精確配煤工藝智能控制在火電廠的應用與探索

王博強

（國能常州發電有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

燃煤成本在火電廠的運營成本中占60%～70%，煤炭直接關系到火力發電廠的安全、經濟、環保、生產、運營。近年來，由于煤炭市場價格持續下跌，買方主導的市場供需關系逐漸建立。購買者對煤熱能的利用率有較高的需求，并期望以較低的價格購買滿足其需求的高熱值煤。煤礦生產的煤類型相對固定，因此買方還需要混合不同比例的高熱值煤和低熱值煤。在日益激烈的市場競爭環境中，配煤過程越來越細化。

本文提出的系統主要由斗輪自動控制系統、實時給煤控制系統和智能操作系統3 個部分組成（表1、圖1）。通過斗輪機全自動控制系統和電廠實時給煤控制系統的技術改造，形成數字化煤場，可以智能管理輸煤和配煤，并完成由爐內混合和帶式輸送機組成的精確配煤系統。

圖1 系統框架

表1 系統組成

1 斗輪機全自動控制系統

在相應的斗輪機安裝有測量、數字掃描、校準、校正、安全保護、高清圖像監控等，并將其連接到完全自主管理的PLC，并從PLC 的計算結果中得到定位、堆垛、取料、調車等操作命令。PLC 接收到操作命令后，進行相應的控制命令操作，完成斗輪機的全面自主管理（圖2）。

圖2 斗輪機全自動控制系統架構

該系統具有以下5 個特點。

（1）全自動定位。自動確定操作中心的位置，并通過測量和分析小車的當前位置和動臂的位置角來自動控制斗輪機的移動，定位完成后控制系統可以在每個輔助機構中自動運行。

（2）完全手動回收。實現全手工采煤作業：①大面積的平整取材；②分段采煤；③底煤的采掘；④在雨季進行填筑地基，各種復墾方法適合各類煤場的要求[3]。

（3）恒定電流回收的調整。實現回收全過程的恒流管理。根據電流設定值，手動調整回收轉速，并使用PLC 內置的PID 閉環控制進行恒流管理，電流變化較小（±10%以內）。

（4）自動堆疊。實現自動智能堆垛，堆垛內外傾角、堆垛高度等技術參數可由上位機設定。在初期堆料時，懸臂結構可以保持在較低的高度，以降低粉塵。

（5）自動調整。能準確地進行分流，通過對流速的監控和無級變速調整，使煤倉內的流速達到合理的配煤要求和最佳的控制效果，減少煤炭消耗。

2 實時盤煤系統

通過斗輪機全自動控制的煤堆測量設備，在斗輪機堆取料操作過程中，可以實時掃描煤堆的輪廓，并使用煤盤服務器進行數據、計算和仿真，從而完成煤堆的三維仿真和在線顯示。

（1）現場的測量和校準：使用便攜式自動定位器在控制系統運行過程中進行測量，包括確定下煤場的基點和標準尺寸，通過計算風斗輪機的外部尺寸、上下煤堆以及裝置的布局、激光數字化的方位確定，同時給出三維仿真的初步設計資料。

（2）數據分析與建模：利用實時煤卷管理系統對煤層監控裝置進行掃描，自動清理垃圾，并依據現有的PLC 監控斗輪機運行狀況。起重機高度和懸臂俯仰/旋轉方向給出三維建模，根據懸臂結構確定工作模式和操作方向。實時數字化掃描方法將與自動信號相結合的大數據分析結果轉換為相應的節點云數據，并及時更新煤場數據，由此建立全新的實時煤場三維模式。

（3）三維煤場模擬：采用實時煤盤系統，根據每一層的進料高度，并聯系煤堆中煤種的堆積密度來估計煤堆體積。斗輪堆取料機運行后，動態自動生成三維煤場的模擬數據，數據立即傳輸至智能計算系統。

