來源：電聯智造
推薦機關：大唐三門峽發電有限責任公司
本文作者：陶澤
前沿
大資料會帶來管理的革命（數字化革命），集團燃料三大項目成功實施，可以監控燃料管理各個環節，實作燃料管理流程的資料化。燃料大資料不僅可以實作燃料管理過程的監視與分析，如果利用這些燃料資料，應用于燃料入爐管理流程控制，可以産生一種全新管理的思路，将帶來一種全新的改變。在這裡對燃料大資料的利用進行探索，結合實際生産過程，解決目前深度配煤摻燒中存在的問題，并對今後輸煤系統及入爐摻配實作的自動控制進行有意義的探索。
一、研究的背景及意義
我們所處的時代是大資料的時代，是人工智能的時代，随着計算機和傳感器技術的發展，汽車自動駕駛功能已經初步實作。對于行業來講，建設智慧電廠是未來電廠的發展的方向，智慧電廠就是要實作生産各個環節高度自動化、智能化，依靠具有強大計算能力的控制中心，根據生産過程中産生的大量資料進行各項決策與控制，減少對人員的依賴。智慧電廠離我們已經不在遙遠，在燃料管理方面，我們也将面臨着一場革命，五年或者十年後會實作什麼樣的變化，能不能實作由人工智能進行入爐燃料供給的自動控制，這些并不是異想天開。随着集團燃三大項目在實踐中的運用及發展，我們可監測、可使用的燃料資料越來越多的，利用這些資料，在計算機上建立相應控制模型的算法，可以實作對入爐煤質的精确預測，最終實作對入爐燃料名額調整的全過程自動化、智能化控制，滿足機組發電需要。從技術上分析，燃料入爐的自動化、智能化控制已具有可行性。
二、目前深度配煤摻燒發展現狀
燃料的入爐管理，不僅僅是滿足機組發電消耗的需要，還要同時滿足機組在安全、環保、經濟方面的要求。對于火電廠入爐燃料的名額的控制，既要滿足機組安全環保運作的需要，同時又需要根據機組對于燃料名額适應能力，适當降低入爐煤質後，進而降低入爐燃料成本。
目前煤炭以質分級，以質論價。配煤摻燒就是根據機組在中低負荷工況時，主裝置及環保裝置具有一定的餘量情況下，在滿足安全環保的前提下，通過調整不同煤種的配比來實作入爐名額在合适範圍，有目的地降低與煤價相關的名額。根據實際情況，一般調整的入爐煤名額有收到基低位發熱量、幹燥無灰基揮發分、收到基全硫、收到基灰分等五項名額。其中發熱量與硫分與煤價敏感性最強，往往作為配煤摻燒主要調整名額。我們開展配煤摻燒就是要實作這一目的，配煤摻燒是目前條件下，火電廠穩定煤質和增加燃料經濟性的重要手段。
是以入爐煤名額的控制才是燃料入爐管理的核心，鍋爐的燃料消耗過程是連續的，摻燒就是在燃料入爐的流程中實作不同煤種混合的過程，達到預期的名額範圍。摻燒手段分為靜态摻燒和動态摻燒。靜态摻燒是燃料經過預先混合，比如在煤場經推煤機混合後再進行使用，動态摻燒是在燃料輸送過程直接通過環式給煤機、皮帶等進行摻燒後直接使用。
（一）目前配煤摻燒流程
我們配煤摻燒工作的就是在将燃料送入鍋爐的流程中，通過輸煤系統的主要節點，對燃料進行有目的的混合。以三門峽峽電廠摻燒具體流程的為例：主要基于輸煤系統的主要節點有卸煤溝、煤場、鬥輪機、各輸煤皮帶、原煤筒倉及環式給煤機以及磨煤機原煤倉，實施“初、粗、細、精”四次摻配。即接卸時初摻、筒倉前混配粗摻、筒倉後根據原煤倉煤質細摻以及通過調節不同磨出力實作爐内精摻。汽車煤按不同硫份、熱值、揮發份在汽車卸煤溝按硫份區分，分别接卸，按摻配主要控制名額分别儲存煤場。利用煤場分層和鬥輪機對同一煤種進行燃煤到廠後的第二次粗摻，提高進入圓筒倉燃煤的均勻性和可摻性。輸煤專業根據燃料筒倉煤質資料，利用摻配煤資料模闆進行摻配策劃。同時，通過增加鍋爐原煤倉上煤次數，根據鍋爐給煤機出力大小控制上煤量，滿足機組不同時段煤質要求。
