1 000 MW燃煤机组燃料智能管控系统整体解决方案及应用

冯佐江，李红建，杨勇，任率，张明庆

(1.陕西榆林能源集团横山煤电有限公司，陕西 榆林 719199；2.湖南三德科技股份有限公司，长沙 410205)

0 引言

目前我国发电装机总量的65% 以上是火力发电，燃煤成本占火电厂总成本的60%～70%。燃料管理涉及煤矿协调、全厂生产调度、入厂接卸、计量管理、采制样及化验、煤场烧旧存新、合理掺烧、合同计划与结算等相关工作，其管理水平直接影响到电厂盈利能力和发展。

目前电厂的燃料管理普遍存在以下难题[1]：设备自动化程度低，多采用人工采制样设备、半自动机械采制设备，或部分环节采用自动化设备，未能实现燃料采制输存全环节自动化；管理方式落后，采用人工作业和人工管理的方式导致人为干预因素较多、管理不可控；信息整合困难，燃煤采、制、输、存、化等基础数据和合同管理及燃料结算信息未能自动上传至服务器，不能形成统一管控。

燃料落后的管理水平可能对企业造成多方面的不利影响：供应方面，化验结果不准确会导致价格纠纷，燃料的供应计划、验收流程不规范还可能导致腐败现象，这些都会直接影响到企业的经济效益；使用方面，科学的上煤、掺烧计划和正确的煤质数据统计分析均需要有一套完善的智能化管控系统作为支持；燃料质量方面，如果煤质过低则机组的运行安全难以保障，煤质过高则成本过高。

相对于国内而言，发达国家较少使用火力发电，对采制智能化、燃料管控系统方面的研究文献较少，对燃料的计量、结算相对简单，其燃料管控系统主要集中在计量环节。为解决燃料管控存在的难题，国内专家、学者对燃料的智能化管控进行了不断深入的研究，形成了一系列管理和技术方面的措施。在管理上，一方面要加强燃料采购、计划调运、煤质检验、存储环节的信息管理[2]；另一方面要加强人员素质、建设规章制度、强化过程监督[3]。在技术上，要广泛地应用入厂煤智能化采制设备替代人工作业[4]，采用斗轮机盘煤或无人机盘煤替代人工盘煤[5-6]，减少了人为干预；应用信息技术，实现煤质和煤量的自动采集、汇总、匹配、分析和编码[7]，通过信息化手段实现对燃料的“三线一流”管理(运输线、样品线、燃煤线、信息流管理)[8]。燃料智能化管控系统的出现，实现了管理业务和数据的互通，在电力行业具备良好的应用前景[9]。

随着入厂煤采样系统、制样系统、汽车计量系统、煤样输送系统、样品编码系统等分子系统逐步实现机械化、智能化，燃料管理系统的硬件设备已能完全实现自动化运行。目前燃料智能管控系统推进中的重点、难点在于智能化系统的整体规划、硬件设备的整体配套、各系统之间的数据交互等方面。本文以横山煤电燃料智能管控系统项目为例，提出一种基于已有硬件设备，结合物联网技术、工业信息化技术平台而形成的燃料管控系统整体解决方案，促使电厂向数字化、智能化电厂发展[10]。该项目可为其他燃料智能管控系统项目的实施提供建设经验。

1 横山煤电燃料智能管控系统建设目的及概况

横山煤电燃料智能管控系统旨在消除燃料入厂、称重、采样、制样、化验等环节中可能存在的人为影响因素，准确掌握燃料进、耗、存与量、质、价信息，为科学掺烧和经济化运行提供依据，降低了人员的工作强度，改善了人员工作环境，提高了工作效率、燃料管理信息透明度，加强了防腐倡廉和燃料成本管控，提高了企业盈利。

