智能燃料管理控制系统设计与应用

(中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江 杭州 310012)

1 概述

随着大气污染防治行动不断深化，工业4.0智能生产目标实施，经济转型不确定带来的电力需求下降，对电厂在深度调峰、节能减排、安全可靠、竞价上网等方面深挖潜能提出新的更高要求。

燃煤发电厂的燃料成本占其经营成本约60%～70%，燃煤在接卸、输送、存取、配煤掺烧过程中，由于计量、分析技术、数据共享不足，管理工具受限，燃煤的盘点分析、煤堆的安全监测应用技术手段落后，造成来煤量缺乏及时有效监管，堆煤超时而自燃热值损耗增大，人力成本高等。通过建设智能燃料管理控制系统，可提高电厂的智能化、精细化管理程度。

2 建设构想

围绕燃料高效使用为中心点，建立从燃煤到厂信息采集、煤场管理、煤仓管理、锅炉燃烧整个运行周期的智能化管理；全面采集燃煤及设备运行状态信息，设计建立自动、实时、完整和丰富的数据库，利用自动化和信息化手段，提高设备的自动化和系统功能智能化，实现设备、煤炭、人员和系统间信息相互沟通；研究开发分层次、多模块、交互性、可拓展的应用软件平台，规划建立图形化、数字化、实时性、高可靠、智能型的满足电厂安全、经济、环保运行要求的智能燃料管理控制系统。实际分析电厂全年内运行负荷与燃料供需关系，建立具有反馈功能的分析评估系统，预测电厂燃料需求，使得发电效益、锅炉排放、燃料运行成本之间得以最佳的耦合。

智能燃料管理控制系统包括燃煤采制化智能子系统、煤场智能控制子系统、智能计量及盘煤子系统、智能安全监测子系统、智能配煤掺烧子系统、智能运行维护管理子系统、智能分析评估子系统等。煤场有斗轮机条形煤场、圆形煤场、刮板取料机长形煤场、球型煤场、方形煤场、蜂窝集束型煤场等多种形态，还有露天型与封闭型之区分，其中以斗轮机条形封闭煤场为机械作业状态最复杂，煤场智能控制系统以斗轮机条形封闭煤场为例开展研究。以浙江某电厂为例，智能燃料管理控制系统拓扑构架见图1、智能燃料网络结构见图2。

2.1 智能燃煤采制化子系统

智能燃煤采制化系统利用自动识别技术、信息技术、自动控制技术，实现系统的智能化。

2.1.1 采制样

智能采制样系统实现智能自动采样、自动缩分、制样、集样，保证样本的真实性，采样频度通过自动监测皮带机煤炭流量由计算机控制选择，保证采样的公平性和公正性，采样方法符合《煤炭机械化采样》的要求。

采样机至少实现一级破碎及缩分功能，煤样可自动分装并设置一级喷码或芯片录码，并在系统中自动记录煤种煤质、船运信息、样品来源、采样时间、重量等信息。

自动制样机具有自动除铁、输送、称重、破碎、缩分、干燥等功能，可自动制出6 mm、3 mm和0.2 mm等若干煤样，煤样可自动分装并设置二级喷码或芯片录码，包含制样时间、重量等信息。整个过程全自动、无人值守。

2.1.2 样品输送

采制样机至存查煤样间和化学实验室的样品传输所需的输送系统有人工搬运、机器人搬运、智能传输系统等。

图1 智能燃料管理控制系统拓扑构架

机器人搬运指由机器人按照规定操作程序、规定运行路径，自动接收其他设备发出的操作指令来完成搬运任务，能减轻运行人员的劳动量。机器人搬运具有运距远，灵活、方便、及时等特点。

图2 智能燃料网络结构

智能传输系统包括全自动的存储样品柜和气动输送装置。存储样品柜的智能系统依据样品条码自动安排储存样品位置、记录样品储存时间、提醒样品过期等功能。气动输送装置利用压缩空气和输送管道可实现小瓶样品的快速输送，防止样品输送过程中可能产生的人为问题。