02配煤摻燒的工作實施
首先是制定摻燒方案及下達摻燒計劃，值長根據排程下達日前機組負荷曲線，結合不同負荷下的摻燒邊界，并考慮裝置運作安全及環保需要（主要考慮有無主裝置及環保裝置退役），下達明日不同負荷時段機組入爐的煤質名額。
不同負荷時段機組入爐的煤質名額控制值
輸煤專業配煤摻燒主管根據煤場存煤煤質情況、次日來煤計劃及煤質，結合煤場倒燒需要，制訂來煤接卸、煤場取煤、皮帶摻燒、磨煤機摻燒的具體方案，并下達針對輸煤裝置的摻燒指令。
值班員按摻燒方案及摻燒指令，執行卸煤溝摻配、鬥輪機取煤、原煤筒倉環式給煤機上煤比例調整以及磨煤機煤量配置設定調整，同時根據當天實際負荷變動情況與摻配結果出現的偏差情況，進行摻配指令修正及調整。
三、配煤摻燒過程中出現的問題：
從上述配煤摻燒整個執行流程可以看出，我們能制訂一個很好的方案，能夠知道什麼負荷下、什麼時候該燒什麼樣名額的煤，并能制訂一個完美的具體配煤方案及實施措施，能知道通過那幾種煤進行摻配，通過什麼裝置進行摻配可以達到預期的煤質目标。但這一切僅僅是紙面上的方案，具體執行和實施起來，配煤摻燒的執行難度不亞于汽包水位的純手動調整。一是配煤摻燒中的待摻配煤種均是設想的煤種，其煤質名額是個經驗預估值，以此為以固定比例摻配得出期望的煤質名額，未考慮所使用的摻配煤種本身名額就是波動的。是以在實際中，我們能精确掌握不同煤種的摻燒比例，精确控制摻配煤量，但我們難以掌握所摻燒煤種的煤質名額，由于煤質的不均勻性，摻配結果往往跟随摻配煤種名額波動而發深波動。二是輸煤流程具有很大延遲性，輸煤系統中間儲量很大，從原煤進入原煤筒倉到入爐，在正常情況下需要4-6小時，從筒倉到原煤倉需要時間12-24小時，怎麼保證按時按點在合适的負荷下燒到需要的煤質名額。因為這麼大的系統延遲，對中間存儲煤量不能精确掌握，很難做到煤質名額與負荷的比對。實際中我們配煤摻燒對系統各個部分中間儲量均是通過人工看倉位估算，具體什麼時間能燒到摻配煤種，全靠人工估算，實際誤差經常在幾個小時。
上圖中，可以看出在機組運作中硫分與負荷比對曲線存在滞後問題，多個高負荷時段硫分反而不降。是以配煤摻燒工作開展的好壞，僅從采購或者入爐口徑的煤質權重值來分析是不夠的，還要考慮配煤摻燒的精度、入爐煤質與負荷的比對度。從實際情況來分析，因煤質的波動造成非常大的安全和環保風險，比如硫分波動造成二氧化硫瞬時超限，煙塵瞬時超标，在目前的環保高壓态勢下，都是非常的大風險。是以配煤精度不夠，配煤精度無法控制，入爐名額存在波動，摻燒時被迫留有較大安全環保餘量，嚴重制約深度配煤摻燒的開展。
四、造成上述問題的原因分析