陕西榆能横山煤电一体化项目2×1 000 MW机组年设计耗煤量390.6 万t。#2机组于2018 年11月投产。为了提高燃料管理水平，项目规划了燃料智能管控系统整体解决方案，实现了燃料计量、采样、制样、输送、存储等工作无人干预；燃料业务流程集中管控，关键环节无人值守、无缝对接、实时监控。燃料进煤主要靠汽车运输，该燃料智能化管控系统是在汽车衡、入厂煤采样装置、化学试验仪器已招标的情况下，后期增加的项目。

2 横山煤电燃料智能管控系统整体解决方案

本项目的燃料智能管控系统整体解决方案应用了物联网、自动控制等关键技术，将现场的各环节集成为一个可靠、高效、自动的智能系统，对各环节所涉及的设备、人员、燃煤进行有效管理，实现无人值守。燃料智能管控系统主要实现的功能为自动计量、自动采样、原煤样自动传输、汽车卸煤及出厂自动管控、全自动制样、煤样瓶气动传输、自动存查样、信息集中管控。

为保证煤样流的全自动化流转(如图1所示)，本方案配置了汽车采样机、采制对接系统、自动制样系统、气动传输系统、智能存查柜系统等硬件设备，实现了样品采、制、输、存各环节的自动运行[11]，采制化管理是燃料智能化管控中一项非常复杂、重要的工作[12]。然后，通过燃料管控系统对各硬件设备进行集成和监控，实现了各环节之间的数据对接与流转，保证煤样和煤样编码的流转做到无缝对接。该方案预留了对接接口，以便在特殊情况下使用人工采样和人工制样，确保人工采制后的样品与整套系统也能集成。

为确保有序的进/出场煤车管理，本方案配置了燃料验收现场监管系统(如图2所示)，包括视频监控系统、门禁系统、集控中心及相关的土建配套设施等。车辆进厂、过磅、采样、制样、化验等数据自动上传进入燃料智能管理系统中，在现场关键工序或关键设备处设置高清摄像头，并将视频信号引至控制室，管理人员在集控中心进行集中监控。

2.1 汽车车号智能识别系统管控

管控中心与汽车车号智能识别系统通过数据与接口集成，实现以下功能：(1)车号、车辆信息的红外扫描自动识别；(2)自动判断过衡数据的完整性，对缺失车号信息进行预警；(3)实现数据与图像的一一对应和实时显示；(4)采集汽车衡的工作运行状态及参数，并实时显示；(5)自动进行故障报警。

图1 燃料管控系统流程图

图2 煤车进出厂自动管理

2.2 入厂皮带采样系统管控

管控中心与各采样机通过接口集成，实现采样机状态监视及远程控制：(1)根据来煤信息自动分配采样机；(2)实时监测采样机的运行状态，实时报警提示；(3)具备控制权限后，可远程启动、停止采样设备；(4)可远程设置采样机运行参数；(5)系统通过与主皮带输煤系统相关联，实现自动分批次采样及留样功能；(6)可实时查看运行日志。

2.3 汽车智能称重系统管控

集控中心与汽车衡集成，管理人员可远程操作并实现以下功能：(1)远程实时视频监控；(2)显示实时和历史过衡数据；(3)实时显示系统设备工作运行状态及工作参数；(4)显示故障报警及提示。

2.4 在线煤样输送系统及管控

管控中心与在线煤样输送系统通过与接口集成，实现在线煤样输送系统状态监视及远程控制：(1)实时显示系统设备工作运行状态及工作参数；(2)显示故障报警及提示；(3)采集汽车采样机入厂煤采制留样重量数据，实现与自动制样机入料称重数据的对比分析。

在本项目中，制样室和采样间紧挨布置,从采样机采制的原煤样经分选之后通过在线皮带给料机直接传输至全自动制样系统，全过程无人干预,具有安全、可靠、高效、实时、成本低的优点。

