魏勇，江學(xué)文，壽志杰

（杭州集益科技有限公司，浙江 杭州 311200）

長期以來，我國電煤供需矛盾較為突出，使得眾多燃煤電廠的燃燒煤種煤質(zhì)不穩(wěn)定且偏離設(shè)計值，影響了機組運行的安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保性?；诔晒ρ邪l(fā)的斗輪機全自動集中控制系統(tǒng)，以智能配煤摻燒為目標，建立一套具有實時數(shù)據(jù)、實時管理決策和實時執(zhí)行控制的智能燃料實時管控系統(tǒng)，對電廠安全經(jīng)濟運行具有非常重要的意義。

根據(jù)燃料全程特征碼，利用入爐煤電子皮帶秤、煤倉料位計、給煤機實時給煤流量、犁煤器狀態(tài)等數(shù)據(jù)，采用時序分析法、周期濾波、數(shù)值差分分析等算法，建立煤倉實時分層模型，實時對煤倉中不同煤種進行智能分層，辨識各煤層的煤位、煤量、煤種和煤質(zhì)等信息，實現(xiàn)對實時燃燒煤煤種煤質(zhì)的精準預(yù)測和實時辨識。該技術(shù)的應(yīng)用為分倉計量、分爐煤耗計量、分機組正平衡發(fā)電煤耗分析、智能摻配摻燒的應(yīng)用及今后智能燃燒、智能磨煤機等智能電廠的建設(shè)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

某廠裝機容量為4×660MW，每臺機組配置6 臺原煤倉，實行爐內(nèi)摻燒方式。入爐煤電子皮帶秤、煤倉料位計、給煤機實時給煤流量、犁煤器狀態(tài)等實時數(shù)據(jù)已進入SIS 系統(tǒng)。因此，本文以智能燃料系統(tǒng)軟件平臺為背景，說明煤倉動態(tài)監(jiān)測的工作原理及其在智能燃料系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 燃煤全程特征碼模型

燃料特征碼全程跟蹤模型，指為實時掌握燃煤動態(tài)信息，對每個批次的不同煤種生成唯一特征碼；通過特征碼緊密關(guān)聯(lián)了燃煤的眾多屬性，包括煤種、煤質(zhì)、煤量、位置等。在電廠內(nèi)卸煤、堆煤、上倉等過程中,結(jié)合斗輪機的空間姿態(tài)、工作模式以及煤堆的三維模型定位等數(shù)據(jù)，對煤種/煤堆進行實時跟蹤，實現(xiàn)燃料的精細化管理。燃料特征碼全程跟蹤模型，解決了以往傳統(tǒng)數(shù)字化煤場或智能化煤場解決方案中的感知數(shù)據(jù)（煤量、煤質(zhì)等）與煤實體（物理狀態(tài)）脫節(jié)，不能有效實時分煤種煤量分析并為配煤摻燒提供實時煤種數(shù)據(jù)的問題。燃煤全程特征碼示意圖如圖1。

圖1 燃煤全程特征碼示意圖

2 煤倉分倉計量分析模型

根據(jù)入爐煤電子皮帶秤的實時讀數(shù)、犁煤器實時工作狀態(tài)，以及燃料特征碼的實時跟蹤，采用時序分析和數(shù)值差分分析等分析方法，利用電子皮帶秤至各煤倉的延時，建立煤倉分倉計量分析模型，獲得在每一次上煤作業(yè)過程中，各個煤倉的上煤煤量。煤倉分倉計量分析模型為各煤倉的每班分倉、分爐上煤量，及各發(fā)電機組的正平衡計算發(fā)電煤耗提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

記煤倉及對應(yīng)的犁煤器序號為i，i=1 ～24，對應(yīng)煤倉編號1A，1B，1C…4C，4D，4E，4F。在一次上煤過程中，上煤次序煤倉編號為其中i 為上煤次序，值為1 ～24。iτ為入爐煤電子皮帶秤至第i個煤倉的時延；t ie為第i個犁煤器由放落改為掛起的時間，即該煤倉結(jié)束加倉時間；tis為第i個犁煤器放落的時間，該時間不一定是煤倉開始加倉時間；是入爐煤電子皮帶秤累計值在t時刻的實時數(shù)值。則Si煤倉上倉煤量Wsi由下列公式?jīng)Q定：

