較大比例。隨著大氣污染治理要求的提高，煤炭供應(yīng)市場(chǎng)的供應(yīng)鏈日趨緊張，供應(yīng)價(jià)格也水漲船高，傳統(tǒng)的煤炭發(fā)電企業(yè)在管理模式、生產(chǎn)流程中有不少亟待解決的問(wèn)題。本研究針對(duì)燃煤發(fā)電企業(yè)燃料管理、煤種的配煤摻燒及鍋爐運(yùn)行控制中存在的問(wèn)題，并結(jié)合沁陽(yáng)發(fā)電公司的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)火力發(fā)電企業(yè)燃料智能化管理系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該系統(tǒng)能有效提高煤電企業(yè)的管理水平和生產(chǎn)效率［1］。

運(yùn)用現(xiàn)代化、智能化技術(shù)，根據(jù)共享信息、提高集成度、科學(xué)摻配、管控智能化的原則，沁陽(yáng)發(fā)電公司建成了煤場(chǎng)數(shù)字化管理、智能化配煤摻燒、全自動(dòng)運(yùn)行的燃料全流程智能化管理平臺(tái)，進(jìn)一步提高燃料管理、存儲(chǔ)的全過(guò)程管理水平，同時(shí)可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)反饋的數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)燃料購(gòu)買工作。沁陽(yáng)發(fā)電公司將煤儲(chǔ)存在跨度219 m、長(zhǎng)230 m的鋼結(jié)構(gòu)廠房?jī)?nèi)，該廠房從北至南依次分為4個(gè)儲(chǔ)煤區(qū)、16個(gè)分區(qū)。根據(jù)燃煤硫分、揮發(fā)分、熱值特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤種的分類存儲(chǔ)，最大儲(chǔ)煤量可達(dá)40萬(wàn)t。

1 煤場(chǎng)數(shù)字化與智能化技術(shù)研究與應(yīng)用

所有燃煤發(fā)電企業(yè)都面臨著封閉煤場(chǎng)精準(zhǔn)感知的問(wèn)題，即如何提高煤場(chǎng)監(jiān)控的存量和存煤質(zhì)量問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，本研究通過(guò)構(gòu)建煤場(chǎng)模型，同時(shí)開展以下工作。首先，利用三維激光盤煤技術(shù)來(lái)盤點(diǎn)每日煤炭消耗量，主要是利用激光測(cè)距技術(shù)。在封閉煤棚頂部安裝6臺(tái)激光掃描裝置，通過(guò)激光掃描裝置監(jiān)控來(lái)獲取每日存煤量的變化，進(jìn)而獲取煤場(chǎng)整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用斗輪機(jī)運(yùn)行機(jī)制，采用點(diǎn)云分割技術(shù)，獲得每日煤場(chǎng)高精度三維模型，比傳統(tǒng)的月度盤煤方式有了較大提高。其次，通過(guò)入場(chǎng)時(shí)的火車衡、汽車衡和皮帶秤數(shù)據(jù)，建立數(shù)字化存煤每日精準(zhǔn)消耗量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)比。通過(guò)燃料采制樣系統(tǒng)來(lái)獲取煤數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)、入廠煤汽車衡稱量數(shù)據(jù)以及火車衡稱量數(shù)據(jù)，再加上每日消耗皮帶秤數(shù)據(jù)，能最大程度計(jì)量每日來(lái)煤質(zhì)量、每日消耗質(zhì)量，同時(shí)結(jié)合上一體存煤量，逐一累加后便能獲得當(dāng)前煤場(chǎng)存煤質(zhì)量［2］。將該方法獲得的存煤質(zhì)量數(shù)據(jù)和三維激光盤煤獲得的存煤體積數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)煤場(chǎng)管理人員根據(jù)各儲(chǔ)煤分區(qū)體積量、邊，能清晰準(zhǔn)確地掌握煤場(chǎng)單日庫(kù)存變動(dòng)情況，為公司配煤和鍋爐摻燒提供準(zhǔn)確的燃煤數(shù)據(jù)，從而提高煤場(chǎng)精細(xì)化管理。最后，利用局部三維點(diǎn)云成像技術(shù)、高精度冗余定位技術(shù)，輔助斗輪機(jī)逐步實(shí)現(xiàn)從半自動(dòng)到全自動(dòng)推取物料的安全操作。通過(guò)煤場(chǎng)的三維點(diǎn)云模型，結(jié)合煤場(chǎng)自動(dòng)化作業(yè)規(guī)律，對(duì)煤場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分分析，在斗輪機(jī)作業(yè)過(guò)程中生成前饋信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)提高作業(yè)精度和防止碰撞事故的發(fā)生。