3 智能化操作控制體系

基于煤場及上煤倉煤質狀況的智能控制軟件，通過獨立分析和設計，制定了一套完整的堆煤、上煤倉及分配方案，以保證作業人員的安全、高效。在工廠一號區域內設置的控制性安全區域，該系統與輸煤機自動控制、輸煤機自動控制系統同屬一個監測信息領域，并與全自動控制系統和實時煤盤控制系統連接以獲取實時信息。通過輸入運行控制規則、上層倉庫煤質信息、運煤的煤種、煤質和煤量等（包括實時煤炭庫存信息），實現智能分析和一鍵操作，給出完善的堆煤作業指導方案，獨立生成斗輪機的全自主操作控制信息[2]。

（1）建設電子煤場。建立電子煤場，按照采煤批次自動產生煤ID（Identity Document，身份標識號）。煤種、煤質、堆積壓力等參數采用人工輸入和存儲。在一個自動的堆煤流程中，煤ID將通過數字煤盤計算機與煤堆相關聯。并通過數字煤盤的計算，建立起一個含有煤種、煤質、煤炭量、煤堆位置等信息的可視化圖像電子煤場。而煤場中所有煤堆的煤種、煤質、運輸、企業名稱等信息，均由運輸與能源管理部門統一存儲。同時，通過利用與輸煤程序所控制的設備連接，掌握輸煤裝置所有設備的運行情況，并使用可視化煤場圖進行顯示。

（2）智能堆煤。對于來自航運企業的煤炭，控制系統使用內部方法來估計適當的煤炭堆放位置，并根據運營商輸入的航運企業煤炭航運公司編號、煤炭類型、煤炭質量和煤炭量，或系統設置的煤炭堆放方法，引導運營商堆放煤炭：①控制系統根據來煤的性質調節來煤，并確定來煤的運輸方向，即進出和進入爐膛。經濟煤、主煤、合適煤和易燃煤的優先進料可以有效縮短儲存和回收過程，降低煤和易燃煤的能耗；②在堆煤工藝設計中，控制系統將尋找理想的、經濟的空煤場，以存放成型時的異質煤。需要考慮的因素有：空煤場的煤堆數量和煤源數量，并判斷是否堆疊；盡可能將主要、經濟、可燃煤儲存在靠近運輸帶路徑的區域；發電效率最高、發熱量低的煤盡量分配到同一斗輪機所在的煤場；各煤場儲煤能力保持穩定，確保事故發生后斗輪機順利退出；各煤場煤質穩定，保證配煤需求平穩；按相同煤質比例儲存；應盡可能儲存或不加區分地儲存同一種煤炭；③在今后的直接進煤過程中，根據配煤的需要，可以使出煤的流量大于進廠的流量。在本例中，汽輪機采用了自動分流優化的功能，當確保上部料倉的流速時，其余的流量將完全堆積。

（3）智能配煤。由運行技術人員提出混合配煤上部煤倉煤質及主要技術參數的具體方案和目標，該系統包括網絡、AR、Vdaf、ad、MT、SD 等，通過設定各煤種的類型，選擇主煤種，并在其內部進行智能計算，對煤場有煤堆和船上運煤的煤質技術參數及數量進行分析，并選定合適的配煤方法研究，以達到煤質總體目的值和混煤配煤的技術邊界要求。配煤方案設計的煤種、煤堆代號及它們間的煤氣流量比。根據煤質技術參數分析，操作人員也能進行選煤方案的設計。智能配煤影響的主要因素有現場儲煤設備條件、首選煤種/煤堆、低壓力運行和混合配煤系統的發電效率下限、較經濟和易壓煤種的優選儲煤系統、小儲備煤堆的優選儲煤系統等。控制系統提供了多個有用的配煤方案，操作者和技術人員可根據結合實際需要進行選擇。

（4）開啟智能倉庫。在確定配煤計劃之后，繼續計算斗式采煤的采出量和直接進煤倉的采煤流量。通過對采煤時間起點、皮帶與輸送塔的間距和輸送皮帶的運動速率的分析，得出不同類型的斗輪機在配煤過程中的起始時間，使參與配煤的不同煤種能夠準確、同步地到達配煤中轉樓。然后建立一個工作指令，指示斗輪機的操作時間，包括工作模式、倉庫中的流速、開始操作時間和相應的日期等。斗輪機采用恒流狀態和取煤控制系統，可以根據不同煤種的精確流量，最終按精確的皮帶配煤進行混合，并將其送入煤倉。

