精确配煤工艺智能控制在火电厂的应用与探索

王博强

（国能常州发电有限公司，江苏常州 213000）

0 引言

燃煤成本在火电厂的运营成本中占60%～70%，煤炭直接关系到火力发电厂的安全、经济、环保、生产、运营。近年来，由于煤炭市场价格持续下跌，买方主导的市场供需关系逐渐建立。购买者对煤热能的利用率有较高的需求，并期望以较低的价格购买满足其需求的高热值煤。煤矿生产的煤类型相对固定，因此买方还需要混合不同比例的高热值煤和低热值煤。在日益激烈的市场竞争环境中，配煤过程越来越细化。

本文提出的系统主要由斗轮自动控制系统、实时给煤控制系统和智能操作系统3 个部分组成（表1、图1）。通过斗轮机全自动控制系统和电厂实时给煤控制系统的技术改造，形成数字化煤场，可以智能管理输煤和配煤，并完成由炉内混合和带式输送机组成的精确配煤系统。

图1 系统框架

表1 系统组成

1 斗轮机全自动控制系统

在相应的斗轮机安装有测量、数字扫描、校准、校正、安全保护、高清图像监控等，并将其连接到完全自主管理的PLC，并从PLC 的计算结果中得到定位、堆垛、取料、调车等操作命令。PLC 接收到操作命令后，进行相应的控制命令操作，完成斗轮机的全面自主管理（图2）。

图2 斗轮机全自动控制系统架构

该系统具有以下5 个特点。

（1）全自动定位。自动确定操作中心的位置，并通过测量和分析小车的当前位置和动臂的位置角来自动控制斗轮机的移动，定位完成后控制系统可以在每个辅助机构中自动运行。

（2）完全手动回收。实现全手工采煤作业：①大面积的平整取材；②分段采煤；③底煤的采掘；④在雨季进行填筑地基，各种复垦方法适合各类煤场的要求[3]。

（3）恒定电流回收的调整。实现回收全过程的恒流管理。根据电流设定值，手动调整回收转速，并使用PLC 内置的PID 闭环控制进行恒流管理，电流变化较小（±10%以内）。

（4）自动堆叠。实现自动智能堆垛，堆垛内外倾角、堆垛高度等技术参数可由上位机设定。在初期堆料时，悬臂结构可以保持在较低的高度，以降低粉尘。

（5）自动调整。能准确地进行分流，通过对流速的监控和无级变速调整，使煤仓内的流速达到合理的配煤要求和最佳的控制效果，减少煤炭消耗。

2 实时盘煤系统

通过斗轮机全自动控制的煤堆测量设备，在斗轮机堆取料操作过程中，可以实时扫描煤堆的轮廓，并使用煤盘服务器进行数据、计算和仿真，从而完成煤堆的三维仿真和在线显示。

（1）现场的测量和校准：使用便携式自动定位器在控制系统运行过程中进行测量，包括确定下煤场的基点和标准尺寸，通过计算风斗轮机的外部尺寸、上下煤堆以及装置的布局、激光数字化的方位确定，同时给出三维仿真的初步设计资料。

（2）数据分析与建模：利用实时煤卷管理系统对煤层监控装置进行扫描，自动清理垃圾，并依据现有的PLC 监控斗轮机运行状况。起重机高度和悬臂俯仰/旋转方向给出三维建模，根据悬臂结构确定工作模式和操作方向。实时数字化扫描方法将与自动信号相结合的大数据分析结果转换为相应的节点云数据，并及时更新煤场数据，由此建立全新的实时煤场三维模式。

（3）三维煤场模拟：采用实时煤盘系统，根据每一层的进料高度，并联系煤堆中煤种的堆积密度来估计煤堆体积。斗轮堆取料机运行后，动态自动生成三维煤场的模拟数据，数据立即传输至智能计算系统。