2.1.3 化验分析

化验分析智能化是煤样化验室人工辅助化验分析自动化、在线化验分析自动化两种智能模式。

煤样化验室人工辅助化验分析自动化模式是指化验室所用的仪器设备，如万分之一天平、水分测定仪、工业分析仪、定硫仪、量热仪等，均通过计算机与网络相连，测量数据可自动上传至智能燃料管理控制系统平台，再上传至厂级ERP系统，可设定采用人工校核确定后传送或自动传送，本地保留备份数据。成品煤样条码扫瞄后，通过人工辅助送取，把煤样分配给各个分析仪器进行分析，降低化验室工作人员的劳动强度，提高数据上报的准确性和实时性。

在线化验分析自动化模式是指集采、制、化、弃等操作于一体，布置分析点上部，内部包含13 mm样制粉和XRF分析模块，采用X荧光法，在线测定煤中各元素组成，输出报表测定结果有碳、氧、氮、全硫，灰分，水分，挥发份，热值，Al，Si，Fe，Mg，Ga，Ti，Na，K 等。

2.2 煤场智能控制子系统

综合利用自动化控制技术、三维测控技术、激光实时检测煤流技术、精确定位技术、图像监控系统技术、安全防护系统技术、数字化网络平台技术，创建实时数据库，获取斗轮机运行状态实时监测数据，经过计算机分析计算，实现斗轮机全自动智能控制、远程监控和紧急状态干预，运行人员只要在集控室上位机做简单操作步骤就可以实现对斗轮机智能远程控制，以达到减员增效目的。

系统主要包括：

扫描系统：建立激光扫描系统获取堆场的三维数据库。在斗轮机悬臂左右两侧各装一只激光扫描装置，利用激光扫描装置在斗轮机堆取料作业时同时扫描煤堆的外形图像，并将图像数据和斗轮空间位置信息实时同步传输到计算机平台。通过使用三维建模技术和计算机图形处理技术，对空间位置信息数据在计算机平台进行三维坐标转换，构建出三角网格模型，还原被测煤场的真实形状，科学计算出料场体积，最终通过计算机计算出煤场储煤量。

煤流系统：实现斗轮机皮带煤流量的实时准确监测。在悬臂皮带靠近斗轮侧安装一只激光扫描型煤流量检测装置，激光扫描皮带横切面，获取斗轮悬臂皮带实时流量，作为堆取煤控制调节参数，并与取料设定值的比较，采用闭环PID功能模块，系统自动调整回转速度，保持取料量恒定，提高取煤效率。

定位系统：实现斗轮机大车、斗轮及悬臂位置的精确定位。包含斗轮机大车的轨道位置、悬臂俯仰角度以及悬臂回转角度等位置数据库。其中大车位置精度要求小于50 mm，俯仰角度精度要求小于0.2°，水平回转角度精度要求小于0.3°。定位方式采用冗余方式，左右大车采用增量型编码器、高速计数模块组合形式, 单圈12位以上，编码器安装于大车驱动电机尾部，同时采用多点自动校准装置(基于RFID技术，校准点含地址码)，精确定位大车位置。在轨道上间隔20 m安装一个校准点，斗轮机上安装校准接收器，在斗轮机行走过程中，接近预埋在轨道上的校准点时，自动校准大车的位置。悬臂俯仰、回转角度检测编码器采用增量型编码器, 单圈12位以上, 并设零位校正。

控制系统：实现斗轮机远程全自动无人控制作业。斗轮机按工艺流程自动启动相关设备(主令电源合闸、自动启动液压油站系统、启动运行声光报警、大车行走、悬臂皮带、斗轮……)，自动寻址到指定位置后自动开始作业。

