王博強(qiáng)

（國(guó)能常州發(fā)電有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

燃煤成本在火電廠的運(yùn)營(yíng)成本中占60%～70%，煤炭直接關(guān)系到火力發(fā)電廠的安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)。近年來(lái)，由于煤炭市場(chǎng)價(jià)格持續(xù)下跌，買方主導(dǎo)的市場(chǎng)供需關(guān)系逐漸建立。購(gòu)買者對(duì)煤熱能的利用率有較高的需求，并期望以較低的價(jià)格購(gòu)買滿足其需求的高熱值煤。煤礦生產(chǎn)的煤類型相對(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中，配煤過(guò)程越來(lái)越細(xì)化。

本文提出的系統(tǒng)主要由斗輪自動(dòng)控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)給煤控制系統(tǒng)和智能操作系統(tǒng)3 個(gè)部分組成（表1、圖1）。通過(guò)斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)和電廠實(shí)時(shí)給煤控制系統(tǒng)的技術(shù)改造，形成數(shù)字化煤場(chǎng)，可以智能管理輸煤和配煤，并完成由爐內(nèi)混合和帶式輸送機(jī)組成的精確配煤系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)框架

表1 系統(tǒng)組成

1 斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)

在相應(yīng)的斗輪機(jī)安裝有測(cè)量、數(shù)字掃描、校準(zhǔn)、校正、安全保護(hù)、高清圖像監(jiān)控等，并將其連接到完全自主管理的PLC，并從PLC 的計(jì)算結(jié)果中得到定位、堆垛、取料、調(diào)車等操作命令。PLC 接收到操作命令后，進(jìn)行相應(yīng)的控制命令操作，完成斗輪機(jī)的全面自主管理（圖2）。

圖2 斗輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)具有以下5 個(gè)特點(diǎn)。

（1）全自動(dòng)定位。自動(dòng)確定操作中心的位置，并通過(guò)測(cè)量和分析小車的當(dāng)前位置和動(dòng)臂的位置角來(lái)自動(dòng)控制斗輪機(jī)的移動(dòng)，定位完成后控制系統(tǒng)可以在每個(gè)輔助機(jī)構(gòu)中自動(dòng)運(yùn)行。

（2）完全手動(dòng)回收。實(shí)現(xiàn)全手工采煤作業(yè)：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(jìn)行填筑地基，各種復(fù)墾方法適合各類煤場(chǎng)的要求[3]。

（3）恒定電流回收的調(diào)整。實(shí)現(xiàn)回收全過(guò)程的恒流管理。根據(jù)電流設(shè)定值，手動(dòng)調(diào)整回收轉(zhuǎn)速，并使用PLC 內(nèi)置的PID 閉環(huán)控制進(jìn)行恒流管理，電流變化較小（±10%以內(nèi)）。

（4）自動(dòng)堆疊。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)智能堆垛，堆垛內(nèi)外傾角、堆垛高度等技術(shù)參數(shù)可由上位機(jī)設(shè)定。在初期堆料時(shí)，懸臂結(jié)構(gòu)可以保持在較低的高度，以降低粉塵。

（5）自動(dòng)調(diào)整。能準(zhǔn)確地進(jìn)行分流，通過(guò)對(duì)流速的監(jiān)控和無(wú)級(jí)變速調(diào)整，使煤倉(cāng)內(nèi)的流速達(dá)到合理的配煤要求和最佳的控制效果，減少煤炭消耗。

2 實(shí)時(shí)盤煤系統(tǒng)

通過(guò)斗輪機(jī)全自動(dòng)控制的煤堆測(cè)量設(shè)備，在斗輪機(jī)堆取料操作過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)掃描煤堆的輪廓，并使用煤盤服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)、計(jì)算和仿真，從而完成煤堆的三維仿真和在線顯示。

（1）現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量和校準(zhǔn)：使用便攜式自動(dòng)定位器在控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量，包括確定下煤場(chǎng)的基點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)尺寸，通過(guò)計(jì)算風(fēng)斗輪機(jī)的外部尺寸、上下煤堆以及裝置的布局、激光數(shù)字化的方位確定，同時(shí)給出三維仿真的初步設(shè)計(jì)資料。

（2）數(shù)據(jù)分析與建模：利用實(shí)時(shí)煤卷管理系統(tǒng)對(duì)煤層監(jiān)控裝置進(jìn)行掃描，自動(dòng)清理垃圾，并依據(jù)現(xiàn)有的PLC 監(jiān)控斗輪機(jī)運(yùn)行狀況。起重機(jī)高度和懸臂俯仰/旋轉(zhuǎn)方向給出三維建模，根據(jù)懸臂結(jié)構(gòu)確定工作模式和操作方向。實(shí)時(shí)數(shù)字化掃描方法將與自動(dòng)信號(hào)相結(jié)合的大數(shù)據(jù)分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并及時(shí)更新煤場(chǎng)數(shù)據(jù)，由此建立全新的實(shí)時(shí)煤場(chǎng)三維模式。

