劉華煒，黃 偉，許 杰

(1.上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司，上海 200233；2.上海外高橋第二發(fā)電有限責(zé)任公司，上海 200137)

0 引言

隨著可再生能源的高速發(fā)展以及環(huán)保需求的提升，電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，全行業(yè)都面臨降本增效的問(wèn)題。燃?xì)?、燃煤電廠的數(shù)字化轉(zhuǎn)型[1]成為擺在傳統(tǒng)發(fā)電企業(yè)面前的重要課題。國(guó)內(nèi)的電力運(yùn)營(yíng)體系較為傳統(tǒng)，在可靠性和穩(wěn)定性上并無(wú)問(wèn)題，但在提質(zhì)增效等方面仍然存在改進(jìn)的空間。計(jì)算機(jī)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的運(yùn)用能夠開(kāi)發(fā)出很多傳統(tǒng)電廠的潛能，從而改變以往的運(yùn)行管理模式，實(shí)現(xiàn)從人工決策到機(jī)器決策的過(guò)程[2]。

燃煤機(jī)組發(fā)電是用煤大戶，對(duì)燃煤的精度計(jì)量和管理，不僅能夠進(jìn)行成本核算、提高經(jīng)營(yíng)管理效益，而且對(duì)節(jié)約能源具有深遠(yuǎn)的意義。燃料系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化，主要是對(duì)碼頭卸煤、煤場(chǎng)儲(chǔ)煤、原煤倉(cāng)加倉(cāng)等主要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化統(tǒng)計(jì)管理。而煤場(chǎng)是燃料存儲(chǔ)的核心區(qū)，煤場(chǎng)的數(shù)字化管理[2]，煤場(chǎng)入庫(kù)-堆存-出庫(kù)等數(shù)據(jù)的精確統(tǒng)計(jì)，可以使生產(chǎn)管理人員清楚掌握生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)過(guò)程的可控性、減少人工干預(yù)、及時(shí)正確地采集生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)。這些生產(chǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)可靠而準(zhǔn)確的數(shù)字化信息交換、跨平臺(tái)的資源實(shí)時(shí)共享，進(jìn)而利用智能專(zhuān)家系統(tǒng)提供各種優(yōu)化決策建議，為機(jī)組的燃料供給提供科學(xué)指導(dǎo)，制定生產(chǎn)計(jì)劃。本設(shè)計(jì)的作用是降低發(fā)電成本、提高上網(wǎng)電量、減少設(shè)備故障，構(gòu)建高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的現(xiàn)代化電廠，最終實(shí)現(xiàn)電廠的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和節(jié)能增效。

1 燃煤電廠燃料系統(tǒng)煤場(chǎng)概況

燃煤電廠通常設(shè)置兩個(gè)煤場(chǎng)A、B。A煤場(chǎng)的煤由皮帶輸送機(jī)A輸送，B煤場(chǎng)的煤由皮帶輸送機(jī)B輸送。兩臺(tái)斗輪堆取料機(jī)分別在A煤場(chǎng)、B煤場(chǎng)的皮帶輸送機(jī)上行走，通過(guò)斗輪的不同轉(zhuǎn)向和斗輪輸送小皮帶的不同輸送方向，將煤由碼頭輸送至煤場(chǎng)存儲(chǔ)，或?qū)⒚河擅簣?chǎng)輸送至原煤倉(cāng)燃燒。

斗輪堆取料機(jī)的工作狀態(tài)分為四種：堆料(即卸船),取料(即加倉(cāng)),分流(即邊卸船邊加倉(cāng)),通過(guò)(即由碼頭直通加倉(cāng)至原煤倉(cāng))。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況為斗輪機(jī)A工作在A煤場(chǎng)，A煤場(chǎng)分成A1、A2、A3、A4四個(gè)煤堆，四個(gè)煤堆分別存放指定煤種的煤。斗輪機(jī)A均可在四個(gè)煤堆進(jìn)行堆料、取料、分流、通過(guò)工作。斗輪機(jī)B工作在B煤場(chǎng)，工作方式及煤場(chǎng)劃分同A煤場(chǎng)。堆料、取料、分流三種工況均涉及煤場(chǎng)存煤量的變化，而“通過(guò)”工況是從碼頭卸船機(jī)直接加倉(cāng)至煤倉(cāng)，不經(jīng)過(guò)煤場(chǎng)。因此“通過(guò)”工況不會(huì)影響煤場(chǎng)存儲(chǔ)煤量的改變。

