張元正

（國家電投河南電力有限公司沁陽發(fā)電分公司，河南 焦作 454550）

0 引言

在國民經(jīng)濟高速發(fā)展的過程中，電力提供了強有力的支撐，而火力發(fā)電在我國供電系統(tǒng)中仍占有較大比例。隨著大氣污染治理要求的提高，煤炭供應市場的供應鏈日趨緊張，供應價格也水漲船高，傳統(tǒng)的煤炭發(fā)電企業(yè)在管理模式、生產(chǎn)流程中有不少亟待解決的問題。本研究針對燃煤發(fā)電企業(yè)燃料管理、煤種的配煤摻燒及鍋爐運行控制中存在的問題，并結(jié)合沁陽發(fā)電公司的特點，設計一個火力發(fā)電企業(yè)燃料智能化管理系統(tǒng)，經(jīng)實際驗證，該系統(tǒng)能有效提高煤電企業(yè)的管理水平和生產(chǎn)效率［1］。

運用現(xiàn)代化、智能化技術(shù)，根據(jù)共享信息、提高集成度、科學摻配、管控智能化的原則，沁陽發(fā)電公司建成了煤場數(shù)字化管理、智能化配煤摻燒、全自動運行的燃料全流程智能化管理平臺，進一步提高燃料管理、存儲的全過程管理水平，同時可根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)營反饋的數(shù)據(jù)來指導燃料購買工作。沁陽發(fā)電公司將煤儲存在跨度219 m、長230 m的鋼結(jié)構(gòu)廠房內(nèi)，該廠房從北至南依次分為4個儲煤區(qū)、16個分區(qū)。根據(jù)燃煤硫分、揮發(fā)分、熱值特性，從而實現(xiàn)對煤種的分類存儲，最大儲煤量可達40萬t。

1 煤場數(shù)字化與智能化技術(shù)研究與應用

所有燃煤發(fā)電企業(yè)都面臨著封閉煤場精準感知的問題，即如何提高煤場監(jiān)控的存量和存煤質(zhì)量問題。針對該問題，本研究通過構(gòu)建煤場模型，同時開展以下工作。首先，利用三維激光盤煤技術(shù)來盤點每日煤炭消耗量，主要是利用激光測距技術(shù)。在封閉煤棚頂部安裝6臺激光掃描裝置，通過激光掃描裝置監(jiān)控來獲取每日存煤量的變化，進而獲取煤場整體點云數(shù)據(jù)。利用斗輪機運行機制，采用點云分割技術(shù)，獲得每日煤場高精度三維模型，比傳統(tǒng)的月度盤煤方式有了較大提高。其次，通過入場時的火車衡、汽車衡和皮帶秤數(shù)據(jù)，建立數(shù)字化存煤每日精準消耗量，并對數(shù)據(jù)進行分析和對比。通過燃料采制樣系統(tǒng)來獲取煤數(shù)據(jù)預報、入廠煤汽車衡稱量數(shù)據(jù)以及火車衡稱量數(shù)據(jù)，再加上每日消耗皮帶秤數(shù)據(jù)，能最大程度計量每日來煤質(zhì)量、每日消耗質(zhì)量，同時結(jié)合上一體存煤量，逐一累加后便能獲得當前煤場存煤質(zhì)量［2］。將該方法獲得的存煤質(zhì)量數(shù)據(jù)和三維激光盤煤獲得的存煤體積數(shù)據(jù)進行對比，同時煤場管理人員根據(jù)各儲煤分區(qū)體積量、邊，能清晰準確地掌握煤場單日庫存變動情況，為公司配煤和鍋爐摻燒提供準確的燃煤數(shù)據(jù)，從而提高煤場精細化管理。最后，利用局部三維點云成像技術(shù)、高精度冗余定位技術(shù)，輔助斗輪機逐步實現(xiàn)從半自動到全自動推取物料的安全操作。通過煤場的三維點云模型，結(jié)合煤場自動化作業(yè)規(guī)律，對煤場數(shù)據(jù)進行充分分析，在斗輪機作業(yè)過程中生成前饋信號，從而實現(xiàn)提高作業(yè)精度和防止碰撞事故的發(fā)生。

