火电厂入炉煤智能采制化系统设计与优化改造

王永斌

（山西阳光发电有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

目前我国发电厂仍然以燃煤火力发电为主，燃煤费用约占发电成本的75%以上[1-2]，煤质的好坏直接影响火力发电机组的安全经济运行。煤质主要依赖于煤的采制化结果，有关数据表明，在整个采制化过程中，煤质误差约有80%来自采样过程，约有16%来自制样过程，其余均为化验过程[3]。而现在许多电厂仍然采用人工或半自动化的采制化方式，需要投入大量人员去操作，数据滞后，入炉煤数据误差大，无法反映真实的煤质参数。由此可见，燃煤的采制化过程是控制发电成本和反映真实煤耗的重要一环，而煤的采制化系统智能化建设是火电企业提高管理水平、降本增效的有效途径[4]。

本次以山西某4×300 MW燃煤电厂为例，深入分析该厂现有入炉煤采制化过程现状，提出一套入炉煤智能采制方案，并进行了现场改造实施。

1 现状分析

目前，该公司入炉煤采样采用皮带中部刮板机械化采样系统，往往一次采样仅1～2 kg样品，在皮带低负荷运行时，常常出现煤层太薄导致不能采集到样品的情况，采样系统投运率低。制样过程主要由人工手动完成，样品由人员送至化验室，煤样化验数据由人工手动填写，送样过程无有效监控措施，制样、化验环节存在不可避免的人为因素。煤的采制化各个环节较为分散，没有一个有效的集中管控模式，相互之间协调统一性差。

此外，人工制样环境恶劣，设施简陋；化验室设施陈旧，布局杂乱，存样管理不严谨，不符合标准化管理要求；设备用电负荷分配不合理，存在安全隐患，高温区与精密测量室设计不合理，存在交叉干扰因素。

因此，随着发电企业现代化、数字化进程的加快，切实为燃煤结算、煤耗分析提供公平公正、准确的数据，避免人为因素影响，将采制化设备进行系统集成，改造为智能一体化系统，实现采制化过程智能化、标准化、无人化的目标，为公司精细化管理，成本管控工作打好扎实的基础。

2 入炉煤智能采制化方案

火电厂入炉煤智能采制化系统方案主要由现场作业、智能设备、信息管理平台三个层次构成。从煤样的采样、制样、化验及存查样实现全过程数字化集中管理，尽可能降低人为因素对煤质数据的影响，保证数据的实时更新。功能架构如图1所示。

图1 智能采制化系统设计方案

采样管理：通过全自动采样机对输煤皮带来煤进行远程自动采样，并通过集样器对样品进行分装编码，确保取样具有代表性。

制样管理：通过智能制样系统对采集样品进行制样，包括缩分、破碎、干燥、包装及编码等过程。

存查样管理：存查样管理主要是对过往煤样的存、取、销毁进行管理，通过信息化技术手段实现样品一样一柜，存取全程可追溯，保证存查样的安全。

化验管理：实现化验室各个功能区设备的检测数据在线采集、分析及自动上传。

门禁及视频管理：用于实现对不同权限人员进出工作区域的监控管理，同时用于煤质采制化的全过程监控。

3 改造实施方案

根据该公司实际情况，智能采制化系统采用立体化分层布置方式，如图2所示。

以汽机房固端楼梯间为中心，上下三层布置，上层采样器位于10号皮带尾部，中层制样装置位于机房固定端22 m楼梯间，下层化验室位于机房固定端6.3 m，所有设备的监控通过网络来实现。具体改造方案如下：

图2 智能采制化系统改造方案

3.1 采样系统

3.1.1 采样机程序改造

通过对下位机程序的升级，使得采样机的工作能够与制样设备进行对接。优化采样机的采样频率、缩分比例等参数，使得采样和制样能够协调工作。

3.1.2 采样机设备改造

1）将原有皮带中部刮板取装置换为皮带端部取样装置，此装置具有以下特点：采样头动作间隔时间短，自然采样精密度高，采集的子样能够覆盖皮带全断面及煤层厚度，系统误差极小，所采样品具有很好的代表性。

2）对原自动采样机的集样器进行重新改造，增加电动下闸门，通过不锈钢落料管直接到达制样系统进料口。预留旁路系统，方便系统故障时人工制样，原人工制样设备位置保持不变。