防护系统：指斗轮机内部自身的各部件安全报警保护、斗轮机机械对人体伤害保护及人员资质许可保护等。行人安全防护：在斗轮机大车前后靠近轨道侧各安装行人检测保护装置，当斗轮机作业过程中检测到行人或障碍物时，大车自动停止行走，行人离开或障碍物撤除后恢复行走，有效防止安全事故发生。安全报警界面：斗轮机各运动机构配置过载保护装置、过力矩保护联锁等，实时报警显示在人机界面上。出入防护：在斗轮机主要位置增设出入防护系统，只有授权人员才可以出入。如果有多台斗轮机是共轨运行，则需设置共轨防撞闭锁：实时监测两台斗轮机的三维位置信息，配置光电测距、机械断电，限位检测等多种不同安全防护设施，进行安全警报与远程监控联动、智能调控斗轮机运行状态。在输煤控制室的上位机和操作台上分别设置软紧急与硬紧急停止按钮等功能开关。

监视系统：实现斗轮机全方位监视。在斗轮机的各个关键部位(斗轮、皮带机构、大车、尾车等)安装7～8个网络数字式高清摄像机，图像通过视频网络传送至输煤控制室显示终端，斗轮机在作业过程中，运行人员可以实时监视设备当前运行情况。光缆配置宜采用柔性且至少12芯的单模光缆。

2.3 智能计量及盘煤子系统

在卸煤系统、上煤系统带式输送机上布置双叠加砝码皮带秤在线核查装置，用于来煤、上煤计量。该装置包含在线远程自动校验与诊断系统，采用双砝码叠加“模拟单位长度恒定载荷的效果”的方法，通过比较主秤、副秤计量差异值超过设定值，电脑控制系统发出报警，并指令副秤自动加载砝码进行在线核查，实现电子皮带秤在有效溯源周期内是否保持其计量性能的远程在线校验和核查，及时发现与排除异常情况引起的计量缺陷，提升电子皮带秤计量精度的长期稳定性和设备的运行可靠性。

煤场三维实时盘煤系统利用激光技术，扫描煤场内部的煤堆，建立煤堆三维形状数据库，通过计算机模拟现场煤堆实时三维模型，用于实时监测煤场内煤堆三维形状和实际堆放情况，展示煤场分层分堆综合属性信息，模拟计算煤堆煤量。扫描数据通过光纤实时传输到智能燃料管理控制系统平台。

煤堆激光盘煤检测系统可以安装在斗轮机的头部两侧或封闭煤棚上部的轨道机器人处、或固定安装在煤场上空区域。安装在斗轮机头部的方案，受激光盘煤检测系统扫描死角影响，煤堆外侧是通过计算机模拟实现，因此安装在煤棚轨道机器人或煤场上空区域处的方案的测量精度较高。

2.4 智能安全监测子系统

智能安全监测子系统主要有煤堆温度监测系统、可燃性气体和煤尘浓度监测与控制系统、皮带明火监测与控制系统等三部分内容。根据煤场储存燃煤特性及煤场类型不同，智能安全监测子系统包含的侧重点有所区别，对于斗轮机条形封闭煤场这种大空间型式储煤场，如果内部通风条件较好，其可燃性气体和煤尘浓度监测相比会难度较大。通过对广东神华国华惠州热电厂与大唐太原第二热电厂的斗轮机条形全封闭煤场调研，广东神华国华惠州热电厂的全封闭煤场内没有设计布置智能安全监测子系统，设计采用顶部开天窗通风，据运行人员反馈，煤场内的煤尘浓度较高，场内灰蒙蒙，在夏季温度较高时，煤场内水煤气味会较重，现进行增加顶部开天窗通风改造，以期改善内部环境。大唐太原第二热电厂的全封闭煤场内设计布置了智能安全监测子系统，据运行反馈，煤场内的煤尘浓度监测出现多次触发，但可燃性气体监测没有触发过。