3 智能化操作控制体系

基于煤场及上煤仓煤质状况的智能控制软件，通过独立分析和设计，制定了一套完整的堆煤、上煤仓及分配方案，以保证作业人员的安全、高效。在工厂一号区域内设置的控制性安全区域，该系统与输煤机自动控制、输煤机自动控制系统同属一个监测信息领域，并与全自动控制系统和实时煤盘控制系统连接以获取实时信息。通过输入运行控制规则、上层仓库煤质信息、运煤的煤种、煤质和煤量等（包括实时煤炭库存信息），实现智能分析和一键操作，给出完善的堆煤作业指导方案，独立生成斗轮机的全自主操作控制信息[2]。

（1）建设电子煤场。建立电子煤场，按照采煤批次自动产生煤ID（Identity Document，身份标识号）。煤种、煤质、堆积压力等参数采用人工输入和存储。在一个自动的堆煤流程中，煤ID将通过数字煤盘计算机与煤堆相关联。并通过数字煤盘的计算，建立起一个含有煤种、煤质、煤炭量、煤堆位置等信息的可视化图像电子煤场。而煤场中所有煤堆的煤种、煤质、运输、企业名称等信息，均由运输与能源管理部门统一存储。同时，通过利用与输煤程序所控制的设备连接，掌握输煤装置所有设备的运行情况，并使用可视化煤场图进行显示。

（2）智能堆煤。对于来自航运企业的煤炭，控制系统使用内部方法来估计适当的煤炭堆放位置，并根据运营商输入的航运企业煤炭航运公司编号、煤炭类型、煤炭质量和煤炭量，或系统设置的煤炭堆放方法，引导运营商堆放煤炭：①控制系统根据来煤的性质调节来煤，并确定来煤的运输方向，即进出和进入炉膛。经济煤、主煤、合适煤和易燃煤的优先进料可以有效缩短储存和回收过程，降低煤和易燃煤的能耗；②在堆煤工艺设计中，控制系统将寻找理想的、经济的空煤场，以存放成型时的异质煤。需要考虑的因素有：空煤场的煤堆数量和煤源数量，并判断是否堆叠；尽可能将主要、经济、可燃煤储存在靠近运输带路径的区域；发电效率最高、发热量低的煤尽量分配到同一斗轮机所在的煤场；各煤场储煤能力保持稳定，确保事故发生后斗轮机顺利退出；各煤场煤质稳定，保证配煤需求平稳；按相同煤质比例储存；应尽可能储存或不加区分地储存同一种煤炭；③在今后的直接进煤过程中，根据配煤的需要，可以使出煤的流量大于进厂的流量。在本例中，汽轮机采用了自动分流优化的功能，当确保上部料仓的流速时，其余的流量将完全堆积。

（3）智能配煤。由运行技术人员提出混合配煤上部煤仓煤质及主要技术参数的具体方案和目标，该系统包括网络、AR、Vdaf、ad、MT、SD 等，通过设定各煤种的类型，选择主煤种，并在其内部进行智能计算，对煤场有煤堆和船上运煤的煤质技术参数及数量进行分析，并选定合适的配煤方法研究，以达到煤质总体目的值和混煤配煤的技术边界要求。配煤方案设计的煤种、煤堆代号及它们间的煤气流量比。根据煤质技术参数分析，操作人员也能进行选煤方案的设计。智能配煤影响的主要因素有现场储煤设备条件、首选煤种/煤堆、低压力运行和混合配煤系统的发电效率下限、较经济和易压煤种的优选储煤系统、小储备煤堆的优选储煤系统等。控制系统提供了多个有用的配煤方案，操作者和技术人员可根据结合实际需要进行选择。

（4）开启智能仓库。在确定配煤计划之后，继续计算斗式采煤的采出量和直接进煤仓的采煤流量。通过对采煤时间起点、皮带与输送塔的间距和输送皮带的运动速率的分析，得出不同类型的斗轮机在配煤过程中的起始时间，使参与配煤的不同煤种能够准确、同步地到达配煤中转楼。然后建立一个工作指令，指示斗轮机的操作时间，包括工作模式、仓库中的流速、开始操作时间和相应的日期等。斗轮机采用恒流状态和取煤控制系统，可以根据不同煤种的精确流量，最终按精确的皮带配煤进行混合，并将其送入煤仓。

