智慧燃料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

張?zhí)m慶 張來祖 侯建國(guó) 康夜雨 李劍

（1.華能國(guó)際電力股份有限公司德州電廠，山東德州 253000；2.四川能為環(huán)?？萍加邢薰荆拇ǔ啥?610074）

0 引言

電力行業(yè)作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，其是否穩(wěn)定運(yùn)行決定著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展能否得到保障?，F(xiàn)階段，我國(guó)具有較為豐富的發(fā)電形式，主要包含火力、水力、風(fēng)力、核電和太陽能等，火力和水力作為主要發(fā)電形式，發(fā)電量總和占據(jù)總發(fā)電量的90%以上，其中火力發(fā)電則占70%以上，且因水力發(fā)電存在周期波動(dòng)，使火電作為主力發(fā)電形式的現(xiàn)狀難以改變。而火力發(fā)電是通過燃煤實(shí)現(xiàn)的，其發(fā)電成本易受到煤炭市場(chǎng)的制約，且燃煤帶來的資源消耗、環(huán)境污染也成為關(guān)注的重點(diǎn)，加之配售電市場(chǎng)開放，加劇了電力行業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。面對(duì)激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，燃煤電廠需降低發(fā)電成本、提升生產(chǎn)效率，以滿足系統(tǒng)對(duì)電源靈活性的要求[1]。

鑒于燃料成本占據(jù)發(fā)電企業(yè)發(fā)電成本70%的現(xiàn)狀，結(jié)合我國(guó)“西煤東運(yùn)、北煤南運(yùn)”的煤炭運(yùn)輸方式，電廠無法獲得完全滿足廠內(nèi)發(fā)電負(fù)荷要求且價(jià)格便宜的單一煤種，因此電廠對(duì)就近煤礦的多種煤質(zhì)燃煤的混合摻燒成為了降低成本的關(guān)鍵[2]。而不同煤種燃煤的摻配比例、煤場(chǎng)的最優(yōu)化利用、采購計(jì)劃的提前制定成為鍋爐及其他發(fā)電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，也是電廠廢棄物排放符合環(huán)保要求以及發(fā)電成本滿足市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求的核心。燃煤摻配方案的制定、煤場(chǎng)優(yōu)化分區(qū)、燃燒評(píng)價(jià)反饋以及采購監(jiān)管是廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的重點(diǎn)工作，而各功能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)均需依靠智慧燃料系統(tǒng)[3]。因此，智慧燃料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化是提高電廠生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)保障。

1 智慧燃料系統(tǒng)建設(shè)的必要性

傳統(tǒng)的燃煤摻配方案則是由電廠運(yùn)行人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)所確定的。該摻配方案的確定對(duì)運(yùn)行人員的要求較高，沒有確定的摻配原則，無法保證摻配的精確性及經(jīng)濟(jì)性，且該方法僅對(duì)穩(wěn)定來煤有效，一旦廠內(nèi)采購新煤種則會(huì)為摻配帶來較大難度，也會(huì)造成一定的燃煤摻燒風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，電廠還存在煤場(chǎng)管理混亂、燃煤堆放區(qū)域不明確、堆放量不足、燃煤堆放周期長(zhǎng)、煤場(chǎng)空間利用不充分等問題，甚至還會(huì)因燃煤堆放時(shí)間過長(zhǎng)而引發(fā)料堆自燃等問題，危害煤場(chǎng)安全，且燃料管理方面沒有完善的系統(tǒng)，使燃料的信息更新不及時(shí)或存在錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，進(jìn)而使燃煤摻燒和采購擬定過程缺少準(zhǔn)確、直觀的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)如今，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，燃煤電廠實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化運(yùn)行成為必然趨勢(shì)，而智能發(fā)電、智慧電廠的發(fā)展應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)電廠信息深度融合的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)燃煤精確摻配的保障[4-5]。因燃煤摻配方案和采購意見的制定需綜合考慮燃煤煤質(zhì)、煤價(jià)、煤場(chǎng)燃煤存量、來煤計(jì)劃、發(fā)電負(fù)荷、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等影響因素，現(xiàn)增設(shè)燃料信息管理平臺(tái)、數(shù)字化煤場(chǎng)監(jiān)管平臺(tái)、燃燒評(píng)價(jià)監(jiān)管平臺(tái)和智慧采購監(jiān)管平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)燃煤由入廠到入爐的全流程管控和煤場(chǎng)內(nèi)庫存監(jiān)管與分區(qū)優(yōu)化，保證燃料信息得以全面及時(shí)反饋，保證煤場(chǎng)燃煤的安全有序堆放。該智慧燃料系統(tǒng)一方面可為燃煤摻配方案的精細(xì)化制定提供準(zhǔn)確、詳盡的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保證摻燒過程的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性；另一方面減少煤場(chǎng)內(nèi)因堆放時(shí)間長(zhǎng)而造成的煤損、煤燃等問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)煤場(chǎng)的最大化利用，為電廠提供高效經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的可能。