一是原煤混合受摻配方式限制，難以混合均勻。由于原煤是大裝散貨，其固體顆粒無法自發性混合，摻配過程必須依賴固定的流程，通過固定裝置摻配混合。以三門峽電廠為例，在電網大負荷時期，每日入爐消耗的原煤量在2萬噸以上。2萬噸原煤自然堆積密度計算達2萬立方米以上，如果将這麼大體積的煤堆放到煤場，使用推煤機在煤場來回推煤進行混合，顯然是不可能的。是以配煤摻燒主要通過皮帶這一紐帶，使得不同煤種實作混合，使用皮帶進行摻配其混合流程不是在大缸裡倒墨水，而是像擰繩子一樣，把不同煤種糅合在一起，其混合特性決定如果摻配煤種煤質發生波動，這一煤質波動會直接傳遞到摻配結果，并進入下一流程。
二是是煤質線上測量技術難以普及，煤質名額未實作即時測量。如果把配煤摻燒比作一個控制系統，那煤質名額、摻配煤量是輸入量，我們能精确控制不同類型煤種混合時的比例（煤量），我們能精确控制原煤筒倉環式給煤機的頻率及給煤量，但對于煤質這個核心名額，我們卻不能實時精确的掌握。煤質名額不像壓力、溫度、速度、PH值等參數一樣，很容易實作即時測量。目前煤質線上監測分析技術有X射線熒光技術、中子感生瞬發γ射線分析技術和雙能γ射線投射技術，但X射線熒光技術隻适合測量原子序數大于11的元素，測量精度和靈敏度不高；中子感生瞬發γ射線分析技術存在投資大，輻射危害和放射源半衰期短的缺點。目前國内燃煤電廠線上煤質監測應用較少，随着重大危險源管理愈加嚴格，考慮到放射源危害性及測量精度問題，已很少有電廠再采用放射源進行線上煤測量。根據電廠實際情況，煤質化驗名額一般進行人工化驗，需要12-24小時才能出結果，遠遠不能滿足配煤摻燒名額對于及時性的需要，是以我們使用中隻能根據曆史資料進行大概的估算。
三是電廠實際煤源複雜，配煤摻燒結果往往受煤源結構影響非常大。對于沿海沿江電廠，下水煤種類較少，煤質相對穩定，易于進行配煤摻燒。而對于大多數内陸電廠來講，電煤來煤源不穩定、來煤煤種變化大、煤質優劣不齊，該種狀況短期内難以改變。三門峽電廠單月來煤礦點數最多達到34個，來煤低位發熱量從2000大卡/千克到6300大卡/千克，來煤硫分從0.3%到3.3%。這麼多煤種按熱值和硫分分類可以分低熱高硫、高熱高硫、低熱低硫、中熱高硫、中熱中硫等，如果把揮發分、灰熔點等名額納入分類，分成的種類更多。面對這麼多煤種，不可能将所有煤種都分别進行單獨存放，而是根據需要進行分類存放。煤質相近的煤種混合存放，即使來煤混合後堆入再燒，存到煤場的煤質也會因來煤結構原因變化，先存和後存煤質存在不同。
四是受輸煤系統的限制，部分來煤必須直接入爐适燒，不能經過煤場倒燒。以三門峽電廠為例，在夏冬兩季高負荷時期，每日入廠及入爐的煤量在2.3-2.5萬噸。因系統限制，如果從煤場取煤的話鬥輪機将無法堆煤，那此時接卸堆煤就必須停止。這麼大鍋爐消耗煤，接卸方式上不允許全部堆入煤場再倒燒使用，必須做到來煤的即來即摻即燒。既然來煤即時入爐，就出現一個問題，來煤節奏的問題。同樣是一天來煤，權重平均煤質沒問題，但節奏不同會導緻煤質波動很大。
五是部分礦點煤質本身存在波動性。對于原礦煤來講，因掘進面過斷面、洗選裝置異常會導緻波動，但一般波動不大，但中間供應商供煤，部分會進行入廠前摻配，其煤質名額出現波動。