綜上所述，沁陽發(fā)電公司研制的數(shù)字化煤場技術(shù)為智能化配煤摻燒提供數(shù)據(jù)基礎，數(shù)字化煤場總貌如圖1所示。

2 配煤摻燒智能化技術(shù)研究與應用

一般情況下，為了提升配煤的經(jīng)濟性，往往采用若干種煤料摻燒的方式，沁陽發(fā)電公司為了進一步提升配煤的經(jīng)濟性，挖掘環(huán)保潛力，結(jié)合自身廠區(qū)的存煤特點，改變分倉摻燒方式，有效提升煤料使用的經(jīng)濟性。同時，根據(jù)不同工況提供相應的運行方案，合理控制煤硫分，從而使爐膛出口污染物含量能有效降低［3］。

圖1 數(shù)字化煤場總貌

2.1 通過配煤摻燒試驗和大數(shù)據(jù)分析，基于每日配煤價格變動來建立每日配煤摻燒數(shù)據(jù)庫

受市場供需關(guān)系波動和政府政策引導，國內(nèi)煤炭每日價格波動較大。從降低企業(yè)生產(chǎn)成本的角度出發(fā)，要建立有效的煤炭價格監(jiān)控體系，進一步建立全煤種每日配煤摻燒知識庫。各種煤種混煤煤樣入場前，要基于廠區(qū)鍋爐燃燒性能來計算燃燒評價水平，然后對相關(guān)煤料進行工業(yè)分析、元素分析，并對焦渣特性、灰熔融特性和燃燒特性等進行分析，進而計算出相關(guān)煤料燃燒評價結(jié)果。結(jié)合鍋爐特點，以鍋爐正反平衡為原則來獲取鍋爐的生產(chǎn)效率指標，進而從安全、環(huán)保、經(jīng)濟、合理方面出發(fā)，實時評估配煤方案。

為了對不同負荷階段配煤規(guī)則的實時經(jīng)濟性進行分析，采用煤種溯源分析、數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以及穩(wěn)態(tài)判據(jù)算法，對原有配煤摻燒進行分析，同時借鑒其他單位的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，形成一套以生產(chǎn)工作為特征的配煤案例手冊。

通過對同邊界參數(shù)、同負荷段相關(guān)案例進行分析和建模，結(jié)合人工智能和聚類算法，同當日煤價相結(jié)合，再次對配煤經(jīng)濟性進行分析，生成基于案例庫和摻燒經(jīng)濟性分析的數(shù)據(jù)庫，完善增強閉環(huán)學習的目標，在大數(shù)據(jù)和人工智能算法方面，方便符合配煤規(guī)則的日均經(jīng)濟配煤方案的制訂，有效壓縮入倉煤種的經(jīng)濟成本［4］。

2.2 通過人工智能技術(shù)分析和配煤摻燒知識庫的數(shù)據(jù)支持，對設備進行操作，有效發(fā)揮指導作用

根據(jù)建成的數(shù)字化煤場、燃料路徑數(shù)字化編碼和動態(tài)識別，結(jié)合精準化煤種溯源分析算法，對發(fā)電機組的各個煤倉上料情況進行實時監(jiān)控。通過數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)對現(xiàn)有煤倉存儲數(shù)據(jù)的動態(tài)分析和效果展示，可實現(xiàn)對煤層切換、煤種切換的提前預報，從而實現(xiàn)減小負荷波動。