因此，在开展设计时还应就燃用煤种、燃煤挥发份含量以及厂址区域的环境温度、煤场型式与封闭程度等具体情况作详细分析后，确定智能安全监测子系统包含某几种类型或全套方案。

2.4.1 温度监测系统

通过红外测温仪对整个条形煤场煤堆外表面进行全方位无缝扫描,实时监控煤堆区域相对温度变化，对温度高于其他区域的局部区段采取智能测温棒进行实测重点监控,信息数据纳入智能燃料管理控制系统，在场煤堆实时三维模型中展示煤堆温度分布，支持分区高温报警和报表生成等功能，并把该区域列为智能上煤模型中优先取煤选项。红外测温仪加装旋转云台，可以360度全方位扫描煤场内煤堆外表面温度变化。

2.4.2 可燃性气体、煤尘浓度监测与控制系统

在全封闭煤场内部布置可燃性气体监测装置和煤尘浓度监控装置，信息数据纳入智能燃料管理控制系统，并实现智能调控煤场喷雾抑尘系统和通风系统，避免抑尘、通风系统长时间运行，节约能耗。监测装置可采用固定测点或机器人移动监测。

2.4.3 皮带明火监测与控制系统

在煤场出入口皮带，采用在线式红外激光测温仪，实时监测皮带煤流温度，实现温度曲线保存及回放，高温报警，实现明火喷淋系统自动控制联动等功能。

2.5 智能配煤掺烧子系统

根据煤场燃煤存储数据(包括煤种煤质、煤量、煤温等)，结合锅炉配煤燃烧特性、锅炉效率、锅炉排放等指标要求，形成配煤策略。选择最优上煤方案，指令运煤系统设备自动取煤上煤。

根据配煤地点、方式及配煤精确程度要求情况，配煤掺烧可有煤场配煤掺烧或分仓配煤掺烧等方式。分仓配煤掺烧的配煤精确程度高于煤场配煤掺烧。

2.5.1 配煤策略模型

根据煤场储煤数据库信息(煤质、煤量、煤温、存放时间长短等)，结合锅炉配煤掺烧试验及历史的配煤方式与配煤特性构建配煤模型，分析预测各煤种配煤组合的运行特性，包括配煤煤质、燃烧特性、锅炉效率、锅炉排放等指标，对比设定目标值，依据安全、经济、环保不同优选策略，从配煤组合中自动选择最佳方案。

通过大量锅炉燃烧试验，获取基础配煤数据，采用回归分析和仿真方法，建立智能配煤掺烧基层模型，如煤质元素分析预测模型、配煤煤质预测模型、配煤灰熔点预测模型、煤燃烧动力学预测模型、燃烧特性分析模型、配煤燃烧特性预测模型、飞灰含碳量预测模型、排烟温度预测模型、锅炉效率计算模块、燃烧NOx预测模型、燃烧SO2预测模型、结渣倾向性预测模型、入炉煤优化调配模型等。

燃烧经济分析：采集燃烧煤质、锅炉飞灰含碳量、氧量、排烟温度、环境温度测量数据，对锅炉燃烧的实际运行效率计算，分析评估配煤燃烧经济性。其中飞灰含碳量按实测数据，否则由预测模型提供预测数据。

燃烧安全分析：建立在线实时的锅炉热力计算模型，实时计算锅炉各换热面的热力学参数，通过锅炉换热面热力学参数的长时间变迁分析，预测水冷壁或高温受热面结渣的可能性。

燃烧环保指标分析：采集燃烧NOx、SO2、烟尘排放浓度实测数据，对配煤掺烧排放进行分析评估，提高环保指标预测准确率。

智能配煤掺烧系统自主学习功能：因锅炉负荷处于多变状态，绝大部分数据不能用于系统自主建模，通过建立稳定工况在线评判模型，后台进行稳定工况智能化选取，获取并存储稳定工况下的锅炉运行参数(包括燃烧控制参数)和入炉煤及其掺烧模式、锅炉效率、NOx浓度等相关参数，作为优化和完善智能模型的自主学习数据源，提高智能掺烧模型的预测结果和实际运行结果的吻合程度。