該式滿足犁煤器的不同作業(yè)順序，如順序加倉、逆序加倉、混合次序加倉等。煤倉分倉計量分析示意圖如圖2。

3 煤倉煤種分層監(jiān)測

現(xiàn)有的煤倉監(jiān)測手段只有通過料位計獲得煤倉內(nèi)的煤位，機組運行人員只能根據(jù)運行經(jīng)驗大概地估計預(yù)測煤倉內(nèi)不同煤種的切換時間，通過運行負荷、磨煤機出力等關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的變化知悉煤倉內(nèi)的新煤種進入磨煤機和鍋爐。這種監(jiān)測手段對在煤倉內(nèi)煤種變化較大時，可能對鍋爐的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利影響。利用燃料特征碼的實時跟蹤，實時分析和監(jiān)測煤倉內(nèi)各煤種的分層，即煤種、煤質(zhì)、煤量、煤位信息，可實時精準預(yù)測入爐煤種切換時間，及時調(diào)整磨煤機和鍋爐運行方式，確保機組運行安全可靠運行。

3.1 煤位煤量對應(yīng)模型

煤倉由上部一個規(guī)則的圓柱與下部8個錐度逐漸增大的錐臺組成。煤倉內(nèi)煤位與煤量存在一一對應(yīng)關(guān)系，并且不同煤種的煤量煤位對應(yīng)關(guān)系存在差異。圖3 為煤倉結(jié)構(gòu)示意圖。

煤倉的煤位煤量對應(yīng)模型可通過如下方式建立：

（1）試驗插值法。利用試驗，對每個煤倉進行多組煤位和對應(yīng)煤量進行測量試驗，并建立一一對應(yīng)表。在運行中實際測得煤位值后，查找對應(yīng)煤位的煤量，如果沒有對應(yīng)煤量，則利用插值法計算得到。

（2）理論計算法。計算煤位對應(yīng)的煤體積，根據(jù)堆積密度計算對應(yīng)煤量。

自下往上第i個錐臺的體積由煤倉結(jié)構(gòu)可得：

由mi=ρi·V(H)（iρ為煤種堆積密度）建立不同煤種煤量mi與煤位H的一一映射關(guān)系，即煤種煤位煤量對應(yīng)模型。

圖2 煤倉分倉計量分析示意圖

圖3 煤倉結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 煤倉分層分析模型

根據(jù)煤倉的不同作業(yè)狀態(tài)，分別分析煤倉中不同煤種的煤位和煤量。特別地，當給煤機不工作時，給煤機流量Vf=0。

在T1時刻，即加倉開始時，煤倉中可有一種或多種煤種。加倉的煤種可與最上層煤種相同或不同。

在T2時刻，即加倉結(jié)束時，新加的煤種處于最上層。當Vf=0時，下層煤種煤位煤量分布不變；當Vf≠0時，最下層煤種煤位煤量發(fā)生變化，中間煤種沒有變化。

下述分析為新煤種與原上層煤種不同，且只有1個煤種的情景。新加煤種與上層煤種相同時，只需考慮上層煤種的煤位和煤量累加，無須考慮分層。更多的情況可按相同方法獲得分層信息。

情況1：Vf=0，下層煤種煤位煤量都不變；通過煤倉分倉計量分析模型，得到新加煤種的煤量；新煤種的煤位H2為煤倉料位計測量值。

情況2（如圖4）：Vf≠0，通過煤倉分倉計量分析模型，得到新加煤種的煤量；新加煤種的煤位為料位計測量值HB2。已知T1時刻，A 煤種煤量mA1，煤位HA1；T2時刻，A 煤種煤量通過A 煤種煤位煤量對應(yīng)模型，可得HA2值。煤層的分界面為HA2，自下至上分別為煤種A、B。

圖4 情況2 示意圖

情況3（如圖5）：Vf≠0, 不加倉。底層煤量和煤位變化；上層煤量不變，煤位變化。已知T1 初始時刻，A 煤 種 煤 量mA1，煤 位HA1，B 煤 種 煤量mB1，煤位HB1；新T2時 刻，B 煤 種煤位為料位計測量值HB2；A 煤種煤量通過A煤種煤位煤量對應(yīng)模型，可得HA2值。煤層的分界面為HA2，自下至上分別為煤種A、B。

圖5 情況3 示意圖

3.3 煤倉堆積密度的自我修正

在情況1：Vf=0 上倉情況下，下層煤種煤位煤量都不變；通過煤倉分倉計量分析模型，得到新加煤種的煤量m；新煤種的高煤位H2為煤倉料位計測量值，求得煤倉中新煤種的堆存體積V，并通過求得新煤種的堆積密度。對多次的分析結(jié)果進行統(tǒng)計和回歸分析，得到煤種的煤倉堆積密度模型，實現(xiàn)煤倉堆積密度的自我修正。