（3）三維煤場(chǎng)模擬：采用實(shí)時(shí)煤盤系統(tǒng)，根據(jù)每一層的進(jìn)料高度，并聯(lián)系煤堆中煤種的堆積密度來(lái)估計(jì)煤堆體積。斗輪堆取料機(jī)運(yùn)行后，動(dòng)態(tài)自動(dòng)生成三維煤場(chǎng)的模擬數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)立即傳輸至智能計(jì)算系統(tǒng)。

3 智能化操作控制體系

基于煤場(chǎng)及上煤倉(cāng)煤質(zhì)狀況的智能控制軟件，通過(guò)獨(dú)立分析和設(shè)計(jì)，制定了一套完整的堆煤、上煤倉(cāng)及分配方案，以保證作業(yè)人員的安全、高效。在工廠一號(hào)區(qū)域內(nèi)設(shè)置的控制性安全區(qū)域，該系統(tǒng)與輸煤機(jī)自動(dòng)控制、輸煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)同屬一個(gè)監(jiān)測(cè)信息領(lǐng)域，并與全自動(dòng)控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)煤盤控制系統(tǒng)連接以獲取實(shí)時(shí)信息。通過(guò)輸入運(yùn)行控制規(guī)則、上層倉(cāng)庫(kù)煤質(zhì)信息、運(yùn)煤的煤種、煤質(zhì)和煤量等（包括實(shí)時(shí)煤炭庫(kù)存信息），實(shí)現(xiàn)智能分析和一鍵操作，給出完善的堆煤作業(yè)指導(dǎo)方案，獨(dú)立生成斗輪機(jī)的全自主操作控制信息[2]。

（1）建設(shè)電子煤場(chǎng)。建立電子煤場(chǎng)，按照采煤批次自動(dòng)產(chǎn)生煤ID（Identity Document，身份標(biāo)識(shí)號(hào)）。煤種、煤質(zhì)、堆積壓力等參數(shù)采用人工輸入和存儲(chǔ)。在一個(gè)自動(dòng)的堆煤流程中，煤ID將通過(guò)數(shù)字煤盤計(jì)算機(jī)與煤堆相關(guān)聯(lián)。并通過(guò)數(shù)字煤盤的計(jì)算，建立起一個(gè)含有煤種、煤質(zhì)、煤炭量、煤堆位置等信息的可視化圖像電子煤場(chǎng)。而煤場(chǎng)中所有煤堆的煤種、煤質(zhì)、運(yùn)輸、企業(yè)名稱等信息，均由運(yùn)輸與能源管理部門統(tǒng)一存儲(chǔ)。同時(shí)，通過(guò)利用與輸煤程序所控制的設(shè)備連接，掌握輸煤裝置所有設(shè)備的運(yùn)行情況，并使用可視化煤場(chǎng)圖進(jìn)行顯示。

（2）智能堆煤。對(duì)于來(lái)自航運(yùn)企業(yè)的煤炭，控制系統(tǒng)使用內(nèi)部方法來(lái)估計(jì)適當(dāng)?shù)拿禾慷逊盼恢?，并根?jù)運(yùn)營(yíng)商輸入的航運(yùn)企業(yè)煤炭航運(yùn)公司編號(hào)、煤炭類型、煤炭質(zhì)量和煤炭量，或系統(tǒng)設(shè)置的煤炭堆放方法，引導(dǎo)運(yùn)營(yíng)商堆放煤炭：①控制系統(tǒng)根據(jù)來(lái)煤的性質(zhì)調(diào)節(jié)來(lái)煤，并確定來(lái)煤的運(yùn)輸方向，即進(jìn)出和進(jìn)入爐膛。經(jīng)濟(jì)煤、主煤、合適煤和易燃煤的優(yōu)先進(jìn)料可以有效縮短儲(chǔ)存和回收過(guò)程，降低煤和易燃煤的能耗；②在堆煤工藝設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)將尋找理想的、經(jīng)濟(jì)的空煤場(chǎng)，以存放成型時(shí)的異質(zhì)煤。需要考慮的因素有：空煤場(chǎng)的煤堆數(shù)量和煤源數(shù)量，并判斷是否堆疊；盡可能將主要、經(jīng)濟(jì)、可燃煤儲(chǔ)存在靠近運(yùn)輸帶路徑的區(qū)域；發(fā)電效率最高、發(fā)熱量低的煤盡量分配到同一斗輪機(jī)所在的煤場(chǎng)；各煤場(chǎng)儲(chǔ)煤能力保持穩(wěn)定，確保事故發(fā)生后斗輪機(jī)順利退出；各煤場(chǎng)煤質(zhì)穩(wěn)定，保證配煤需求平穩(wěn)；按相同煤質(zhì)比例儲(chǔ)存；應(yīng)盡可能儲(chǔ)存或不加區(qū)分地儲(chǔ)存同一種煤炭；③在今后的直接進(jìn)煤過(guò)程中，根據(jù)配煤的需要，可以使出煤的流量大于進(jìn)廠的流量。在本例中，汽輪機(jī)采用了自動(dòng)分流優(yōu)化的功能，當(dāng)確保上部料倉(cāng)的流速時(shí)，其余的流量將完全堆積。