2.5 全自动制样系统及管控

不同厂家的自动制样系统存在各自的特点[13]，本项目制样系统在制样环节可自动制备出1份6.0 mm全水分煤样(以下简称全水)、1份3.0 mm存查煤样、2份0.2 mm分析煤样并自动封装、标志，系统具有自动称重、自动除铁、平行样缓存、煤样输送、破碎、缩分、自动清洗、干燥、制粉、清扫、弃料输送、弃料收集功能，并可根据来料重量自动调整缩分比，实现定质量及定比例缩分。样品自动封装系统采用与全自动制样系统集成设计，具备有效校正、自动上盖、自动称重等功能。

全自动制样系统是该燃料智能化管理整体解决方案当中的关键设备，其主要需解决以下难题。

(1)确保样品的代表性。在破碎、缩分、干燥等关键环节，严格按照GB 474—2008《煤样的制备方法》的要求，对破碎的方式、缩分的次数、干燥的温度和时间进行严格控制，确保系统制出的样品无实质性偏倚。同时配备了平行样缓存单元，在样品取全水之前缩分出1份和制备样代表性一致的平行样。

(2)解决样品黏结、堵塞问题，提高设备的适应性。自动制样系统直接接触样品，在破碎机、皮带转运、制粉等子系统内分别设置了独特的刮扫器、自清洗机构、高压气体喷吹、振动装置等，既能大幅度提升设备的样品适应性，也能避免各样品之间相互污染。

(3)提高制样效率。制约自动制样系统连续进样的瓶颈主要在于干燥环节。传统的鼓风干燥、红外干燥等方式效率较低，本项目采用了低温快速干燥的方式，使热风穿透煤层，加大了热风与煤样之间的接触面积，同时结合大数据和煤样的实际水分情况自动判断干燥结束的条件。由于该技术的应用，自动制样系统连续制样效率平均达到15 min/个。

自动制样系统作为整个系统中的关键，安装调试及试运行完成后由第三方机构进行公正的鉴定评价，对制样系统的精密度、系统偏倚、样品收集率进行鉴定[14]，本项目的鉴定结果完全符合甚至优于国标要求。

2.6 自动存查样系统及管控

管控中心与自动存查柜系统(以下简称存查柜)通过数据与接口集成，实现对智能存样柜的远程监视和操作。存查柜用于通过内置机械手，能满足煤样瓶的自动抓取、仓位随机分配、盲存盲取的需求。系统能实时记录样品的状态和位置、存取样的详细信息(存样时间、取样时间、存取样数量、样瓶编码信息、操作员信息等)。

存查柜是制样和化验之间的中间环节，样瓶进出频率高。在样瓶和机械手的长期使用过程中，易因磨损造成抓取不可靠。本项目采用气吸式机械手以避免该问题，有效提升了设备的稳定性。同时，存查柜主体采用叠堆式的构造，每根存样管内可存储4个全水分样瓶或7个非全水样瓶，空间利用率较传统方案提升了约25%。

2.7 气动传输系统及管控

管控中心与气动传输系统通过数据与接口集成，实现对气动传输系统的远程监视和操作。气动传输系统由控制系统、动力柜单元、发送工作站、接收工作站、换向器、传输管道、位置传感器以及配套附属设施组成，实现样瓶在全自动制样间、存查柜室和化验室间的自动传输。气动传输的室内管道采用和存查柜一致的聚氯乙烯(PVC)管道，实现存查与气动结构上的无缝连接；室外采用不锈钢管道，并配置了保温伴热装置，保证了管道的适应性和使用寿命。

2.8 数字化化验室管控

管控中心与化验系统接口集成，实现对各化验设备过程参数的远程监视。该系统是以化验室专用网络为基础，将所有化验设备联网，实现化验结果自动采集、平行样判定、化验数据汇总，并自动生成化验原始报表及报告单。