六是是輸煤系統筒倉、原煤倉具有很大的中間儲量，這部分儲量難以精确的進行量化及測算。從自動化控制角度看，輸煤是一個具有大延遲特性的連續控制系統。即使精确的控制了摻配煤質，但因為系統有較大的存儲能力，摻配好的煤往往幾個小時後才燒，具有很大的延遲性。舉個一個例子，我們用高射炮打飛機，但是我們炮彈飛到飛機高度需要4-6個小時，這麼大的延遲量，需要我預測好什麼時候進行發射，是以計算好摻配和上煤的時機非常重要。目前随着電網特點，機組調峰越來越頻繁，負荷曲線随着電網情況大幅變化，以河南為例，早晚負荷呈現兩個駝峰，這對我們上煤時機提出更高要求。因們對機組系統的緩存煤量很難以進行精确的控制和計算，導緻機組煤質與負荷失配或醋配，造成機組限負荷和環保事件的發生。是以配煤摻燒是二維的，帶有時間特性的，必須在合适時候加上合适的煤質，才能達到理想的效果。
配煤摻燒看似原理簡單，但由于摻配煤質波動無法測量，系統延遲量無法準确掌握。在實際執行中，隻能以固定的摻配比例、預估的煤質、按大約時間進行原煤倉補煤，是以入爐煤質結果經常與期望偏差很大。
五、利用燃料三大項目大資料解決配煤摻燒問題的探索
根據目前深度配煤摻燒工作中存在的問題，從大資料中尋找解決的辦法。集團公司燃料“三大項目”在2016年集團内全面竣工，開啟了集團公司數字化燃料新時代。“燃料三大項目”通過改造計量、采制化、煤場等相關裝置，實時、準确、可靠地采集燃料收、耗、存對應的量、質、價等原始資料。在入廠驗方面，實作入廠登記、智能排隊、計量管理、機械采樣、接樣合樣、扣矸扣噸、出廠登記等功能；在數字化煤場系統，研發了煤場分區、堆取煤指令、入庫、出庫、盤點、三維動态展示、收耗存統計等功能，實時采集了煤場裝置及輸煤程控資料，實作數字化煤場軟硬體關聯控制與精細化管理；燃料“三大項目”通過管理創新與技術創新的應用，實作了燃料采、制、化驗等工作規範化、數字化、自動化。
一是對實作各礦點煤質的大資料分析。
通過三大項目入廠資料分析，可以及時發現單一礦點煤質波動大問題，并可以分析因出入廠礦點煤質波動影響。通過對三門峽2018年7月的采購的33個供應商煤質進廠硫份分析，有15家供應商硫份波動小于0.1%，12家供應商硫份波動0.1-0.2%，4家供應商硫份波動0.2-0.5%，2家供應商硫份波動大于0.5%，通過分析發現了硫份波動小于0.2%的礦點占的進煤量85%，通過逐一對各礦點煤質波動情況進行分析，得出各礦煤質相對比較穩定，不是導緻摻配後煤質名額波動的主要原因。
二是實作對入廠煤質變化的精确預測。
在實際中生産過程中，生産流程是連續的，對煤質的名額精确預測如果離開時間名額就沒有意義。是以燃煤入廠接卸流程、燃煤入爐摻燒流程在時間上連續的，是帶有時間次元的二維參數。對入廠煤來說，從每天第一車煤開始接卸起，每小時接卸的礦點、接卸結構不同導緻機關小時内入廠煤質，入廠名額随時間變化，而這些煤質變化會傳遞到入廠接卸後的每個流程。三門峽電廠每日接卸礦點數量正常在15個以上，最多時達到25個礦點左右。考慮到實際接卸、摻配情況，以煤質類似為依據把煤質分為三種，分别是高熱值低硫主燒煤種、低硫經濟煤種、高硫摻燒煤種。下面以具體礦點的接卸情況為例，說明某天内入廠煤質因進煤結構原因随着時間變化的情況。凝鑫礦、馬村礦、秦晉礦在都屬于高熱高硫份汽運煤，煤質如下表所示，按摻燒方案安排在同一卸煤溝進行接卸，日調運量分别為3000噸、1200噸、2000噸，根據礦點煤質情況，日權重熱值為4990大卡/千克，權重硫份2.8%。