2 智慧燃料系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

智慧燃料系統(tǒng)以燃煤的智能化摻配混燒為核心，利用綜合信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能控制技術(shù)，建立了燃料由采購、運(yùn)輸、到廠、儲(chǔ)存、摻配、燃燒全流程、全周期的智能化管控，是集燃煤信息管理、燃料設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、燃煤決策制定功能于一體的智慧化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將分散的生產(chǎn)設(shè)備、業(yè)務(wù)流程按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管控，可依據(jù)生產(chǎn)過程的決策目標(biāo)和實(shí)際運(yùn)行分析，通過閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)燃煤摻配方案的精確制定和燃煤采購需求的準(zhǔn)確預(yù)知，使廠內(nèi)發(fā)電成本、燃煤煤質(zhì)、鍋爐運(yùn)行和廢棄物排放等信息數(shù)據(jù)間得以最佳耦合，在復(fù)雜來煤、多種煤質(zhì)的情況下實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理煤場(chǎng)和智能燃煤摻燒[6-7]。智慧燃料系統(tǒng)的目標(biāo)如下。

（1）燃煤摻配的智能化。根據(jù)機(jī)組負(fù)荷要求、來煤計(jì)劃、煤場(chǎng)存煤等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用高效算法，自動(dòng)生成燃煤摻配方案和斗輪機(jī)運(yùn)行指令，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)的自動(dòng)化燃煤分層堆疊摻配。

（2）數(shù)據(jù)信息的全面化。通過對(duì)入廠煤、煤場(chǎng)存煤、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、煤場(chǎng)狀態(tài)等信息的全流程采集，實(shí)現(xiàn)電廠生產(chǎn)信息的全面化統(tǒng)計(jì)，并利用數(shù)據(jù)處理、去噪、轉(zhuǎn)化等技術(shù)，將各狀態(tài)數(shù)據(jù)通過三維圖表的形式直觀地進(jìn)行展示，保證運(yùn)行人員隨時(shí)了解燃煤使用信息和生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)燃煤流程的量、質(zhì)、價(jià)等信息的精準(zhǔn)追蹤，為優(yōu)化采購意見提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）煤場(chǎng)管理的數(shù)字化。利用煤場(chǎng)分層模型對(duì)煤場(chǎng)進(jìn)行數(shù)字化分層管理，其依據(jù)電廠實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行將煤場(chǎng)劃分為若干區(qū)域，提高煤場(chǎng)空間利用率，為燃煤摻配過程的實(shí)施提供保障。同時(shí)可實(shí)時(shí)更新煤場(chǎng)中煤質(zhì)、煤量、煤種、堆存時(shí)間、煤場(chǎng)溫度等監(jiān)測(cè)信息，對(duì)堆放時(shí)間較長(zhǎng)的燃煤優(yōu)先使用，保證煤場(chǎng)的安全生產(chǎn)，且上述監(jiān)測(cè)信息要具有可追溯性，為煤場(chǎng)的安全運(yùn)行提供保障。

（4）設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)對(duì)燃煤的自動(dòng)化摻配以及輸煤系統(tǒng)各設(shè)備的無縫連接，其利用監(jiān)控設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸技術(shù)實(shí)時(shí)記錄、反饋現(xiàn)場(chǎng)斗輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和煤場(chǎng)內(nèi)的存煤狀態(tài)，根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)被控裝置的運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)也可根據(jù)反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)啟停，以保證設(shè)備的高效運(yùn)行和廠內(nèi)的安全生產(chǎn)。

（5）決策的自動(dòng)優(yōu)化。建立煤種綜合經(jīng)濟(jì)性計(jì)算模型，對(duì)煤種燃燒性能進(jìn)行分析，定量給出燃用不同煤種時(shí)的綜合單位發(fā)電燃料成本，根據(jù)燃料成本、煤場(chǎng)存煤結(jié)構(gòu)、市場(chǎng)煤信息，結(jié)合機(jī)組燃料耗用模型，提出燃煤采購建議，廠內(nèi)可依據(jù)采購意見完成燃煤的采購，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)來煤的可預(yù)測(cè)性和發(fā)電成本的最小化目標(biāo)。

