燃煤電廠燃料系統(tǒng)煤場數(shù)字化管理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉華煒，黃 偉，許 杰

(1.上海工業(yè)自動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，電力市場競爭日趨激烈，全行業(yè)都面臨降本增效的問題。燃?xì)狻⑷济弘姀S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。國內(nèi)的電力運(yùn)營體系較為傳統(tǒng)，在可靠性和穩(wěn)定性上并無問題，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)器決策的過程[2]。

燃煤機(jī)組發(fā)電是用煤大戶，對燃煤的精度計(jì)量和管理，不僅能夠進(jìn)行成本核算、提高經(jīng)營管理效益，而且對節(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，主要是對碼頭卸煤、煤場儲煤、原煤倉加倉等主要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化統(tǒng)計(jì)管理。而煤場是燃料存儲的核心區(qū)，煤場的數(shù)字化管理[2]，煤場入庫-堆存-出庫等數(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)過程的可控性、減少人工干預(yù)、及時(shí)正確地采集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。這些生產(chǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過網(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、跨平臺的資源實(shí)時(shí)共享，進(jìn)而利用智能專家系統(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)煤場概況

燃煤電廠通常設(shè)置兩個(gè)煤場A、B。A煤場的煤由皮帶輸送機(jī)A輸送，B煤場的煤由皮帶輸送機(jī)B輸送。兩臺斗輪堆取料機(jī)分別在A煤場、B煤場的皮帶輸送機(jī)上行走，通過斗輪的不同轉(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存儲，或?qū)⒚河擅簣鲚斔椭猎簜}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),分流(即邊卸船邊加倉),通過(即由碼頭直通加倉至原煤倉)?，F(xiàn)場實(shí)際工況為斗輪機(jī)A工作在A煤場，A煤場分成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、通過工作。斗輪機(jī)B工作在B煤場，工作方式及煤場劃分同A煤場。堆料、取料、分流三種工況均涉及煤場存煤量的變化，而“通過”工況是從碼頭卸船機(jī)直接加倉至煤倉，不經(jīng)過煤場。因此“通過”工況不會影響煤場存儲煤量的改變。

煤場數(shù)字化管理是以實(shí)現(xiàn)煤場存儲信息的數(shù)字化管理為目標(biāo)，通過相應(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)，對煤場的進(jìn)出場動態(tài)及煤流量，各煤場的煤種儲量進(jìn)行數(shù)字化統(tǒng)計(jì)、存儲。這種方式使煤場管理人員、燃料系統(tǒng)運(yùn)行人員、發(fā)電運(yùn)行人員能夠及時(shí)掌握煤場存儲的動態(tài)情況，提高燃料生產(chǎn)過程的安全性、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)營發(fā)電情況。燃料系統(tǒng)煤場工況示意圖如圖1所示。

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

2 煤場數(shù)字化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 斗輪機(jī)工作位置定位

煤場存儲煤量的變化，與煤場皮帶輸送機(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存儲動態(tài)數(shù)據(jù)建模的關(guān)鍵。

引入三維坐標(biāo)的概念，將煤場進(jìn)行數(shù)字化的設(shè)計(jì)，在A、B煤場分別建立一個(gè)立體的三維坐標(biāo)系。以A煤場為例，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)煤場實(shí)際的堆煤情況和煤種進(jìn)行人為劃分，并由專業(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)在煤場工作，即處于煤場的立體三維坐標(biāo)系中，可以得到精確的工作旋轉(zhuǎn)斗輪的坐標(biāo)。通過對工作旋轉(zhuǎn)斗輪的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)與煤場坐標(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，再通過對皮帶輸送機(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)兩臺斗輪機(jī)分別在兩個(gè)煤場八個(gè)煤堆堆料、取料、分流、通過四種工況的確定。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 煤場煤量的計(jì)算

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

針對燃料系統(tǒng)現(xiàn)場卸煤、加倉生產(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)量入場煤皮帶秤、出場煤皮帶秤A和出場煤皮帶秤B的累計(jì)數(shù)據(jù)。一個(gè)皮帶秤對應(yīng)一個(gè)計(jì)數(shù)器。每個(gè)計(jì)數(shù)器無條件地對皮帶秤脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)。這樣可以保證計(jì)數(shù)器與操作無關(guān)，以及煤場的入場煤量與出場煤量的總數(shù)是絕對正確性。

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

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

(1)

式中：G入場煤皮帶秤(t)為t時(shí)刻保存至對應(yīng)煤堆的入場煤皮帶秤瞬時(shí)量；t1、t2分別為堆料計(jì)量開始與結(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，將入場煤皮帶秤新增數(shù)據(jù)分配至相應(yīng)煤堆入場煤存儲器中，即可完成相應(yīng)煤堆的入場煤量的統(tǒng)計(jì)。