4 實時燃燒煤種煤質(zhì)辨識

利用磨煤機內(nèi)熱量平衡方程，可求得磨煤機中煤種的全水分Mar：

通過匹配煤種水分，實時判斷當前入爐燃燒的煤種煤質(zhì)，實現(xiàn)基于水分匹配的煤種在線辨識模型。將煤倉分層分析模型和實時燃燒煤種煤質(zhì)辨識模型相結(jié)合，可有效地實時掌握入爐煤種煤質(zhì)信息，為機組運行的控制調(diào)整提供實時的入爐煤種煤質(zhì)信息。對機組實際運行數(shù)據(jù)分析得出：在入爐燃燒煤種切換時，當新舊煤種水分差大于15%時，可觀察到明顯的水分變化。水分變化呈斜坡狀，切換階段時長在1h 左右。

5 煤倉動態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用

（1）煤倉存煤量的監(jiān)測。通過分倉計量，獲得入爐煤加倉的煤量；通過給煤機實時流量的積分，可得出煤倉的煤量。二者相結(jié)合，可得煤倉的實時存煤量。同時，可通過料位計實時數(shù)據(jù)進行校驗。

（2）入爐煤種切換預(yù)測。對入爐煤的煤種切換進行準確預(yù)測，為鍋爐機組運行方式的調(diào)整提供預(yù)測信息；同時，當切換煤種的水分相差較大時，磨煤機熱平衡可準確判斷煤種的切換過程。

（3）入爐煤種監(jiān)測。實時監(jiān)測當前入爐煤的煤種煤質(zhì)等信息，并與鍋爐的燃燒效果相結(jié)合，可對配煤摻燒方案經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性進行實時的評價，為鍋爐燃燒優(yōu)化提供實時數(shù)據(jù)。動態(tài)煤倉界面如圖6。

（4）正平衡方式計算機組發(fā)電煤耗。分倉計量后，通過簡單計算可得到特定機組的入爐煤量計量，根據(jù)對應(yīng)的煤質(zhì)參數(shù)和發(fā)電量，可實現(xiàn)機組正平衡方式發(fā)電煤耗的測算。

（5）煤倉內(nèi)煤堆積密度的統(tǒng)計。通過大量的煤倉分倉計量數(shù)據(jù)和煤層高度數(shù)據(jù)，可統(tǒng)計出不同煤種在煤倉的堆積密度。

圖6 動態(tài)煤倉界面

6 誤差分析和處理

入爐煤的煤量分析數(shù)據(jù)主要基于入爐電子皮帶秤計量數(shù)據(jù)，因此，煤倉計量中誤差的來源主要有：電子皮帶秤的測量誤差及數(shù)據(jù)延時誤差（每噸發(fā)送一個脈沖）、犁煤器狀態(tài)采樣周期、皮帶移動速度的非均勻性導(dǎo)致延時變化等。給煤機的實時流量測量誤差對煤倉的煤量引入了誤差。

減少或消除誤差的方法：（1）通過對入爐電子皮帶秤進行技術(shù)改造，實現(xiàn)了電子皮帶秤在線遠程自動校驗與診斷，提升了電子皮帶秤的測量精度和可靠性；通過提高對設(shè)備狀態(tài)的更新頻率，減少時延引起的計量誤差。（2）輸煤皮帶機加強校準，工作時保持穩(wěn)定勻速運轉(zhuǎn)。（3）給煤機流量測量裝置及時校準，減少給煤流量誤差。（4）定期對煤倉煤量進行清空，煤量、煤位數(shù)據(jù)清零處理，避免長期運行帶來的累計誤差。

7 結(jié)語

通過燃煤全程特征碼技術(shù)和入爐煤電子皮帶秤數(shù)據(jù)，建立入爐煤分倉計量分析模型，實現(xiàn)對每班次的入爐煤進行分倉計量和分爐計量；對倉內(nèi)燃煤建立煤種分層分析模型，對煤倉的煤種、煤質(zhì)、煤量、煤位進行實時動態(tài)分析和監(jiān)測。對入爐煤煤種切換進行實時精確預(yù)測，對煤種切換時間進行提示；通過對磨煤機熱平衡分析，實現(xiàn)對煤種切換過程的實時監(jiān)測。機組運行對入爐煤的煤種切換具備了預(yù)測能力，提高了機組運行的安全性。根據(jù)分倉計量和分爐計量的煤量、煤質(zhì)數(shù)據(jù)以及期間發(fā)電量，系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了機組正平衡方式進行發(fā)電煤耗計算分析。