煤場(chǎng)數(shù)字化管理是以實(shí)現(xiàn)煤場(chǎng)存儲(chǔ)信息的數(shù)字化管理為目標(biāo)，通過(guò)相應(yīng)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、三通狀態(tài)及斗輪堆取料機(jī)、皮帶秤等設(shè)備的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，對(duì)煤場(chǎng)的進(jìn)出場(chǎng)動(dòng)態(tài)及煤流量，各煤場(chǎng)的煤種儲(chǔ)量進(jìn)行數(shù)字化統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)。這種方式使煤場(chǎng)管理人員、燃料系統(tǒng)運(yùn)行人員、發(fā)電運(yùn)行人員能夠及時(shí)掌握煤場(chǎng)存儲(chǔ)的動(dòng)態(tài)情況，提高燃料生產(chǎn)過(guò)程的安全性、可靠性，并進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)分析，從而達(dá)到成本的精確計(jì)算，真實(shí)掌握運(yùn)營(yíng)發(fā)電情況。燃料系統(tǒng)煤場(chǎng)工況示意圖如圖1所示。

圖1 燃料系統(tǒng)煤場(chǎng)工況示意圖Fig.1 Fuel system coal yard overview

2 煤場(chǎng)數(shù)字化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 斗輪機(jī)工作位置定位

煤場(chǎng)存儲(chǔ)煤量的變化，與煤場(chǎng)皮帶輸送機(jī)上斗輪堆取料機(jī)的不同工作狀態(tài)密切相關(guān)。因此，斗輪機(jī)精確的工作位置是煤場(chǎng)存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)建模的關(guān)鍵。

引入三維坐標(biāo)的概念，將煤場(chǎng)進(jìn)行數(shù)字化的設(shè)計(jì)，在A、B煤場(chǎng)分別建立一個(gè)立體的三維坐標(biāo)系。以A煤場(chǎng)為例，四個(gè)煤堆位置坐標(biāo)分別為：煤堆1(0～Xa1，0～Ya1，0～Za1)，煤堆2(Xa2～Xa，0～Ya2,0～Za2)，煤堆3(0～Xa3，Ya3～0,0～Za3)，煤堆4(Xa4～Xa,Ya4～0,0～Za4)。煤堆的坐標(biāo)根據(jù)煤場(chǎng)實(shí)際的堆煤情況和煤種進(jìn)行人為劃分，并由專(zhuān)業(yè)工藝人員在人機(jī)界面上輸入各個(gè)煤堆的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

斗輪堆取料機(jī)在煤場(chǎng)工作，即處于煤場(chǎng)的立體三維坐標(biāo)系中，可以得到精確的工作旋轉(zhuǎn)斗輪的坐標(biāo)。通過(guò)對(duì)工作旋轉(zhuǎn)斗輪的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)與煤場(chǎng)坐標(biāo)系煤堆的位置坐標(biāo)范圍進(jìn)行比較及邏輯判斷，即可確定斗輪機(jī)堆、取料工作的旋轉(zhuǎn)斗輪所在的煤堆，從而得到其精確的定位[3-5]。

2.2 斗輪機(jī)工作狀態(tài)確定

運(yùn)行人員在輸煤系統(tǒng)操作界面對(duì)斗輪機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行選擇。輸煤系統(tǒng)可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)讀取斗輪機(jī)工作狀態(tài)信息后，再通過(guò)對(duì)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、三通位置、斗輪機(jī)堆、取料皮帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等信息進(jìn)行邏輯編程,從而確定煤流是經(jīng)由A路還是B路皮帶秤進(jìn)行的計(jì)量，并實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)斗輪機(jī)分別在兩個(gè)煤場(chǎng)八個(gè)煤堆堆料、取料、分流、通過(guò)四種工況的確定。斗輪堆取料機(jī)A堆料工況邏輯、斗輪堆取料機(jī)A取料工況邏輯、斗輪堆取料機(jī)A分流/直通工況直通部分邏輯分別如圖2～圖4所示。

圖2 斗輪堆取料機(jī)A堆料工況邏輯示意圖Fig.2 Schematic diagram of stacking and reclaiming machine A stacking conditions