3 智慧燃料系統(tǒng)主體功能

智慧燃料系統(tǒng)的核心是燃煤摻配混燒，其旨在通過對(duì)燃煤全周期信息監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)人員、設(shè)備、燃煤和平臺(tái)之間的相互連通，進(jìn)而保證電廠高效率生產(chǎn)運(yùn)行、低成本發(fā)電，提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。該系統(tǒng)依托數(shù)據(jù)采集監(jiān)控、計(jì)算機(jī)模型建立和數(shù)值模擬計(jì)算實(shí)現(xiàn)煤場(chǎng)的數(shù)字化管理、燃煤摻配方案的最優(yōu)化制定和燃煤采購意見的合理化提出，而上述3 種功能的實(shí)現(xiàn)不僅保證了入爐混煤符合安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的要求，而且還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的可視化展示，為運(yùn)行人員下達(dá)精確、及時(shí)的燃運(yùn)調(diào)度提供保障。其具體的功能實(shí)現(xiàn)流程如下。

3.1 煤場(chǎng)數(shù)字化管理

煤場(chǎng)數(shù)字化管理是將煤場(chǎng)內(nèi)的燃煤信息、設(shè)備運(yùn)行工況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)以三維圖表的形式顯示至控制室，以保證煤場(chǎng)內(nèi)設(shè)備安全運(yùn)行、燃煤安全堆放。除信息采集展示外，煤場(chǎng)的合理化分區(qū)利用，既是煤場(chǎng)管理的關(guān)鍵，也是燃煤有序堆放的保證。煤場(chǎng)分區(qū)是以電廠的煤源分類、煤質(zhì)分類以及燃煤摻配要求為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)存煤制度，遵循存新取舊、堆取料便捷等原則，將煤場(chǎng)劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域可以存放單一或多種來煤，同時(shí)設(shè)置臨時(shí)應(yīng)急堆放區(qū)，以堆放非常規(guī)來煤煤種，最終實(shí)現(xiàn)煤場(chǎng)的藥匣子式管理。

為保證燃煤摻配的均勻性和電廠智能化改造的便捷性，通過利用電廠原有的斗輪機(jī)設(shè)備完成燃煤摻配，其摻配方式是通過利用斗輪機(jī)對(duì)不同特性的燃煤進(jìn)行分層堆疊，由此煤場(chǎng)分區(qū)顯得尤為重要。其中，堆煤區(qū)域的選擇遵循以下原則：若多個(gè)區(qū)域滿足堆放摻配需求時(shí)，選擇最近的區(qū)域進(jìn)行燃煤堆料摻配；若單個(gè)區(qū)域無法滿足一個(gè)批次的堆放摻配要求時(shí)，則將堆放任務(wù)分解為多個(gè)任務(wù)進(jìn)行堆放摻配，堆放分解時(shí)按照最小堆放次數(shù)進(jìn)行分解。

3.2 燃煤智能化摻配

燃煤智能化摻配旨在解決單位發(fā)電耗煤量大、發(fā)電成本高的問題，為適應(yīng)燃煤分布不均、到廠煤煤質(zhì)復(fù)雜的現(xiàn)狀，對(duì)不同特性的燃煤進(jìn)行摻配混合，一方面保證入爐煤煤質(zhì)滿足發(fā)電負(fù)荷、鍋爐運(yùn)行需求，另一方面調(diào)控燃料成本，保證發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。該摻配過程的關(guān)鍵是計(jì)算燃煤摻配比例，確定燃煤摻配方案，下發(fā)燃煤摻配指令，其具體流程如下。

3.2.1 燃煤摻配方案制定與優(yōu)化

燃煤摻配方案的制定依托數(shù)字化煤場(chǎng)中的監(jiān)測(cè)技術(shù)，在線收集獲取燃煤信息、設(shè)備信息和環(huán)保信息等數(shù)據(jù)，根據(jù)廠內(nèi)歷年年度、季度、月度的鍋爐負(fù)荷趨勢(shì)得出鍋爐負(fù)荷參數(shù)，而后以燃煤信息、鍋爐負(fù)荷為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以設(shè)備信息和環(huán)保信息為約束條件，利用模型進(jìn)行數(shù)據(jù)整合計(jì)算，確定各燃煤摻配比例，并以雷達(dá)圖的方式顯示各種摻配結(jié)果。其中，燃煤信息包含燃煤的礦點(diǎn)信息（包含之前廠內(nèi)可購買到但因煤質(zhì)原因無法使用而未進(jìn)行購買的燃煤）、燃煤煤質(zhì)、燃煤量、燃煤物性參數(shù)（揮發(fā)分、發(fā)熱量、灰分、水分、硫分、灰熔點(diǎn)）以及燃煤燃燒特性（著火特征、燃盡特征、結(jié)渣特征）等；設(shè)備信息包含除塵系統(tǒng)可處理的最大含塵量、脫硫系統(tǒng)容許的最大煙氣含硫量以及磨煤系統(tǒng)的最大出力信息；環(huán)保信息包含排放煙氣中的硫氧化物、氮氧化物含量。