綜上所述，沁陽(yáng)發(fā)電公司研制的數(shù)字化煤場(chǎng)技術(shù)為智能化配煤摻燒提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，數(shù)字化煤場(chǎng)總貌如圖1所示。

2 配煤摻燒智能化技術(shù)研究與應(yīng)用

一般情況下，為了提升配煤的經(jīng)濟(jì)性，往往采用若干種煤料摻燒的方式，沁陽(yáng)發(fā)電公司為了進(jìn)一步提升配煤的經(jīng)濟(jì)性，挖掘環(huán)保潛力，結(jié)合自身廠區(qū)的存煤特點(diǎn)，改變分倉(cāng)摻燒方式，有效提升煤料使用的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，根據(jù)不同工況提供相應(yīng)的運(yùn)行方案，合理控制煤硫分，從而使?fàn)t膛出口污染物含量能有效降低［3］。

圖1 數(shù)字化煤場(chǎng)總貌

2.1 通過(guò)配煤摻燒試驗(yàn)和大數(shù)據(jù)分析，基于每日配煤價(jià)格變動(dòng)來(lái)建立每日配煤摻燒數(shù)據(jù)庫(kù)

受市場(chǎng)供需關(guān)系波動(dòng)和政府政策引導(dǎo)，國(guó)內(nèi)煤炭每日價(jià)格波動(dòng)較大。從降低企業(yè)生產(chǎn)成本的角度出發(fā)，要建立有效的煤炭?jī)r(jià)格監(jiān)控體系，進(jìn)一步建立全煤種每日配煤摻燒知識(shí)庫(kù)。各種煤種混煤煤樣入場(chǎng)前，要基于廠區(qū)鍋爐燃燒性能來(lái)計(jì)算燃燒評(píng)價(jià)水平，然后對(duì)相關(guān)煤料進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析，并對(duì)焦渣特性、灰熔融特性和燃燒特性等進(jìn)行分析，進(jìn)而計(jì)算出相關(guān)煤料燃燒評(píng)價(jià)結(jié)果。結(jié)合鍋爐特點(diǎn)，以鍋爐正反平衡為原則來(lái)獲取鍋爐的生產(chǎn)效率指標(biāo)，進(jìn)而從安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、合理方面出發(fā)，實(shí)時(shí)評(píng)估配煤方案。

為了對(duì)不同負(fù)荷階段配煤規(guī)則的實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，采用煤種溯源分析、數(shù)據(jù)庫(kù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以及穩(wěn)態(tài)判據(jù)算法，對(duì)原有配煤摻燒進(jìn)行分析，同時(shí)借鑒其他單位的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，形成一套以生產(chǎn)工作為特征的配煤案例手冊(cè)。

通過(guò)對(duì)同邊界參數(shù)、同負(fù)荷段相關(guān)案例進(jìn)行分析和建模，結(jié)合人工智能和聚類算法，同當(dāng)日煤價(jià)相結(jié)合，再次對(duì)配煤經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，生成基于案例庫(kù)和摻燒經(jīng)濟(jì)性分析的數(shù)據(jù)庫(kù)，完善增強(qiáng)閉環(huán)學(xué)習(xí)的目標(biāo)，在大數(shù)據(jù)和人工智能算法方面，方便符合配煤規(guī)則的日均經(jīng)濟(jì)配煤方案的制訂，有效壓縮入倉(cāng)煤種的經(jīng)濟(jì)成本［4］。

