煤質(zhì)在線檢測首次在國內(nèi)1000MW機組的推廣應(yīng)用

薛健

摘要：本文根據(jù)我國首家超超臨界4×1000MW機組實驗點為題材論述，使煤種煤質(zhì)在線識別系統(tǒng)能夠在電力生產(chǎn)行業(yè)相互熟知了解，可用性能得以推廣運用；方便電力生產(chǎn)行業(yè)根據(jù)自身燃料的采集數(shù)據(jù)作以對比，有效改善燃煤工況、提高燃煤效率、節(jié)約能源、降低環(huán)境污染對我國有著特別重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：煤在線檢測

中圖分類號：TU723.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（b）-0080-02

煤的燃燒是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過程；燃燒穩(wěn)定性、燃燒效率及燃燒產(chǎn)物受多種因素的影響，如爐膛結(jié)構(gòu)、燃燒器設(shè)計、煤的種類、送粉、輔助風(fēng)、助燃風(fēng)風(fēng)向、燃燒角度、鍋爐負載、燃燒狀況等?；鹧婕捌潆姶泡椛涫敲喝紵闹饕庠诒憩F(xiàn)形式，因此對火焰的觀察及對其光熱輻射的測量分析是燃燒過程監(jiān)測與診斷的主要手段和方法。煤質(zhì)在線識別系統(tǒng)就是利用可見光技術(shù)傳輸對窺視爐膛內(nèi)燃燒物在火焰的可見光進行分析，對爐內(nèi)的燃燒工況監(jiān)視加以分析，數(shù)據(jù)采集來達到我們所需求的目的，從而降低煤耗、改善燃煤工況、提高燃燒效率、降低污染氣體排放，提供比以往更及時、更豐富、更有效的數(shù)據(jù)。

玉環(huán)電廠1000MW鍋爐是由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司引進日本三菱重工業(yè)株式會社技術(shù)制造的超超臨界變壓運行直流鍋爐，型號為HG-2953/27.46-YM1。其采用П型布置、單爐膛、低NOXPM主燃燒器和MACT燃燒技術(shù)、反向雙切園燃燒方式。爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁、循環(huán)泵啟動系統(tǒng)，一次中間再熱系統(tǒng)。調(diào)溫方式除采用煤/水比外，還采用煙氣出口調(diào)節(jié)擋板、燃燒器擺動、噴水等方式。鍋爐采用平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)，設(shè)計煤種為神府東勝煤和晉北煤。

1煤質(zhì)在線測量的意義

1.1 現(xiàn)有手段的不足

目前我國煤質(zhì)分析方法比較保守，通過對燃料進行抽樣燃燒化驗，確定燃燒物的熱值、揮發(fā)份、灰分、水分、固定碳等參數(shù)來確定煤質(zhì)的好壞。人工化驗存在以下缺點：①人工取樣的勞動強度大。②存在諸多不確定性。③燃料在存儲過程中，揮發(fā)份、水分也受外界環(huán)境因素影響較大。④人工數(shù)據(jù)不具備連續(xù)性，不能真實反應(yīng)入爐煤的真實情況。⑤數(shù)據(jù)與計算機控制系統(tǒng)接口困難，魯棒性差。

1.2 熱值對控制的作用

電廠設(shè)計和調(diào)試中，都按照設(shè)計煤種進行施工?？刂坪瘮?shù)也根據(jù)設(shè)計煤種來確定，特別是直流爐的控制中，水、煤都根據(jù)設(shè)計熱值來初步確定，調(diào)試中，各種參數(shù)也根據(jù)設(shè)計要求進行調(diào)試。當(dāng)煤質(zhì)偏離設(shè)計值較遠時，導(dǎo)致各種控制量運行在函數(shù)曲線的末端位置，控制品質(zhì)大打折扣。為解決這個問題，目前都采用熱值校正方案。

理論上：在邏輯里用設(shè)計煤種熱值Q1和燃煤熱值Q2得出熱值系數(shù)k1利用已知的熱值，通過換算，轉(zhuǎn)化為當(dāng)量的煤量。具體表達式為m=M*K（m：當(dāng)量的設(shè)計煤種重量，M實際煤量）。這樣，可以是控制優(yōu)化，控制參數(shù)處在最優(yōu)位置。其中，Q1是固定值，故只需確定Q2即可。

由于目前沒有合理手段對Q2測量，目前電廠采用手動設(shè)定BTU（即K值），或者采用逐步校正的方法。即用當(dāng)前需煤量/設(shè)計煤量的方案。這屬于滯后式的補償方式，可以基本滿足煤種在不劇烈的運行情況下的變化量。