4 应用分析

2×1050 MW 超超临界机组大型水运燃料电站扩建工程采用大同煤矿集团公司方案进行工程设计，北京神华燃料集团有限责任公司进行施工检查，主要参数有：风力发电系统的高压供气完全采用铁水联动配送方式，在输煤港建造一艘3.5 万吨级散货船；船舶装卸机采用两台桥式重型抓斗船舶装卸机，最大输送能力为1500 t/h；修建一座长368 m、宽197 m 的四列煤仓；煤层上下段长43.25 m，深度12 m，最大堆肥系数0.85，煤堆容重0.9 t/m3，预计总储煤量为33 万吨，可满足2×1050 MW 发电机组发电后20 d 用煤量。

发电厂的配煤和装煤方式主要有两种：一是在单独的煤仓中装煤，并在高炉中连续混合；二是皮带配煤。配煤和装煤的方法有：①空气斗式发动机分别取优、劣质煤进行料仓分离后添加；②斗轮机配套端口的直接连接（导流）采用料仓混合优劣质煤；③港口与（或）直接相连，煤炭在当地被提取、混合和混合；④两台斗轮机就地双抽，使煤粉均匀混合。

火力发电效率、含硫量、灰分是火力发电煤质的主要技术指标，确定发三者的分级后煤质控制指标[2]。该厂煤种较多，采取先分仓煤再加皮带的方式运行。皮带配煤的两股气流分别经过T306 皮带和T307 皮带，在转运站搅拌后，由T308 皮带、碎煤机室和T310 皮带翻转搅拌多次，配煤质量相对稳定。

精煤配煤工艺的总体运行流程如下（图3）：

图3 精确配煤控制过程

（1）运行人员按锅炉机组的负荷，向锅炉机组配煤提供煤质技术指标，包括热值、硫含量、灰分等。

（2）基于煤炭分配要求和煤场的数字化数据（煤层数据、机器状态等），对进料（卸料）和从煤堆中取出煤的配煤方式进行智能分析。在满足煤炭质量的前提下，配煤系统也要考虑到实施限制，如执行状态的要求、皮带配煤需要通过的各种煤仓路线，以及根据A、B、C、D、E、F 煤仓（D、E、F 煤仓增加煤的挥发性部分）降低煤仓煤的效率等（通常会形成许多不同的配煤方案）。

（3）由操作技术人员按照系统产生的煤炭分配计划。该系统将自动转化为自动控制系统的命令和信息，并进行传送。技术参数包括煤堆的名称、采煤开始时的位置（包括起重机的方向、悬臂的回转和俯仰角度）以及采煤电流等。

（4）当斗轮机全自动控制器收到操作命令时，根据操作员的判断，在输送上料仓线系统处于运行前准备状态时，自动控制斗式透平机自动完成作业。在进料煤种一致的情况下，储煤量为每小时1500 t；根据不同的配煤比例，采用带煤方式控制风斗式水轮机煤流，并对其进行直接/间接分流，保证输送带的煤流总量不超过1500 t/h。

（5）在加载期间，在直接/转移加煤后，通过风斗式水轮机全自动控制系统的手动导流调节界面，可以实现导流挡板开度的自动调节，使直接/分装煤量满足配煤要求。

该技术将使火电厂在原有系统中实现完全自动化的同时，实现对煤炭精准分配技术的智能化管理，包括生产和人工操作。通过对斗式采煤机的流量和分选，可以精确地控制上料流率和带煤的配比。其对发电厂的煤炭分配效率、比例准确度、操作准确性有明显提高，同时提高火力发电设备的经济效益和可靠性，拓宽电站生产燃煤产品的范围，对电站的经济效益和行业管理有很大促进作用。

5 结束语

煤粉掺烧是解决火电厂燃煤供应复杂性的关键技术之一。通过对水轮机全自动控制的技术改造，利用煤层实时盘煤技术建立数字化煤场，实现煤层配煤和堆煤作业的智能化管理，使燃料运行的效率和安全性得到显著改善，对于电厂的经济运行、安全运行、经济管理具有重要意义。