圖3 斗輪堆取料機(jī)A取料工況邏輯示意圖Fig.3 Schematic diagram of stacking and reclaiming machine A reclaiming conditions

圖4 斗輪堆取料機(jī)A分流/直通工況直通部分邏輯示意圖Fig.4 Schematic diagram of the straight-through part of the Shunt/through condition of the bucket wheel stacker and reclaimer A

2.3 煤場(chǎng)煤量的計(jì)算

煤場(chǎng)入場(chǎng)-出場(chǎng)煤量的計(jì)量通過(guò)PLC軟件編程來(lái)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)各煤場(chǎng)的每個(gè)煤堆的進(jìn)-出場(chǎng)量等數(shù)據(jù)的精確計(jì)算、統(tǒng)計(jì)。

針對(duì)燃料系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)卸煤、加倉(cāng)生產(chǎn)操作工藝流程的靈活性、多樣性，設(shè)計(jì)三個(gè)皮帶秤計(jì)數(shù)器，分別計(jì)量入場(chǎng)煤皮帶秤、出場(chǎng)煤皮帶秤A和出場(chǎng)煤皮帶秤B的累計(jì)數(shù)據(jù)。一個(gè)皮帶秤對(duì)應(yīng)一個(gè)計(jì)數(shù)器。每個(gè)計(jì)數(shù)器無(wú)條件地對(duì)皮帶秤脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)。這樣可以保證計(jì)數(shù)器與操作無(wú)關(guān)，以及煤場(chǎng)的入場(chǎng)煤量與出場(chǎng)煤量的總數(shù)是絕對(duì)正確性。

每個(gè)煤堆設(shè)計(jì)六個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，分別存儲(chǔ)：原始存儲(chǔ)煤量、卸煤量、直通量、入場(chǎng)量、出廠量、當(dāng)前存儲(chǔ)量等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。原始存儲(chǔ)煤量為工藝設(shè)置數(shù)據(jù)，是常數(shù)。當(dāng)前存儲(chǔ)量=原始存儲(chǔ)煤量+入場(chǎng)量-出廠量。卸煤量為入場(chǎng)煤皮帶秤累計(jì)數(shù)據(jù)。根據(jù)三個(gè)皮帶秤計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)，并依據(jù)對(duì)斗輪機(jī)的定位及工況的確定等邏輯控制，將進(jìn)-出場(chǎng)煤量分配至兩個(gè)煤場(chǎng)。

料/卸船工況時(shí)，入場(chǎng)煤量統(tǒng)計(jì)值的數(shù)學(xué)公式為：

(1)

式中：G入場(chǎng)煤皮帶秤(t)為t時(shí)刻保存至對(duì)應(yīng)煤堆的入場(chǎng)煤皮帶秤瞬時(shí)量；t1、t2分別為堆料計(jì)量開(kāi)始與結(jié)束時(shí)刻。

斗輪堆取料機(jī)在堆料工況下工作，依據(jù)之前定位邏輯所判斷的具體工作煤堆位置，將入場(chǎng)煤皮帶秤新增數(shù)據(jù)分配至相應(yīng)煤堆入場(chǎng)煤存儲(chǔ)器中，即可完成相應(yīng)煤堆的入場(chǎng)煤量的統(tǒng)計(jì)。

取料/加倉(cāng)工況時(shí)，出場(chǎng)煤量統(tǒng)計(jì)值的數(shù)學(xué)公式為：

(2)

式中：G出場(chǎng)煤皮帶秤A/B(t)為t時(shí)刻保存至對(duì)應(yīng)煤堆的出場(chǎng)煤A/B皮帶秤瞬時(shí)量；t1、t2分別為取料計(jì)量開(kāi)始與結(jié)束時(shí)刻。

斗輪堆取料機(jī)在取料工況下工作，依據(jù)之前定位邏輯所判斷的具體工作煤堆位置，將出場(chǎng)煤皮帶秤A或出場(chǎng)煤皮帶秤B的新增數(shù)據(jù)分配至相應(yīng)煤堆出場(chǎng)煤A路或B路存儲(chǔ)器中，即可完成相應(yīng)煤堆的出場(chǎng)煤量的統(tǒng)計(jì)。

分流/直通工況時(shí)，入場(chǎng)煤量統(tǒng)計(jì)值的數(shù)學(xué)公式為：

(3)