1.3 現(xiàn)狀

近年來，由于種種市場原因，各電廠燃料緊張，燃燒的煤種繁多。玉環(huán)電廠燃燒煤種因為交通只能海運，所以煤種更為繁雜，燃燒煤種有華能能交煤、印尼煤、優(yōu)混煤、扎來諾爾煤、南非煤、俄羅斯煤等，不同的煤質(zhì)所產(chǎn)生的熱值不同，產(chǎn)生的灰分也不同。給電廠的優(yōu)化控制和經(jīng)濟運行帶來較大的考驗，如何提前預(yù)知燃料的熱值情況，根據(jù)實際情況進行調(diào)整，提高機組的經(jīng)濟性成為越來越迫切的問題。

2工程概述

2.1 系統(tǒng)簡介

煤種煤質(zhì)在線識別系統(tǒng)突破以往傳統(tǒng)的測量方式，采用燃燒全實時分析化驗；煤種煤質(zhì)在線識別系統(tǒng)基于上述全光譜段全息火焰檢測裝置將燃燒器火焰特征（全息技術(shù)）傳送到高級建模工具（結(jié)合華北電力大學(xué)燃燒模型的經(jīng)驗），開發(fā)出實時-高效-自適應(yīng)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型，對采集的近火焰特征數(shù)據(jù)進行處理，得出準確的煤質(zhì)/煤種；該技術(shù)是基于計算機技術(shù)和控制技術(shù)的智能化系統(tǒng)，對火焰特征數(shù)據(jù)進行實時采集、放大、傳送、分析和處理，實時監(jiān)測現(xiàn)場火焰得到燃煤信息。

2.2 原理

2.2.1 全光譜光電火焰檢測技術(shù)

全光譜光電火焰檢測裝置具有光電掃描、全光譜特征測量、痕跡跟蹤的先進功能?？捎糜谧R別燃煤種類、監(jiān)測火焰穩(wěn)定性和燃燒工況等。

2.2.2 實時-高效-自適應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

從煤的燃燒機理入手，開發(fā)出火焰特征與煤質(zhì)/煤種模型，通過建模、多維數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫管理等方式進行入爐煤種的辨識。

2.3 安裝

2.3.1 結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)使用效果的因素除了設(shè)備本身的性能外，設(shè)備的安裝也是非常關(guān)鍵的因素。此次設(shè)備安裝在不影響正常生產(chǎn)的前提下進行設(shè)計，共安裝了三個探頭，分別布置在#3機組鍋爐的B、D、F層。探頭冷卻風(fēng)取自爐膛火檢冷卻風(fēng)系統(tǒng)，單個探頭冷卻風(fēng)風(fēng)量為0.4m3/min。

探頭通過9針信號電纜與就地控制箱相連，經(jīng)過就地控制箱放大處理的信號，通過高屏蔽12芯通訊電纜送入#3電子間內(nèi)擺放的（OFIS）控制機柜。

電子間內(nèi)機柜可通過硬鏈接方法與DCS系統(tǒng)相連亦可通過RJ45進入內(nèi)網(wǎng)控制，將數(shù)據(jù)送給SIS系統(tǒng)或MIS系統(tǒng)。火焰特征轉(zhuǎn)化成光電信號，進入采集系統(tǒng)，通過放大過濾后送到光譜分析及建模軟件單元，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自我辨識過程，得出煤種特性。

2.3.2 探頭安裝

根據(jù)鍋爐的實際結(jié)構(gòu)和燃燒器的布置方式選擇合適的位置，理想的位置是保證能夠很好地觀測所檢測燃燒器的火焰狀態(tài)，同時又不會看到相鄰或相對燃燒器的火焰，并且看到的是整個火焰的前1/3處的火焰初燃區(qū)，即紫外線輻射最強的位置。

2.4 現(xiàn)場遇到的困難及解決方法

現(xiàn)場磨煤機出口處沒有預(yù)留口，也沒有煤粉采樣裝置，所以我們通過現(xiàn)場分析和測量，利用煤粉管上的防堵觀察口進行取樣，確保煤樣采集能正常進行。

3運行調(diào)試

3.1 在線煤質(zhì)辨識系統(tǒng)試驗運行綜述

#3機組正常運轉(zhuǎn)后，從2010年1月7日正式開始試驗運行。綜合考慮各方面因素，選取探頭2和探頭3為重點實驗對象，探頭1作為對比參考使用。系統(tǒng)持續(xù)運行30余天，這期間探頭2共采集化驗煤樣332個，探頭3共采集化驗煤樣345個。通過試驗運行期間的情況來看，在線煤質(zhì)辨識系統(tǒng)的軟件和硬件部分運行非常穩(wěn)定。