2.5.2 智能上煤模型

依据配煤策略模型，结合煤场煤质分布情况、输煤系统设备工作状态、煤堆温度及存放时间情况等，智能制定取煤方案，指令斗轮机取煤作业，提高上煤效率，降低运行成本。

2.5.3 煤仓动态显示模型

根据精确配煤掺烧方案，实时比较分析煤仓进煤量和磨煤机的流量，得出煤仓内各煤种的煤量，为制定煤场取煤方案提供煤量数据。

2.5.4 煤种自燃氧化损耗分析模型

通过煤堆智能测温棒实时将检测到的温度数据传送到系统，结合煤场管理子系统，实时获得煤堆的温度分布和变化趋势，对不同煤种存放时间、煤质数据(热值)进行统计、分析、仿真，建立不同煤种温度变化、煤质数据变化和时间轴的智能分析堆煤自燃氧化损耗模型，预测无煤堆智能测温棒煤堆区域自燃氧化损耗程度，提高煤炭储存的安全性，为智能制定配煤掺烧策略及上煤方案提供基础数据。

2.6 堆场管理子系统

利用斗轮机精确定位、煤堆区域温度建立的数据库，结合系统产生的时间维度，通过三维图形方式全面直观的展示煤场多维度数据，动态显示各个煤场中燃煤信息，包括燃煤储存指标、煤质构成、燃煤堆放ID地址、煤堆温度、煤堆体积及煤量、时间等情况。通过信息可随时了解燃煤使用情况，为燃煤采购提供依据。

系统智能生成入厂煤堆放方案，在煤堆图形上预示堆放后效果(煤堆处于高亮状态)，用户确认后系统发出堆放入库指令，系统支持对多批来煤进行批量入库操作。

接受取煤指令，系统智能优选预示取用堆煤图形效果并高亮显示，用户确认后系统发出取煤启动指令，取煤完成后，煤堆图形处于固化状态。操作执行时间可预设也可手动调整。

当煤场存煤量低于正常发电库存、温度超过系统设置值、存煤时间超过系统设置值、斗轮机未按指令堆取煤时，系统向对应人员发送预警信息，实现煤场预警。

2.7 智能运行维护管理子系统

建立先进的设备管理方法和设备状态监测为基础的设备维修技术，以设备状态监测及故障诊断技术为前提的设备预防性维修管理模式，有利于提高设备的工作连续性及安全可靠性,是实现电厂设备管理智能化的必要条件。

电厂设备智能运行维护管理系统主要有设备的寿命管理、质量管理、危机管理等。

2.7.1 寿命管理

转动部件需要监控主要指碎煤机、筛煤机、滚筒、减速器、电动机轴承部位的温度、振动，在需要检测的轴承部位安装振动监测仪和温度监测装置，监测数据实时传输至智能燃料管理控制系统数据库开展分析，异常情况发出报警，由运行人员现场确认轴承温度、振动、转动声音情况，根据轴承生命周期由系统确定启动相应处理程序。包括托辊轴承等数据库将记录轴承安装位置、进库时间、轴承型号、品牌、托辊制造商、每次运行时间、累计运行时间、润滑油脂加注时间、损坏原因等信息，系统进行数据分析，在寿命后期发出相应预警加强测量周期监控，对设备刚刚大修后或接近大修时或监测数据曲线变化明显的转动部件，可加强测量间隔密度，以防突发事故而造成故障停机；系统根据数据库记录，参照轴承生命周期，自动提醒需要跟换或加注润滑油脂等周期性维护操作。