分流/直通工況時(shí)，直通量統(tǒng)計(jì)值的數(shù)學(xué)公式為：

(4)

分流與直通工況下是由碼頭卸船直接加倉(cāng)去燃燒，對(duì)于煤場(chǎng)出場(chǎng)煤煤量而言是不發(fā)生變化的。因此，分流與直通工況下不需考慮出場(chǎng)煤的統(tǒng)計(jì)。

分流工況，是入場(chǎng)煤經(jīng)入場(chǎng)煤皮帶秤進(jìn)場(chǎng)，同時(shí)部分煤量經(jīng)出場(chǎng)煤皮帶秤A或出場(chǎng)煤皮帶秤B加倉(cāng)。直通工況，是經(jīng)入場(chǎng)煤皮帶秤，直通經(jīng)出場(chǎng)煤皮帶秤A，或出場(chǎng)煤皮帶秤B加倉(cāng)，即直通工況下入場(chǎng)煤皮帶秤與出場(chǎng)煤皮帶秤A和出場(chǎng)煤皮帶秤B的和是相同的。

“分流”和“直通”工況均會(huì)經(jīng)過(guò)入場(chǎng)煤皮帶秤，即入場(chǎng)煤皮帶稱(chēng)會(huì)進(jìn)行同步累計(jì)計(jì)量。因此，入場(chǎng)計(jì)數(shù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的變化，與“堆料”工作狀態(tài)相同。當(dāng)入場(chǎng)煤皮帶稱(chēng)累計(jì)計(jì)量時(shí)，將計(jì)量數(shù)據(jù)分配至當(dāng)前工作煤堆的入場(chǎng)計(jì)數(shù)存儲(chǔ)器中即可。而出場(chǎng)煤皮帶稱(chēng)也會(huì)進(jìn)行同步累計(jì)計(jì)量。但在此工況下，當(dāng)出場(chǎng)煤皮帶稱(chēng)累計(jì)計(jì)量時(shí)，需要將計(jì)量數(shù)據(jù)分配至當(dāng)前工作煤堆的直通量計(jì)數(shù)存儲(chǔ)器中。計(jì)算入場(chǎng)煤量時(shí)，需要將入場(chǎng)煤皮帶秤的數(shù)據(jù)減去直通量計(jì)數(shù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)。因此，在分流與直通兩種工況下，對(duì)直通量的統(tǒng)計(jì)是關(guān)鍵。將這兩種工況作為相同的工況來(lái)進(jìn)行入場(chǎng)煤的計(jì)量，對(duì)于入場(chǎng)煤皮帶秤數(shù)據(jù)計(jì)量的編程可以更簡(jiǎn)潔，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)正確率更高。

皮帶秤計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)分配邏輯示意圖如圖5所示。

圖5 皮帶秤計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)分配邏輯示意圖Fig.5 Schematic diagram of data distribution of the belt scale counter

2.4 現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)中遇到的問(wèn)題

由于出場(chǎng)煤皮帶秤安裝位置與煤場(chǎng)的距離較遠(yuǎn)，由煤場(chǎng)輸送出來(lái)的煤流要經(jīng)由幾條出場(chǎng)皮帶后，方可到達(dá)出場(chǎng)煤皮帶秤進(jìn)行稱(chēng)重?，F(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)試運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度與操作習(xí)慣密切相關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行操作與理想的編程條件存在一定差異。因此，在投運(yùn)過(guò)程中不同班次操作會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)量偏差較大的情況，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝運(yùn)行工況對(duì)程序進(jìn)行完善。