2.2 通過(guò)人工智能技術(shù)分析和配煤摻燒知識(shí)庫(kù)的數(shù)據(jù)支持，對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，有效發(fā)揮指導(dǎo)作用

根據(jù)建成的數(shù)字化煤場(chǎng)、燃料路徑數(shù)字化編碼和動(dòng)態(tài)識(shí)別，結(jié)合精準(zhǔn)化煤種溯源分析算法，對(duì)發(fā)電機(jī)組的各個(gè)煤倉(cāng)上料情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有煤倉(cāng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)分析和效果展示，可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層切換、煤種切換的提前預(yù)報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)減小負(fù)荷波動(dòng)。

基于輸煤路徑尋優(yōu)技術(shù)的上倉(cāng)方案，設(shè)計(jì)出的配煤摻燒系統(tǒng)可給出包括煤場(chǎng)內(nèi)取煤區(qū)域、鍋爐內(nèi)原煤倉(cāng)倉(cāng)號(hào)的上倉(cāng)方案，該方案集合輸煤皮帶、犁煤器的優(yōu)先級(jí)，推薦輸煤路徑的最佳方案，此時(shí)執(zhí)行斗輪機(jī)可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)取煤，輸煤皮帶全自動(dòng)輸煤，進(jìn)而完成智能摻配到數(shù)字化煤場(chǎng)智能取料的全流程控制。先從廠級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)（SIS）獲取96點(diǎn)符合極化曲線，配煤人員可將該計(jì)劃曲線導(dǎo)入系統(tǒng)，或手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)配煤方案進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，如將原本的6個(gè)階段的全天配煤方案優(yōu)化為5個(gè)階段。生成配煤方案的過(guò)程，將結(jié)合煤場(chǎng)可用的煤種，根據(jù)專家知識(shí)庫(kù)，對(duì)每個(gè)生產(chǎn)時(shí)間段分配具體的配煤方案，其中包含煤量的預(yù)估、熱值、硫分、揮發(fā)分等混煤媒質(zhì)的主要參數(shù)以及各倉(cāng)燒的煤類。一般情況下，一個(gè)倉(cāng)一天只存放一種煤，假如某個(gè)煤倉(cāng)一天更換多次煤，可在配煤日?qǐng)?bào)中顯示多個(gè)作業(yè)序列。多個(gè)上煤任務(wù)自下而上排成序列，下發(fā)給斗輪機(jī)和輸煤皮帶。

該系統(tǒng)依據(jù)煤種溯源技術(shù)，在無(wú)人工干預(yù)的前提下，在倉(cāng)內(nèi)完成配煤的自動(dòng)下推，即利用煤場(chǎng)分區(qū)管理規(guī)則，根據(jù)斗輪機(jī)在煤場(chǎng)內(nèi)施工時(shí)輪斗的位置，能自動(dòng)綁定當(dāng)前煤類、煤量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)批次的原煤倉(cāng)倉(cāng)內(nèi)煤種、煤制的跟蹤，這些煤制被分為分區(qū)的平均煤質(zhì)。通過(guò)系統(tǒng)顯示儀表，工作人員可對(duì)煤倉(cāng)的分層信息一目了然，將低熱值煤種進(jìn)行處理調(diào)整，入爐燃煤量依據(jù)不同制粉系統(tǒng)進(jìn)行分配［5］。

通過(guò)充分利用人工智能技術(shù)，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)負(fù)荷和固定煤種組合情況下的最優(yōu)磨煤機(jī)處理及最優(yōu)出風(fēng)口出風(fēng)溫度的實(shí)際檢測(cè)，并可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化分析，進(jìn)而完成相關(guān)運(yùn)行操作，能有效提升鍋爐摻燒的經(jīng)濟(jì)性。