2.7.2 质量管理

系统根据数据库记录，统计部件的使用寿命及损坏原因，分析得出各个维修部件在不同制造商品牌、制造质量、使用寿命的质量等级，为备品备件采购提供理论依据和指导意见。

2.7.3 危机管理

落煤管、胶带积煤自燃监测：在正对容易积煤区域且不受煤炭冲击的落煤管部位开设监测窗口，窗口外侧固定带红外窗口的密封锥形凸台罩，将配保护装置的红外测温仪安装在红外窗口处，红外探头对着积煤区域，也可在容易积煤的落煤管部位外表面粘贴热电偶获取温度数据，测得温度数据传输至智能燃料管理控制系统数据库开展分析,异常情况发出报警并启动相应处理程序。

在皮带机尾部滚筒、拉紧装置间等区域安装带红外测温的红外热成像摄像机监测这些区域的积煤情况或断带后胶带坠落堆积情况，监测积煤自燃情况，图像及测温数据传输至智能燃料管理控制系统数据库开展分析，异常情况发出报警并启动相应处理程序，如受智能燃料管理控制系统指令控制的带电磁阀冲洗装置清除积煤。

对于运煤系统的其他设备及其零部件可参照相应模式开展智能化管理。

2.8 智能分析评估子系统

利用已有的数据库信息，根据电厂的实际需要，可建立的如煤质分析评价系统、煤量分析评估系统、设备状态分析系统等多个智能分析评估系统。

煤质分析评价系统：根据智能燃煤采制化子系统获得即时煤质数据，利用数据库内积累的对应煤种的大量分析数据及预设的偏差值，分析其煤质数据是否存在异常偏差，如发现异常，可及时把该信息反馈到化验分析终端，提醒在分析对象弃样前检查分析仪器准确性和再次对煤样进行重复性化验分析，确定异常数据的准确性；对照数据库内供煤方提供的煤质数据，如煤质偏差超预设的偏差值，系统发出警告并启动请求第三方检验确认程序；系统接收第三方检验结果数据，启动供需双方对检验结果确认流程，经确认后，系统将自动修正堆放在煤场内该煤种的数据库煤质数据。

煤量分析评估系统:在车辆卸车装置前或卸船机上安装激光三维盘煤装置，扫描车或船上煤堆三维形状，根据数据库内的车辆或船型数据，计算出煤堆体积及煤量值，与汽车衡、轨道衡或水尺测得计量数据及预设的偏差值对比，分析其数据是否存在异常偏差，如发现异常，可及时把该信息反馈到计量装置终端，提醒进行计量装置准确性标定，并利用煤质分析数据异常情况，开展异常原因分析与处理；通过大量的数据及计量装置准确性标定，可完善和修正数据库内不同煤种在车辆、船舱、煤场堆放的比重，使计算比重值越来越接近实际比重值，提高了发现计量装置异常及时性；对于异常计量数据，系统发出警告并启动请求第三方确认程序；系统接收第三方核算结果数据，启动供需双方对核算结果确认流程，经确认后，系统将自动修正数据库内计量数据，含堆放在煤场内该煤种的煤量数据。

设备状态分析系统：根据设备及部件的振动、温度、电流值、寿命值、加注润滑油脂及维护情况、启动使用频率等数据，综合判定设备及部件所处的运行状态为优异、良好、注意、不能使用四种状态，设备在检修或解除联锁期判定为不能使用状态，设备状态为注意、不能使用时，系统将发出警告；依据设备运行状态，遵照规定时间内检验设备可投入率原则，智能选择运煤系统的运行控制方案。

3 结语

通过建立智能燃料管理控制系统，不仅有助于电厂减少煤炭的无功耗损，降低运行成本增强经济效益，还能助力电厂实现精细化管理，减少或避免安全事故，提高电厂的安全运行。利用积累的大量数据，不断完善和丰富智能管理控制系统，建立专家系统，进一步推动电厂由智能化向更高层的智慧进行转变，满足经济不断发展和科学管理水平提高的需求。