首先，對(duì)發(fā)生誤差的重要信號(hào)加入關(guān)鍵信號(hào)處理程序，對(duì)這些信號(hào)在操作過(guò)程中進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)保持和濾波。根據(jù)出場(chǎng)皮帶輸送機(jī)的工藝參數(shù)，計(jì)算煤場(chǎng)與出場(chǎng)煤皮帶秤之間的所有皮帶輸送機(jī)輸送煤量的濾波時(shí)間。濾波時(shí)間=皮帶輸送機(jī)長(zhǎng)度/皮帶輸送機(jī)帶速。煤場(chǎng)與出場(chǎng)煤皮帶秤之間的每條出場(chǎng)皮帶輸送機(jī)均應(yīng)設(shè)置運(yùn)行信號(hào)的濾波時(shí)間，皮帶輸送機(jī)的濾波時(shí)間是與出場(chǎng)煤皮帶秤之間下游皮帶輸送機(jī)的濾波時(shí)間之和，電動(dòng)三通位置信號(hào)的濾波時(shí)間等于電動(dòng)三通與出場(chǎng)煤皮帶秤之間下游皮帶輸送機(jī)的濾波時(shí)間之和，斗輪堆取料機(jī)狀態(tài)信號(hào)的濾波時(shí)間等于煤場(chǎng)與出場(chǎng)煤皮帶秤之間下游皮帶輸送機(jī)的濾波時(shí)間之和。所有延時(shí)濾波存儲(chǔ)器均設(shè)A路和B路，對(duì)應(yīng)出場(chǎng)煤皮帶秤A和出場(chǎng)煤皮帶秤B。當(dāng)所對(duì)應(yīng)的出場(chǎng)皮帶秤瞬時(shí)量<10 t/h時(shí)，相應(yīng)的所有計(jì)時(shí)器取消計(jì)時(shí)保持，這樣可以將出場(chǎng)煤量或直通煤量保持至皮帶秤計(jì)量結(jié)束，消除皮帶秤與煤場(chǎng)之間的距離誤差。

其次，規(guī)范運(yùn)行操作也是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的重要因素。通過(guò)幾個(gè)月反復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試運(yùn)行，每天記錄所有工況下的煤場(chǎng)數(shù)據(jù)，并與手動(dòng)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。在不影響生產(chǎn)運(yùn)行的情況下，規(guī)范操作，完善后的PLC程序數(shù)據(jù)計(jì)量精度可達(dá)99.9%。

3 利用歷史數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用

通過(guò)Historian[4]數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)煤場(chǎng)入庫(kù)-堆存-出庫(kù)等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄，利用Historian SDK[6]編程工具，在上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)Historian歷史數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的調(diào)用。通過(guò)簡(jiǎn)易操作，即可實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)操作界面上，調(diào)用任意選擇時(shí)間點(diǎn)及時(shí)間間隔的煤場(chǎng)入庫(kù)-堆存-出庫(kù)等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。在操作界面生成的查詢報(bào)表，可以靈活查看所選時(shí)間的歷時(shí)數(shù)據(jù)記錄，并可以在指定文件夾中自動(dòng)生成EXCEL數(shù)據(jù)報(bào)表文件，支持打印備份功能，為用戶對(duì)系統(tǒng)的評(píng)估和進(jìn)一步優(yōu)化研究提供可靠，有效的數(shù)據(jù)依據(jù)。同時(shí)，在上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面開(kāi)發(fā)維護(hù)程序[4]，維護(hù)工程師可以通過(guò)上位機(jī)操作界面對(duì)Historian數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行便捷管理維護(hù)，確保歷史數(shù)據(jù)、操作記錄及報(bào)警查詢等信息的大量存儲(chǔ)，不會(huì)影響計(jì)算機(jī)的性能。

4 結(jié)論

燃料系統(tǒng)煤場(chǎng)數(shù)字化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是對(duì)煤場(chǎng)進(jìn)行數(shù)字化的設(shè)計(jì)，為煤場(chǎng)建立虛擬三維坐標(biāo)系，精確定位斗輪堆取料機(jī)的工作位置，再進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬇袛?，把皮帶秤?jì)量數(shù)據(jù)精確分配至每個(gè)煤場(chǎng)的每個(gè)煤堆，形成一套 “入庫(kù)-堆存-出庫(kù)”的動(dòng)態(tài)算法。利用歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，形成報(bào)表，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、查詢及打印存檔。同時(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將這些數(shù)據(jù)作為數(shù)字化煤場(chǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5]，傳送給廠級(jí)安全功能系統(tǒng)(safety instrument system，SIS)和廠級(jí)數(shù)據(jù)專(zhuān)家分析系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可靠而準(zhǔn)確的數(shù)字化信息交換[6]、跨平臺(tái)的資源實(shí)時(shí)共享，利用智能專(zhuān)家系統(tǒng)提供各種優(yōu)化決策建設(shè)，為機(jī)組的燃料供給操作提供科學(xué)指導(dǎo)。