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

(2)

式中：G出場煤皮帶秤A/B(t)為t時(shí)刻保存至對應(yīng)煤堆的出場煤A/B皮帶秤瞬時(shí)量；t1、t2分別為取料計(jì)量開始與結(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，將出場煤皮帶秤A或出場煤皮帶秤B的新增數(shù)據(jù)分配至相應(yīng)煤堆出場煤A路或B路存儲器中，即可完成相應(yīng)煤堆的出場煤量的統(tǒng)計(jì)。

分流/直通工況時(shí)，入場煤量統(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去燃燒，對于煤場出場煤煤量而言是不發(fā)生變化的。因此，分流與直通工況下不需考慮出場煤的統(tǒng)計(jì)。

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

“分流”和“直通”工況均會經(jīng)過入場煤皮帶秤，即入場煤皮帶稱會進(jìn)行同步累計(jì)計(jì)量。因此，入場計(jì)數(shù)存儲器數(shù)據(jù)的變化，與“堆料”工作狀態(tài)相同。當(dāng)入場煤皮帶稱累計(jì)計(jì)量時(shí)，將計(jì)量數(shù)據(jù)分配至當(dāng)前工作煤堆的入場計(jì)數(shù)存儲器中即可。而出場煤皮帶稱也會進(jìn)行同步累計(jì)計(jì)量。但在此工況下，當(dāng)出場煤皮帶稱累計(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)存儲器中。計(jì)算入場煤量時(shí)，需要將入場煤皮帶秤的數(shù)據(jù)減去直通量計(jì)數(shù)存儲器數(shù)據(jù)。因此，在分流與直通兩種工況下，對直通量的統(tǒng)計(jì)是關(guān)鍵。將這兩種工況作為相同的工況來進(jìn)行入場煤的計(jì)量，對于入場煤皮帶秤數(shù)據(jù)計(jì)量的編程可以更簡潔，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)場投運(yùn)中遇到的問題

由于出場煤皮帶秤安裝位置與煤場的距離較遠(yuǎn)，由煤場輸送出來的煤流要經(jīng)由幾條出場皮帶后，方可到達(dá)出場煤皮帶秤進(jìn)行稱重?，F(xiàn)場投運(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)過程中不同班次操作會出現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)量偏差較大的情況，需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工藝運(yùn)行工況對程序進(jìn)行完善。

首先，對發(fā)生誤差的重要信號加入關(guān)鍵信號處理程序，對這些信號在操作過程中進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)保持和濾波。根據(jù)出場皮帶輸送機(jī)的工藝參數(shù)，計(jì)算煤場與出場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)長度/皮帶輸送機(jī)帶速。煤場與出場煤皮帶秤之間的每條出場皮帶輸送機(jī)均應(yīng)設(shè)置運(yùn)行信號的濾波時(shí)間，皮帶輸送機(jī)的濾波時(shí)間是與出場煤皮帶秤之間下游皮帶輸送機(jī)的濾波時(shí)間之和，電動三通位置信號的濾波時(shí)間等于電動三通與出場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)信號的濾波時(shí)間等于煤場與出場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)濾波存儲器均設(shè)A路和B路，對應(yīng)出場煤皮帶秤A和出場煤皮帶秤B。當(dāng)所對應(yīng)的出場皮帶秤瞬時(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。通過幾個(gè)月反復(fù)的現(xiàn)場測試運(yùn)行，每天記錄所有工況下的煤場數(shù)據(jù)，并與手動記錄的數(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)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用

通過Historian[4]數(shù)據(jù)庫對煤場入庫-堆存-出庫等統(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Historian歷史數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的調(diào)用。通過簡易操作，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)間間隔的煤場入庫-堆存-出庫等統(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生成EXCEL數(shù)據(jù)報(bào)表文件，支持打印備份功能，為用戶對系統(tǒng)的評估和進(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)控畫面開發(fā)維護(hù)程序[4]，維護(hù)工程師可以通過上位機(jī)操作界面對Historian數(shù)據(jù)庫進(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，不會影響計(jì)算機(jī)的性能。

4 結(jié)論

燃料系統(tǒng)煤場數(shù)字化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是對煤場進(jìn)行數(shù)字化的設(shè)計(jì)，為煤場建立虛擬三維坐標(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)煤場的每個(gè)煤堆，形成一套 “入庫-堆存-出庫”的動態(tài)算法。利用歷史數(shù)據(jù)庫，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)字化煤場的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5]，傳送給廠級安全功能系統(tǒng)(safety instrument system，SIS)和廠級數(shù)據(jù)專家分析系統(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]、跨平臺的資源實(shí)時(shí)共享，利用智能專家系統(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)。