該方案制定過程中可根據(jù)廠內(nèi)現(xiàn)有煤種以及廠內(nèi)可購買煤種得出不同的摻配比例和摻配組合，實(shí)現(xiàn)各摻配的成本對(duì)比，以獲取最優(yōu)摻配比例方案，同時(shí)為后期廠內(nèi)燃煤采購做指導(dǎo)。同時(shí)，制定的摻配方案中不同特性燃煤的摻配比例存在安全區(qū)，摻配量在安全區(qū)內(nèi)均可保證摻燒的安全穩(wěn)定性，且根據(jù)摻配方案完成燃煤摻配和摻燒后，可實(shí)時(shí)向控制系統(tǒng)反饋輸煤系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、鍋爐工況以及排放的煙氣污染物含量，并將其作為下一次方案制定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)摻配方案的優(yōu)化，使摻配方案在滿足安全、環(huán)保的條件下，降低成本，提升燃煤發(fā)電的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3.2.2 燃煤摻配方案的校核模擬與執(zhí)行

燃煤摻配方案制定完成后并非直接下發(fā)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是依據(jù)歷史存儲(chǔ)配煤方案和鍋爐運(yùn)行工況反饋等參數(shù)對(duì)新方案進(jìn)行校核，校核完成后利用模擬軟件對(duì)方案進(jìn)行模擬堆疊，并輸出燃煤堆疊圖，堆疊圖中顯示燃煤在煤場(chǎng)中的堆疊位置、各煤種燃煤的堆疊厚度以及斗輪機(jī)的行走、堆疊等參數(shù)，堆疊圖完成后將方案與圖輸送至執(zhí)行模塊，由斗輪機(jī)自動(dòng)完成燃煤的橫向平鋪、縱向垂直堆疊的“3D 打印”式燃煤摻配，該摻配過程所涉及的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和煤場(chǎng)狀態(tài)參數(shù)被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄，并通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)斗輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況隨時(shí)調(diào)控指令或直接緊急停止，以保證煤場(chǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行。

3.2.3 摻燒信息閉環(huán)反饋

燃煤于煤場(chǎng)完成分層堆疊摻配后，由斗輪機(jī)根據(jù)上料指令自動(dòng)完成混煤的取料，并將混煤輸送至鍋爐完成燃燒發(fā)電。燃煤混燒過程中會(huì)因煤質(zhì)原因造成鍋爐結(jié)焦、燃燒不穩(wěn)定、水冷壁高溫腐蝕等問題，通過對(duì)鍋爐燃燒工況進(jìn)行實(shí)測(cè)和評(píng)價(jià)，將信息閉環(huán)反饋至方案制定系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)行配煤摻燒方案的持續(xù)優(yōu)化調(diào)整，保證生產(chǎn)過程的安全運(yùn)行。

3.3 采購意見自動(dòng)優(yōu)化

燃煤摻燒的根本是降低燃煤發(fā)電成本，發(fā)電成本的決定性因素是燃料成本，優(yōu)化固定來煤摻配實(shí)現(xiàn)燃料成本的降低，減少單價(jià)高的燃煤耗量，引入就近煤礦新煤種，制定新的燃煤摻配方案，燃煤的采購單價(jià)、采購時(shí)期、采購量成為摻燒的基礎(chǔ)。為保證電廠穩(wěn)定發(fā)電，智慧燃料系統(tǒng)通過整合入爐煤?jiǎn)魏?、入爐煤耗（SIS 取機(jī)組功率）、入爐煤?jiǎn)蝺r(jià)（人工輸入采購單價(jià)、結(jié)算單價(jià)）等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電單價(jià)及煤耗的預(yù)測(cè)和分析功能，為電廠提前制定采購意見，該意見可自動(dòng)完成比對(duì)、校核、優(yōu)化，以滿足電廠發(fā)電負(fù)荷需求。同時(shí)，廠內(nèi)采購意見的提前制定，可實(shí)現(xiàn)到廠來煤的提前預(yù)知，為來煤后的接卸、堆放、摻配等操作預(yù)留了一定時(shí)間，可保證輸煤系統(tǒng)各生產(chǎn)作業(yè)流程的有序化進(jìn)行，為廠內(nèi)生產(chǎn)提供有序保障。

4 結(jié)語

因燃煤供應(yīng)不平衡、配售電市場(chǎng)開放導(dǎo)致燃煤電廠市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力大，加之現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展，促使電廠數(shù)字化管理、燃煤摻配智慧化成為必然趨勢(shì)。智慧燃料系統(tǒng)通過信息技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)和控制技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了廠內(nèi)信息的全面化采集、燃煤摻配方案的智能化制定、煤場(chǎng)的數(shù)字化管理與分區(qū)、設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行以及采購決策的自動(dòng)優(yōu)化等功能，為燃煤摻配提供了可靠的數(shù)據(jù)來源和安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的生產(chǎn)基礎(chǔ)，為電廠降本增效提供了技術(shù)和理論支持。