3.2 探頭試驗運行情況分析

3.2.1 熱值樣本統(tǒng)計分布

針對探頭2所采集的332個煤樣，化驗結(jié)果根據(jù)熱值區(qū)間統(tǒng)計分布如右圖1中所示

圖1是針對探頭2采集化驗的332個煤粉樣本根據(jù)100大卡/kg的跨度分為9個熱值區(qū)間，每個熱值區(qū)間中包含的已采集和化驗的煤粉樣本點數(shù)的統(tǒng)計的統(tǒng)計數(shù)據(jù)所得出的分布圖，可以直觀地看出，熱值樣本的統(tǒng)計分布近似呈正態(tài)分布，且熱值區(qū)間在5900～6400范圍內(nèi)的樣本點總共有270個樣本點，占總樣本點的81.3%。這也符合理論和實際情況，即熱值在兩端（熱值很高和熱值很低）的煤占少數(shù)，絕大部分的煤的熱值都是在中間區(qū)間內(nèi)分布。

3.2.2 試驗運行的樣本數(shù)據(jù)分析

結(jié)合人工相關(guān)理論和現(xiàn)場的實際情況，我們將332個樣本點的熱值和相對應(yīng)的特征數(shù)據(jù)分為兩個部分，一部分特征數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)庫中用于在線煤質(zhì)辨識系統(tǒng)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，讓系統(tǒng)“認識”現(xiàn)在正在燃燒的煤質(zhì)。另一部分的特征數(shù)據(jù)用于辨識正在燃燒的煤質(zhì)之后，在系統(tǒng)進行辨識的時候就會“認出”這種已經(jīng)學(xué)習(xí)過的煤質(zhì)，從而得出煤質(zhì)相應(yīng)的熱值等信息。辨識系統(tǒng)對煤質(zhì)熱值的分析辨識結(jié)果的平均絕對偏差為1.78%，最小誤差能夠達到0.01%。且熱值區(qū)間在5900～6400之間的數(shù)據(jù)辨識結(jié)果較準確，這與圖1中的熱值樣本統(tǒng)計分布圖中熱值樣本的分布情況相吻合。分析少量數(shù)據(jù)誤差較大的原因，得出以下結(jié)論。

（1）由于實際情況的約束，無法得到和火焰特征信息相對應(yīng)的瞬時煤質(zhì)化驗結(jié)果，而是采用了將一段時間內(nèi)（3min）采集的煤樣進行混合的化驗結(jié)果和對應(yīng)的3min的特征數(shù)據(jù)對應(yīng)，就相當(dāng)于將此3min內(nèi)數(shù)據(jù)強制平均為已得到的化驗結(jié)果，即用于訓(xùn)練和學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)本身存在誤差，這是由于煤質(zhì)本身燃燒火焰出現(xiàn)了偏差且離散性大造成的“認錯和認偏”的情況。

（2）由于熱值樣本分布的問題，導(dǎo)致了部分熱值樣本點偏少，也就是相對應(yīng)的特征數(shù)就會偏少，容易受到其他樣本點多的數(shù)據(jù)的影響，此問題可通過一段時間的采樣之后該樣本點逐漸增多得到改善。

4結(jié)論

綜合在線煤質(zhì)辨識系統(tǒng)試驗運行情況的分析，得出如下結(jié)論。

（1）經(jīng)過長時間的試驗運行，在線煤質(zhì)辨識系統(tǒng)軟件和硬件都非常穩(wěn)定并且運行正常，安全性穩(wěn)定性較高，可以在電廠中推廣運用。

（2）由于兩端樣本點的偏少和煤質(zhì)本身離散性大的原因，熱值區(qū)間在5900～6400之間的辨識結(jié)果較為準確，全區(qū)間內(nèi)辨識的平均準確度為98%以上，平均絕對偏差為1.78%，最小誤差能夠達到0.01%。

（3）系統(tǒng)雖然存在一定的誤差，但是系統(tǒng)的綜合準確性較高，已在系統(tǒng)設(shè)計誤差范圍內(nèi)，想要進一步提高系統(tǒng)準確度需要在運行中逐步增加煤質(zhì)樣本點的采集，增加煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的樣本量，可以達到進一步提高系統(tǒng)精度的目的。

參考文獻

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[3] OFIS煤質(zhì)在線檢測.白皮書.