（3）智能配煤。由運(yùn)行技術(shù)人員提出混合配煤上部煤倉(cāng)煤質(zhì)及主要技術(shù)參數(shù)的具體方案和目標(biāo)，該系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)、AR、Vdaf、ad、MT、SD 等，通過(guò)設(shè)定各煤種的類型，選擇主煤種，并在其內(nèi)部進(jìn)行智能計(jì)算，對(duì)煤場(chǎng)有煤堆和船上運(yùn)煤的煤質(zhì)技術(shù)參數(shù)及數(shù)量進(jìn)行分析，并選定合適的配煤方法研究，以達(dá)到煤質(zhì)總體目的值和混煤配煤的技術(shù)邊界要求。配煤方案設(shè)計(jì)的煤種、煤堆代號(hào)及它們間的煤氣流量比。根據(jù)煤質(zhì)技術(shù)參數(shù)分析，操作人員也能進(jìn)行選煤方案的設(shè)計(jì)。智能配煤影響的主要因素有現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)煤設(shè)備條件、首選煤種/煤堆、低壓力運(yùn)行和混合配煤系統(tǒng)的發(fā)電效率下限、較經(jīng)濟(jì)和易壓煤種的優(yōu)選儲(chǔ)煤系統(tǒng)、小儲(chǔ)備煤堆的優(yōu)選儲(chǔ)煤系統(tǒng)等。控制系統(tǒng)提供了多個(gè)有用的配煤方案，操作者和技術(shù)人員可根據(jù)結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行選擇。

（4）開(kāi)啟智能倉(cāng)庫(kù)。在確定配煤計(jì)劃之后，繼續(xù)計(jì)算斗式采煤的采出量和直接進(jìn)煤倉(cāng)的采煤流量。通過(guò)對(duì)采煤時(shí)間起點(diǎn)、皮帶與輸送塔的間距和輸送皮帶的運(yùn)動(dòng)速率的分析，得出不同類型的斗輪機(jī)在配煤過(guò)程中的起始時(shí)間，使參與配煤的不同煤種能夠準(zhǔn)確、同步地到達(dá)配煤中轉(zhuǎn)樓。然后建立一個(gè)工作指令，指示斗輪機(jī)的操作時(shí)間，包括工作模式、倉(cāng)庫(kù)中的流速、開(kāi)始操作時(shí)間和相應(yīng)的日期等。斗輪機(jī)采用恒流狀態(tài)和取煤控制系統(tǒng)，可以根據(jù)不同煤種的精確流量，最終按精確的皮帶配煤進(jìn)行混合，并將其送入煤倉(cāng)。

4 應(yīng)用分析

2×1050 MW 超超臨界機(jī)組大型水運(yùn)燃料電站擴(kuò)建工程采用大同煤礦集團(tuán)公司方案進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，北京神華燃料集團(tuán)有限責(zé)任公司進(jìn)行施工檢查，主要參數(shù)有：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高壓供氣完全采用鐵水聯(lián)動(dòng)配送方式，在輸煤港建造一艘3.5 萬(wàn)噸級(jí)散貨船；船舶裝卸機(jī)采用兩臺(tái)橋式重型抓斗船舶裝卸機(jī)，最大輸送能力為1500 t/h；修建一座長(zhǎng)368 m、寬197 m 的四列煤倉(cāng)；煤層上下段長(zhǎng)43.25 m，深度12 m，最大堆肥系數(shù)0.85，煤堆容重0.9 t/m3，預(yù)計(jì)總儲(chǔ)煤量為33 萬(wàn)噸，可滿足2×1050 MW 發(fā)電機(jī)組發(fā)電后20 d 用煤量。