4 應用分析

2×1050 MW 超超臨界機組大型水運燃料電站擴建工程采用大同煤礦集團公司方案進行工程設計，北京神華燃料集團有限責任公司進行施工檢查，主要參數有：風力發電系統的高壓供氣完全采用鐵水聯動配送方式，在輸煤港建造一艘3.5 萬噸級散貨船；船舶裝卸機采用兩臺橋式重型抓斗船舶裝卸機，最大輸送能力為1500 t/h；修建一座長368 m、寬197 m 的四列煤倉；煤層上下段長43.25 m，深度12 m，最大堆肥系數0.85，煤堆容重0.9 t/m3，預計總儲煤量為33 萬噸，可滿足2×1050 MW 發電機組發電后20 d 用煤量。

發電廠的配煤和裝煤方式主要有兩種：一是在單獨的煤倉中裝煤，并在高爐中連續混合；二是皮帶配煤。配煤和裝煤的方法有：①空氣斗式發動機分別取優、劣質煤進行料倉分離后添加；②斗輪機配套端口的直接連接（導流）采用料倉混合優劣質煤；③港口與（或）直接相連，煤炭在當地被提取、混合和混合；④兩臺斗輪機就地雙抽，使煤粉均勻混合。

火力發電效率、含硫量、灰分是火力發電煤質的主要技術指標，確定發三者的分級后煤質控制指標[2]。該廠煤種較多，采取先分倉煤再加皮帶的方式運行。皮帶配煤的兩股氣流分別經過T306 皮帶和T307 皮帶，在轉運站攪拌后，由T308 皮帶、碎煤機室和T310 皮帶翻轉攪拌多次，配煤質量相對穩定。

精煤配煤工藝的總體運行流程如下（圖3）：

圖3 精確配煤控制過程

（1）運行人員按鍋爐機組的負荷，向鍋爐機組配煤提供煤質技術指標，包括熱值、硫含量、灰分等。

（2）基于煤炭分配要求和煤場的數字化數據（煤層數據、機器狀態等），對進料（卸料）和從煤堆中取出煤的配煤方式進行智能分析。在滿足煤炭質量的前提下，配煤系統也要考慮到實施限制，如執行狀態的要求、皮帶配煤需要通過的各種煤倉路線，以及根據A、B、C、D、E、F 煤倉（D、E、F 煤倉增加煤的揮發性部分）降低煤倉煤的效率等（通常會形成許多不同的配煤方案）。

（3）由操作技術人員按照系統產生的煤炭分配計劃。該系統將自動轉化為自動控制系統的命令和信息，并進行傳送。技術參數包括煤堆的名稱、采煤開始時的位置（包括起重機的方向、懸臂的回轉和俯仰角度）以及采煤電流等。

（4）當斗輪機全自動控制器收到操作命令時，根據操作員的判斷，在輸送上料倉線系統處于運行前準備狀態時，自動控制斗式透平機自動完成作業。在進料煤種一致的情況下，儲煤量為每小時1500 t；根據不同的配煤比例，采用帶煤方式控制風斗式水輪機煤流，并對其進行直接/間接分流，保證輸送帶的煤流總量不超過1500 t/h。

（5）在加載期間，在直接/轉移加煤后，通過風斗式水輪機全自動控制系統的手動導流調節界面，可以實現導流擋板開度的自動調節，使直接/分裝煤量滿足配煤要求。

該技術將使火電廠在原有系統中實現完全自動化的同時，實現對煤炭精準分配技術的智能化管理，包括生產和人工操作。通過對斗式采煤機的流量和分選，可以精確地控制上料流率和帶煤的配比。其對發電廠的煤炭分配效率、比例準確度、操作準確性有明顯提高，同時提高火力發電設備的經濟效益和可靠性，拓寬電站生產燃煤產品的范圍，對電站的經濟效益和行業管理有很大促進作用。

5 結束語

煤粉摻燒是解決火電廠燃煤供應復雜性的關鍵技術之一。通過對水輪機全自動控制的技術改造，利用煤層實時盤煤技術建立數字化煤場，實現煤層配煤和堆煤作業的智能化管理，使燃料運行的效率和安全性得到顯著改善，對于電廠的經濟運行、安全運行、經濟管理具有重要意義。