在該系統(tǒng)提供的智能配煤摻燒的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化形成精細(xì)化的摻燒方案，經(jīng)工作人員確認(rèn)后，直接對(duì)分散控制系統(tǒng)（DCS）發(fā)送分析優(yōu)化后的配煤指令，從而實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)無(wú)人作業(yè)。智能配煤摻燒技術(shù)控制系統(tǒng)如圖2所示。

3 無(wú)人值守斗輪機(jī)智能化技術(shù)研究

3.1 實(shí)現(xiàn)控制斗輪機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)堆取物料

在對(duì)煤場(chǎng)進(jìn)行三維建模的同時(shí)，在斗輪機(jī)懸臂兩側(cè)安裝一個(gè)3D激光盤煤裝置，該裝置可對(duì)斗輪機(jī)局部作業(yè)區(qū)域進(jìn)行每秒一次的快速掃描，并結(jié)合3D模型除噪算法和形態(tài)學(xué)技術(shù)，對(duì)相應(yīng)的噪聲點(diǎn)進(jìn)行去噪處理，同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)回轉(zhuǎn)取料時(shí)，仍要進(jìn)行控制優(yōu)化，通過(guò)建模模型的邊緣位置，對(duì)斗輪機(jī)懸臂回轉(zhuǎn)取料采用反向控制，實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)大車自動(dòng)行走，利用射頻識(shí)別和Encoder技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)斗輪機(jī)打車定位、懸臂角度和高度的確定。結(jié)合斗輪機(jī)懸臂兩側(cè)激光盤煤裝置，可獲得局部煤料堆點(diǎn)云信息，完成對(duì)煤堆自動(dòng)取料內(nèi)化角度設(shè)定，為實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)懸臂自動(dòng)擺臂、連續(xù)取料做準(zhǔn)備。

3.2 斗輪機(jī)操控

斗輪機(jī)操作時(shí)，在取料任務(wù)界面上，輸煤程序控制員接收到配煤工作人員下發(fā)的配煤指令后，將配煤指令發(fā)送給斗輪機(jī)，使其完成自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)取料，與此同時(shí)，還要將配煤指令發(fā)送給輸煤程序的控制端，為后續(xù)輸煤皮帶可行性路徑自動(dòng)選擇和輸煤皮帶一鍵啟動(dòng)做準(zhǔn)備。全過(guò)程智能燃料系統(tǒng)（見圖3）可自動(dòng)生成一組編碼，在分散控制系統(tǒng)（DCS）中輸煤控制系統(tǒng)內(nèi)手動(dòng)輸入上述自動(dòng)生成的編碼，同時(shí)完成對(duì)該組編碼的解碼，實(shí)現(xiàn)輸煤皮帶的自動(dòng)選擇和一鍵啟動(dòng)。斗輪機(jī)司機(jī)接受并確認(rèn)該任務(wù)后，自主完成斗輪機(jī)自動(dòng)定位后，開始進(jìn)行取料作業(yè)。

圖2 智能配煤摻燒技術(shù)

4 實(shí)施效果

圖3 斗輪機(jī)全自動(dòng)控制界面

該配煤摻燒系統(tǒng)自運(yùn)行以來(lái)，充分利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，在煤電生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)精細(xì)化配煤摻燒，混煤煤質(zhì)硫分提高至1.197%，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了降低爐膛出口污染物＞20%的效果。系統(tǒng)還引入日煤炭采購(gòu)價(jià)格機(jī)制，集合廠區(qū)度電燃料成本模型和數(shù)據(jù)庫(kù)刷新機(jī)制，保證每天都能采用最經(jīng)濟(jì)的分倉(cāng)配煤方案，提高經(jīng)濟(jì)煤種的消耗量，逐步實(shí)現(xiàn)配煤摻燒效益的最大化。