3）在制样的余料返回中，加装余料斗提装置。通过斗提装置，把制样过程的余样全部返回到皮带，减少劳动者的劳动强度（采样机设备改造如图3所示）。

3.2 制样部分

本次制样部分采用机器人智能制样系统，以机器人操作手臂为中心，由混匀模块、缩分模块、破碎模块、二分模块、烘干模块、制粉模块、称重模块、封装模块、机器人搬运系统、弃料模块和环保除尘系统等构成，各模块之间的物料传输通过机械手完成。各模块采用密封柜体结构，机体顶部设计有接料仓，机体底部设计有出料口。

图3 采样系统改造

在输煤系统#10皮带尾部的下一层空间，即机房固定端22 m楼梯间位置放置一套智能制样系统。该楼层面积约为99 m2，呈“L”型布置。智能制样间功能划分图如图4所示。

图4 智能化制样间功能划分

各区域功能说明如下：

1）标号1区域为斗提提升装置位置。所有余料都通过皮带传输到该位置，进入斗提机，提升至输煤#10皮带；

2）标号2区域为智能制样系统的除尘设备，保证现场环保洁净；

3）标号3区域为全自动制样设备摆放区域。制样设备以机械手为中心依次摆放；

4）标号4为全自动制样机进料区域。全自动制样机样品收集口直接连接采样机溜料管，采样机所采集的样品通过溜管进入全自动制样机进行制样，制样机制样完成后，封装标识好的样品瓶通过管道传输至化验室收样间。

5）标号5为控制系统和人员办公区域。

智能化制样系统工作流程如图5。

图5 智能化制样系统流程图

具体各制样流程如下：

1）获取煤样信息。制样系统通过智能管控系统发送来的煤样粒度信息、批次煤样信息，判断煤样是否需要预先进行6 mm破碎处理、计算确定并调节缩分单元的缩分比。

2）制备6 mm共用样。当来煤粒度＞6 mm时，机器人先将煤样倒入6 mm破碎机破碎至6 mm，然后倒进缩分单元进行缩分制取5.5 kg共用样（当来煤粒度≤6 mm时，煤样直接进缩分单元）。缩分单元的缩分比在缩分工作进行前根据该批次煤样信息确定并调整好，以满足制备出5.5 kg（如需要2份水分样则增加到6.75 kg）恒定重量的6 mm共用样。弃料暂时留存等判断该批次制得的样品合符预定要求后再行丢弃。

3）制取水分样。将上面制得的5.5 kg共用样取出再次倒入缩分单元，制备1.25 kg水分样及4.25 kg共用样。将合格的水分样送达样品封装及发送模块进行封装、写码后送出。共用样供后续使用。

4）制备3 mm共用样。将上步中制得的4.25 kg共用样再次投到3 mm破碎单元，制得4.25 kg粒度3 mm共用样。

5）制取存查样、3 mm分析样。将上步中制得的4.25 kg粒度3 mm共用样再次投到缩分单元，缩分出700 g存查样及400 g分析样，其余丢弃。

6）3 mm分析样烘干。将上步中制得的400 g粒度3 mm分析样倒入干燥箱的浅盘中，摊平后烘干。

7）分析样制取。将经干燥处理的400 g粒度3 mm的分析样倒入缩分研磨单元，该单元首先通过二分器分得2份各200 g样品，然后一份进入研磨机进行研磨清洗，清洗完后将清洗样丢弃；另一份200 g粒度3 mm样品再次倒入二分器分得2份各100 g，依次分别投放到研磨机中研磨制得2份各100 g粒度为0.2 mm的分析样。将合格的0.2 mm分析样送达样品封装及发送模块进行封装、写码后送出。

样品封装采用旋盖式，系统将制样系统制得的煤样瓶（含6 mm全水分样、3 mm存查样、0.2 mm分析样）进行加盖封装，煤样信息写入，然后传送到输送系统的发送站，输到化验室。