基于輸煤路徑尋優(yōu)技術(shù)的上倉方案，設計出的配煤摻燒系統(tǒng)可給出包括煤場內(nèi)取煤區(qū)域、鍋爐內(nèi)原煤倉倉號的上倉方案，該方案集合輸煤皮帶、犁煤器的優(yōu)先級，推薦輸煤路徑的最佳方案，此時執(zhí)行斗輪機可實現(xiàn)全自動取煤，輸煤皮帶全自動輸煤，進而完成智能摻配到數(shù)字化煤場智能取料的全流程控制。先從廠級監(jiān)控系統(tǒng)（SIS）獲取96點符合極化曲線，配煤人員可將該計劃曲線導入系統(tǒng)，或手動進行調(diào)整，根據(jù)經(jīng)驗對配煤方案進行適當優(yōu)化，如將原本的6個階段的全天配煤方案優(yōu)化為5個階段。生成配煤方案的過程，將結(jié)合煤場可用的煤種，根據(jù)專家知識庫，對每個生產(chǎn)時間段分配具體的配煤方案，其中包含煤量的預估、熱值、硫分、揮發(fā)分等混煤媒質(zhì)的主要參數(shù)以及各倉燒的煤類。一般情況下，一個倉一天只存放一種煤，假如某個煤倉一天更換多次煤，可在配煤日報中顯示多個作業(yè)序列。多個上煤任務自下而上排成序列，下發(fā)給斗輪機和輸煤皮帶。

該系統(tǒng)依據(jù)煤種溯源技術(shù)，在無人工干預的前提下，在倉內(nèi)完成配煤的自動下推，即利用煤場分區(qū)管理規(guī)則，根據(jù)斗輪機在煤場內(nèi)施工時輪斗的位置，能自動綁定當前煤類、煤量，從而實現(xiàn)對每個批次的原煤倉倉內(nèi)煤種、煤制的跟蹤，這些煤制被分為分區(qū)的平均煤質(zhì)。通過系統(tǒng)顯示儀表，工作人員可對煤倉的分層信息一目了然，將低熱值煤種進行處理調(diào)整，入爐燃煤量依據(jù)不同制粉系統(tǒng)進行分配［5］。

通過充分利用人工智能技術(shù)，基本實現(xiàn)對實時負荷和固定煤種組合情況下的最優(yōu)磨煤機處理及最優(yōu)出風口出風溫度的實際檢測，并可實現(xiàn)優(yōu)化分析，進而完成相關(guān)運行操作，能有效提升鍋爐摻燒的經(jīng)濟性。

在該系統(tǒng)提供的智能配煤摻燒的基礎上，進一步優(yōu)化形成精細化的摻燒方案，經(jīng)工作人員確認后，直接對分散控制系統(tǒng)（DCS）發(fā)送分析優(yōu)化后的配煤指令，從而實現(xiàn)斗輪機無人作業(yè)。智能配煤摻燒技術(shù)控制系統(tǒng)如圖2所示。

3 無人值守斗輪機智能化技術(shù)研究

3.1 實現(xiàn)控制斗輪機進行全自動堆取物料

在對煤場進行三維建模的同時，在斗輪機懸臂兩側(cè)安裝一個3D激光盤煤裝置，該裝置可對斗輪機局部作業(yè)區(qū)域進行每秒一次的快速掃描，并結(jié)合3D模型除噪算法和形態(tài)學技術(shù)，對相應的噪聲點進行去噪處理，同時對模型進行修復。當回轉(zhuǎn)取料時，仍要進行控制優(yōu)化，通過建模模型的邊緣位置，對斗輪機懸臂回轉(zhuǎn)取料采用反向控制，實現(xiàn)斗輪機大車自動行走，利用射頻識別和Encoder技術(shù)實現(xiàn)對斗輪機打車定位、懸臂角度和高度的確定。結(jié)合斗輪機懸臂兩側(cè)激光盤煤裝置，可獲得局部煤料堆點云信息，完成對煤堆自動取料內(nèi)化角度設定，為實現(xiàn)斗輪機懸臂自動擺臂、連續(xù)取料做準備。

3.2 斗輪機操控

斗輪機操作時，在取料任務界面上，輸煤程序控制員接收到配煤工作人員下發(fā)的配煤指令后，將配煤指令發(fā)送給斗輪機，使其完成自動啟動、自動取料，與此同時，還要將配煤指令發(fā)送給輸煤程序的控制端，為后續(xù)輸煤皮帶可行性路徑自動選擇和輸煤皮帶一鍵啟動做準備。全過程智能燃料系統(tǒng)（見圖3）可自動生成一組編碼，在分散控制系統(tǒng)（DCS）中輸煤控制系統(tǒng)內(nèi)手動輸入上述自動生成的編碼，同時完成對該組編碼的解碼，實現(xiàn)輸煤皮帶的自動選擇和一鍵啟動。斗輪機司機接受并確認該任務后，自主完成斗輪機自動定位后，開始進行取料作業(yè)。