無(wú)人值守斗輪機(jī)在智能配煤摻燒指令的引導(dǎo)下，通過(guò)控制過(guò)程的行走、旋轉(zhuǎn)、俯仰、換層、換垛等動(dòng)作進(jìn)行優(yōu)化提升，實(shí)現(xiàn)了斗輪堆取料的無(wú)人化、智能化遠(yuǎn)程作業(yè)，不用斗輪車司機(jī)實(shí)時(shí)在場(chǎng)，僅用1人通過(guò)人機(jī)交互界面完成對(duì)兩臺(tái)斗輪機(jī)堆（取）煤的全自動(dòng)操作。相較于人工堆取，無(wú)人控制斗輪機(jī)操作更加流暢、規(guī)范，堆煤機(jī)操控人員的工作量至少降低30%。系統(tǒng)能夠同時(shí)智能控制10段輸煤皮帶的最優(yōu)路徑，對(duì)不同煤倉(cāng)、不同煤種實(shí)現(xiàn)了分層展示。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多大型電力企業(yè)都在進(jìn)行燃料全過(guò)程智能化管理項(xiàng)目的建設(shè)和探索，其中以中國(guó)國(guó)電集團(tuán)公司（現(xiàn)已并為國(guó)家能源投資集團(tuán)）尤為突出，并取得了不菲的效益。黨的十九大報(bào)告中明確指出，要進(jìn)一步提高和強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)、智慧社會(huì)的發(fā)展程度，并對(duì)建立全球領(lǐng)先、世界一流企業(yè)提出了更高要求。對(duì)發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，建設(shè)高質(zhì)量企業(yè)的迫切需求，無(wú)論是習(xí)近平總書記還是李克強(qiáng)總理，都在不同場(chǎng)合強(qiáng)調(diào)過(guò)。要依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等高精尖技術(shù)，全面助力實(shí)體經(jīng)濟(jì)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)融合發(fā)展。并以此為契機(jī)，從國(guó)有大中型企業(yè)著手，對(duì)其發(fā)展進(jìn)行全面賦能、集團(tuán)化管控、注重生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，盡快建立和完善具有國(guó)際領(lǐng)先水平的電力數(shù)據(jù)檢測(cè)診斷中心。

沁陽(yáng)發(fā)電廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型案例經(jīng)鑒定達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，被省市主管部門列入數(shù)字化轉(zhuǎn)型典型案例?；痣姀S全過(guò)程智能燃料系統(tǒng)與集團(tuán)公司燃料集中控制系統(tǒng)建設(shè)案例入選國(guó)家工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟優(yōu)秀案例，推廣空間巨大。針對(duì)燃料精細(xì)化手段滯后、智能化水平偏低影響企業(yè)效益的問(wèn)題，沁陽(yáng)發(fā)電廠利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、可視化在線分析等技術(shù)，研發(fā)出全過(guò)程智能燃料管控系統(tǒng)，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)進(jìn)行集成整合，實(shí)現(xiàn)了燃料全過(guò)程全要素信息自動(dòng)檢測(cè)與控制、全業(yè)務(wù)大數(shù)據(jù)智能建模、智能化可視化在線分析等技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)在節(jié)能減排、依法治企等方面產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益。本研究基于火力發(fā)電廠在新時(shí)期生產(chǎn)發(fā)展過(guò)程中遇到的瓶頸，以沁陽(yáng)發(fā)電廠全過(guò)程智能燃料系統(tǒng)的建設(shè)為依據(jù)，在保障燃煤機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提下，依托高科技和人工智能算法，積極落實(shí)節(jié)能減排、提質(zhì)增效，提升智能運(yùn)營(yíng)水平，為企業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值，也起到了良好的帶頭示范作用，對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)企業(yè)改革、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整、智能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、建設(shè)一流情節(jié)能源企業(yè)具有重要的意義，同時(shí)具備較高的推廣價(jià)值。