4.3 化验部分

在机房固定端6.3 m楼梯间旁新建标准煤质化验室（化验室功能区域划分见图6），化验室的环境达标，具有防火、防噪、防腐、防潮、防尘、防有害气体侵入的功能，室温尽可能保持恒定。选用国内先进的化验设备，化验设备摆放整齐规范，功能区域划分明确。具有信息数据自动上传和打印功能，无需人工填写化验数据。

图6 新建化验室功能区划分

标准化化验室设计应满足以下要求：

所有化验设备选型应符合煤化验各国标标准规定要求，满足公司煤质化验实际需求。

化验室共分为工业水分析室、高温室、样品收集室、天平室、量热仪室和办公区等，各房间之间采用铝结构加玻璃隔断墙进行隔断。隔断墙材料选用高强度断桥铝及中空玻璃建设，确保采光、隔热效果良好。

1）化验室吊顶采用铝扣板集成吊顶，灯光及排气设计根据各功能区的要求设计安装。

2）化验室仪器工作台应选用承重能力较强、结构稳定且具备防火、防水、耐腐蚀等功能。

3）工业水分析室配备生水、除盐水上水及下水管路，管路布置合理美观，且考虑防冻处理。

4）天平室、量热仪室安装冷暖空调，并设计通风装置及遮阳帘，确保室内温、湿度恒定。

5）高温室布置应考虑房间隔热功能（隔断墙、玻璃选型加厚），并设计有强制通风及排烟、气装置。

6）所有化验室均安装统一轨道式插座（安装高度在工作台上方600～800 mm处），每台设备使用单独对应插座并设计单独漏电保护开关，插座额定负荷符合设备用电要求。

7）所有化验室外墙窗户均更换为密封、隔热较好的窗户（断桥铝门窗）。

8）化验室用瓶装氧集中安放，加装汇流排及恒压调节装置，预留2个以上氧弹充氧接口。

9）化验室所有自动测量设备均具备联网功能，能生成数据报表（与公司信息管理系统兼容），实现数据信息化管理，并能够与化验室办公电脑实现数据联网。

3.4 存查样管理

在化验室配备存查样柜，采用一样一柜的方式进行样品存放。对6 mm全水分煤样及3 mm备查煤样、0.2 mm煤样的管理。系统定制表格通过值班员定期输入，记录各类煤样的交接、存样、销毁等情况，形成规范性记录表格。

1）6 mm全水分煤样保管七天。3 mm存查样保管三个月。0.2 mm存查样保管三个月。达到保存期限但尚未结帐的延长保存时间，直至结帐为止。

2）提取任何粒度的煤样都必须经主管领导批准后，经门禁系统确认方能提取煤样。

3）存查样柜包含80个仓位，满足标准的存样要求。

3.5 监控系统及门禁

1）视频监控系统：在全自动制样区域、化验室分别加装视频监控系统。所有视频信号全部接入视频服务器中。视频存储时间为三个月。能将视频接入厂内系统，通过系统，各有权限领导可以在办公桌面实时调取、录像各点位的视频。

2）门禁控制系统：在制样和化验的各个进门处设有门禁管理系统，员工出入各个办公点，都需要进行指纹验证或者刷卡验证。没有权限的人员无法进入作业范围。

3）各个区域设计两道门，其中一套设立门禁系统，门禁锁选用指纹、密码、磁卡、钥匙4合一锁，并安装门铃呼叫装置。

4 结语

通过此次对某电厂入炉煤采制化系统的优化改造，采用上下立体式分层布置形式，通过同统一的调度指挥，确保功能设备的协调配合，实现公司入炉煤智能化的采制化要求，减轻了员工劳动强度，提高了入炉煤质数据准确性，降低了人为因素对采制化过程的影响，为公司运行成本的精细核算提供了扎实有效的数据支撑。本公司的改造方案可为同类型机组入炉煤采制化设计提供借鉴。

[1]张开峰，李跃，杜志刚.坑口型资源综合利用电厂个性燃料采制化体系建设的创新与实施[C]//2017中国科协年会论文集，2017.

[2]张小霓，谢星.入炉煤机械采制样装置性能检验[J].热力发电，2010，39（1）：42-45.

[3]王彩霞.浅谈燃料采制化对电厂热值差的影响[J].山东工业技术，2014（22）：68-69.

[4]周宁.国华电力入厂煤“采制化”管理[J].煤质技术，2007（1）：13-15.