圖2 智能配煤摻燒技術(shù)

4 實施效果

圖3 斗輪機全自動控制界面

該配煤摻燒系統(tǒng)自運行以來，充分利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，在煤電生產(chǎn)過程中實現(xiàn)精細化配煤摻燒，混煤煤質(zhì)硫分提高至1.197%，進而實現(xiàn)了降低爐膛出口污染物＞20%的效果。系統(tǒng)還引入日煤炭采購價格機制，集合廠區(qū)度電燃料成本模型和數(shù)據(jù)庫刷新機制，保證每天都能采用最經(jīng)濟的分倉配煤方案，提高經(jīng)濟煤種的消耗量，逐步實現(xiàn)配煤摻燒效益的最大化。

無人值守斗輪機在智能配煤摻燒指令的引導下，通過控制過程的行走、旋轉(zhuǎn)、俯仰、換層、換垛等動作進行優(yōu)化提升，實現(xiàn)了斗輪堆取料的無人化、智能化遠程作業(yè)，不用斗輪車司機實時在場，僅用1人通過人機交互界面完成對兩臺斗輪機堆（?。┟旱娜詣硬僮?。相較于人工堆取，無人控制斗輪機操作更加流暢、規(guī)范，堆煤機操控人員的工作量至少降低30%。系統(tǒng)能夠同時智能控制10段輸煤皮帶的最優(yōu)路徑，對不同煤倉、不同煤種實現(xiàn)了分層展示。

5 結(jié)語

近年來，國內(nèi)許多大型電力企業(yè)都在進行燃料全過程智能化管理項目的建設和探索，其中以中國國電集團公司（現(xiàn)已并為國家能源投資集團）尤為突出，并取得了不菲的效益。黨的十九大報告中明確指出，要進一步提高和強化網(wǎng)絡強國、數(shù)字中國、智慧社會的發(fā)展程度，并對建立全球領(lǐng)先、世界一流企業(yè)提出了更高要求。對發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟，建設高質(zhì)量企業(yè)的迫切需求，無論是習近平總書記還是李克強總理，都在不同場合強調(diào)過。要依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等高精尖技術(shù)，全面助力實體經(jīng)濟和數(shù)字經(jīng)濟融合發(fā)展。并以此為契機，從國有大中型企業(yè)著手，對其發(fā)展進行全面賦能、集團化管控、注重生產(chǎn)運營，盡快建立和完善具有國際領(lǐng)先水平的電力數(shù)據(jù)檢測診斷中心。

沁陽發(fā)電廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型案例經(jīng)鑒定達到國際先進水平，被省市主管部門列入數(shù)字化轉(zhuǎn)型典型案例。火電廠全過程智能燃料系統(tǒng)與集團公司燃料集中控制系統(tǒng)建設案例入選國家工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟優(yōu)秀案例，推廣空間巨大。針對燃料精細化手段滯后、智能化水平偏低影響企業(yè)效益的問題，沁陽發(fā)電廠利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、可視化在線分析等技術(shù)，研發(fā)出全過程智能燃料管控系統(tǒng)，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)進行集成整合，實現(xiàn)了燃料全過程全要素信息自動檢測與控制、全業(yè)務大數(shù)據(jù)智能建模、智能化可視化在線分析等技術(shù)創(chuàng)新，同時在節(jié)能減排、依法治企等方面產(chǎn)生巨大的社會效益。本研究基于火力發(fā)電廠在新時期生產(chǎn)發(fā)展過程中遇到的瓶頸，以沁陽發(fā)電廠全過程智能燃料系統(tǒng)的建設為依據(jù)，在保障燃煤機組安全、經(jīng)濟運行的前提下，依托高科技和人工智能算法，積極落實節(jié)能減排、提質(zhì)增效，提升智能運營水平，為企業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會價值，也起到了良好的帶頭示范作用，對我國傳統(tǒng)企業(yè)改革、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整、智能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、建設一流情節(jié)能源企業(yè)具有重要的意義，同時具備較高的推廣價值。