發(fā)電廠的配煤和裝煤方式主要有兩種：一是在單獨(dú)的煤倉(cāng)中裝煤，并在高爐中連續(xù)混合；二是皮帶配煤。配煤和裝煤的方法有：①空氣斗式發(fā)動(dòng)機(jī)分別取優(yōu)、劣質(zhì)煤進(jìn)行料倉(cāng)分離后添加；②斗輪機(jī)配套端口的直接連接（導(dǎo)流）采用料倉(cāng)混合優(yōu)劣質(zhì)煤；③港口與（或）直接相連，煤炭在當(dāng)?shù)乇惶崛?、混合和混合；④兩臺(tái)斗輪機(jī)就地雙抽，使煤粉均勻混合。

火力發(fā)電效率、含硫量、灰分是火力發(fā)電煤質(zhì)的主要技術(shù)指標(biāo)，確定發(fā)三者的分級(jí)后煤質(zhì)控制指標(biāo)[2]。該廠煤種較多，采取先分倉(cāng)煤再加皮帶的方式運(yùn)行。皮帶配煤的兩股氣流分別經(jīng)過(guò)T306 皮帶和T307 皮帶，在轉(zhuǎn)運(yùn)站攪拌后，由T308 皮帶、碎煤機(jī)室和T310 皮帶翻轉(zhuǎn)攪拌多次，配煤質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定。

精煤配煤工藝的總體運(yùn)行流程如下（圖3）：

圖3 精確配煤控制過(guò)程

（1）運(yùn)行人員按鍋爐機(jī)組的負(fù)荷，向鍋爐機(jī)組配煤提供煤質(zhì)技術(shù)指標(biāo)，包括熱值、硫含量、灰分等。

（2）基于煤炭分配要求和煤場(chǎng)的數(shù)字化數(shù)據(jù)（煤層數(shù)據(jù)、機(jī)器狀態(tài)等），對(duì)進(jìn)料（卸料）和從煤堆中取出煤的配煤方式進(jìn)行智能分析。在滿足煤炭質(zhì)量的前提下，配煤系統(tǒng)也要考慮到實(shí)施限制，如執(zhí)行狀態(tài)的要求、皮帶配煤需要通過(guò)的各種煤倉(cāng)路線，以及根據(jù)A、B、C、D、E、F 煤倉(cāng)（D、E、F 煤倉(cāng)增加煤的揮發(fā)性部分）降低煤倉(cāng)煤的效率等（通常會(huì)形成許多不同的配煤方案）。

（3）由操作技術(shù)人員按照系統(tǒng)產(chǎn)生的煤炭分配計(jì)劃。該系統(tǒng)將自動(dòng)轉(zhuǎn)化為自動(dòng)控制系統(tǒng)的命令和信息，并進(jìn)行傳送。技術(shù)參數(shù)包括煤堆的名稱、采煤開(kāi)始時(shí)的位置（包括起重機(jī)的方向、懸臂的回轉(zhuǎn)和俯仰角度）以及采煤電流等。

（4）當(dāng)斗輪機(jī)全自動(dòng)控制器收到操作命令時(shí)，根據(jù)操作員的判斷，在輸送上料倉(cāng)線系統(tǒng)處于運(yùn)行前準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)控制斗式透平機(jī)自動(dòng)完成作業(yè)。在進(jìn)料煤種一致的情況下，儲(chǔ)煤量為每小時(shí)1500 t；根據(jù)不同的配煤比例，采用帶煤方式控制風(fēng)斗式水輪機(jī)煤流，并對(duì)其進(jìn)行直接/間接分流，保證輸送帶的煤流總量不超過(guò)1500 t/h。

（5）在加載期間，在直接/轉(zhuǎn)移加煤后，通過(guò)風(fēng)斗式水輪機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)的手動(dòng)導(dǎo)流調(diào)節(jié)界面，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流擋板開(kāi)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使直接/分裝煤量滿足配煤要求。

該技術(shù)將使火電廠在原有系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭精準(zhǔn)分配技術(shù)的智能化管理，包括生產(chǎn)和人工操作。通過(guò)對(duì)斗式采煤機(jī)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(duì)發(fā)電廠的煤炭分配效率、比例準(zhǔn)確度、操作準(zhǔn)確性有明顯提高，同時(shí)提高火力發(fā)電設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益和可靠性，拓寬電站生產(chǎn)燃煤產(chǎn)品的范圍，對(duì)電站的經(jīng)濟(jì)效益和行業(yè)管理有很大促進(jìn)作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

煤粉摻燒是解決火電廠燃煤供應(yīng)復(fù)雜性的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)對(duì)水輪機(jī)全自動(dòng)控制的技術(shù)改造，利用煤層實(shí)時(shí)盤煤技術(shù)建立數(shù)字化煤場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)煤層配煤和堆煤作業(yè)的智能化管理，使燃料運(yùn)行的效率和安全性得到顯著改善，對(duì)于電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)管理具有重要意義。