整个化验过程实现化验数据不落地、不可修改，规避人为干扰的风险，同时提高化验工作的效率及化验数据的可靠性。通过规范化验业务流程管理，保证燃料化验的公平性、公正性。

2.9 门禁系统管控

管控中心与门禁系统通过数据和接口集成，实现对所有门禁的集中管控。门禁设备统一接入管控平台，具有实时监控、进出权限管理、记录、报警等功能，对需要管控的现场管理处、监控室、称重计量场所、采制化工作现场、存样室出入口设置门禁系统，具体位置包括汽车采样缩分间、入炉煤采样缩分间、制样间、存样间、化验室、汽车出入厂管理室、汽车自动计量磅房、中心机房等。

2.10 监控系统管控

管控中心与硬盘录像机、网络视频录像机(NVR)通过数据和接口集成，实现对所有监控画面的集中管控。该系统选用高清网络摄像机实现视频监控，通过视频监控专用网络汇集到集控中心进行集中监控，视频监控系统具备数据存储及查询功能。

3 横山煤电燃料智能化整体方案应用效果

3.1 经济效益

强化燃料智能化管控，保证企业的经济效益，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地[15]。相对传统燃料管理模式，整套系统通过接口集成达到无缝对接，可有效减少系统水分损失。按水分在传统燃料管理流程平均损失0.15%，煤炭单价500元/t，年耗煤400.0 万t计算，可节省年燃煤费用约300万元。

3.2 降低劳动强度，改善工作环境

由于燃料智能化管控系统全过程自动化运行，数据不落地，极大地降低工人的劳动强度，提高了工作效率。尤其在原采样、制样、送样环节，工作人员需要在脏、乱、差的环境中从事高强度的体力劳动，现在工作人员主要负责日常检修、巡视和集控中心办公，显著改善了劳动环境，也有利于劳动者健康、降低职业病发生的概率。

3.3 数据不落地

原采制化各项数据主要依靠人工记录和汇总，容易出错且存在人工干预数据的风险。现在人与数据、样品隔离开来，系统自动采集与传输燃料数据信息，实时掌握入厂、入炉、库存煤的数量、质量、价格信息，杜绝燃料信息不实、不真、不准和低效管理的问题；实现燃料业务流程集中管控，实现关键环节无人值守、无缝对接、实时监控。集控中心实际展示效果如图3所示。

图3 集控中心实际展示效果

4 项目实施过程中的经验

(1)燃料智能管控系统涉及信息系统集成、机械制造、煤化验设备、智能机械手、传感器及光电等行业设备，新技术密集应用，行业发展迅速，不同的解决方案各有特点。因此，要做好前期调研，了解行业发展状况，适用于不同的工况，通过优化组合，规划出适合自身项目实际的燃料能化管理系统。

(2)燃料智能管控系统宜采用工程总承包(EPC)模式进行统一招标，有利于整个系统的设计，设备的采购和施工，可以更好地兼顾不同厂家之间的硬件和软件接口，有效避免在实施过程中接口的争议，导致各厂家之间互相推诿，造成整个系统运行不畅。

(3)仔细审查设计方案，做好细化设计，使燃料智能管控系统流程最优，最大限度实现无人化。核心的目标是尽可能用成熟技术代替人工操作。

(4)为下一步设备智能化预留好空间，使燃料管理系统中入厂、接卸、采制、化验、合同管理、结算等各个环节流程化作业，全过程无人干预。在燃料智能管控系统中仅剩煤样化验、合同结算等少数环节必须由人工操作完成，但目前这些环节也已经具备设备自动作业的基础，下一步的发展方向是电厂燃料管理系统与生产、财务各系统的对接，直接实现煤流、资金流、设备流的自动运行。

5 结束语

燃料智能管控系统利用现代管理理念对电厂燃煤的管理流程进行规范化，从一定程度上克服了人工管理效率低、统计汇总难度大、信息流动慢的缺点，是发电企业燃料管理信息化的发展趋势。通过现场数据实时采集和系统自动计算分析，及时掌握入厂、入炉、库存煤的数量、质量、价格，准确核算燃料量、质、价相关指标，做到数据真实、及时准确，避免了燃料贪腐行为的出现，有效指导锅炉系统燃烧，大幅度提高了电厂的燃料信息化管理水平。