由于各礦點到廠的路況不同，在某日08時-18時，進廠接卸的三礦點煤量如下，并對負責接卸的卸煤溝小時煤質進行測算。經測算雖然高硫煤權熱值4990大卡/千克，權重硫份2.8%；但由于各礦點煤質差異，加上進廠結構不同，全天小時硫份最低2.4%，最高3.3%，波動幅度達到0.9%。
在燃煤進廠接卸過程中，理想化的情況是在機關小時内，各礦點來煤結構盡量平均，但受路途、采樣、接卸等因素影響很難實作。特别是迎峰度夏高峰時期。來煤接卸量勉強滿足耗用需求，汽車煤到廠後不能滞留，各礦點進廠接卸節奏很難達到理想化，入廠小時煤質常是以發生波動。
三大項目對入廠車輛資訊進行全面管理，系統内有車輛入廠登記時、采樣、過重、接卸、回空時間，同時含有礦别、票重、毛重、淨重、接卸位置等資訊。通過上述資訊，我們可以掌握機關小時内卸車情況，測算不同礦點的卸車輛以及卸車噸數，根據礦點的曆史煤質資訊可以測算出各卸煤溝實時的煤質情況，為後續摻配調整工作提供參考。
三是利用三大項目汽車衡、軌道衡、皮帶秤等裝置及資料記錄功能，可以建立原煤筒倉、磨煤機倉、卸煤溝等儲煤模型，根據品質守恒，供耗存平衡原理，對輸煤系統各個系統進行量化。量化就是實作系統每個節點都可以計算通過的煤量，可以精确追蹤煤流在系統中的情況，比如卸煤溝煤質發生變化，可以實作追蹤煤質變化對後續各部分影響，可以精确掌握煤質變化這一波動，何時通過各個皮帶、原煤倉筒倉、給煤機、磨煤機，實作對各儲煤裝置出口煤質的短期預報功能。
以卸煤溝為例，通過汽車衡計算出卸煤溝進煤量，通過皮帶秤計算卸煤溝出煤量，根據卸煤溝卸煤情況，可以測算卸煤溝記憶體煤的分層煤質，按照量與煤質比對的關系，可以測算卸煤溝出口的煤質。以鍋爐磨煤機原煤倉為例，用入爐煤皮帶秤和犁煤器配合，可以精确計算某台磨煤機上煤量，根據給煤機皮帶秤消耗量，建立原煤倉内煤質消耗滾動模型，可以精确計算目前的煤質多長時間可以燒到，是以可以對鍋爐煤質進行短期1-4小時内煤質預報。
精确建立儲煤量模型的好處是，隻要知道來煤煤質和節奏，便能精确掌握來煤的煤質與波動在後續的情況，并能在系統中追蹤這個煤質波動，針對性在後續過程進行調整。
六、汽運煤入廠煤監視項目在燃料管理中應用
為了掌握卸煤溝接卸混煤最真實煤質情況，三門峽公司建立入廠煤監視系統，以燃料三大項目資料為基礎，實時統計接卸的礦點及數量，對實時入廠煤質進行預估，掌握第一手準确的入廠接卸煤質實時資訊，運用于燃煤堆放或者直接摻配，為後續整個燃料流程資訊化、資料化打下基礎。
三門峽入廠煤監視項目，充分利用燃料入廠的大資料，包含的資訊主要有礦點資訊、入廠、采樣、過重、卸車、出廠各環節的實時資訊。對這些大資料進行加工分析并進行實時展示。
該項目的特點是通過計算機程式設計，利用少量代碼最小成本實作對入廠大資料分析與展示，全程自動進行、實時更新，具有很強的時效性。非常友善的對接卸流程進行監督、科學排程，進而優化接卸流程、提高效率。通過精準的掌握已接卸的礦點、數量情況，配合各礦點的煤質資訊資料，可以對接卸煤質進行實時掌握。
七、結論
本課題通過燃料三大項目的大資料的應用，對解決目前配煤中存在的問題進行探索，提出實作對進廠煤質波動預測方法和建立輸煤系統量化模型的方法，實作對輸煤系統煤質波動的預測和追蹤。因集團燃料三大項目主要是為實作燃料品質驗收相關功能而建立的，目前實作課題中相關功能還需從三大項目資料系統中中人工查詢并下載下傳資料，在表格中計算分析，實際運用中還存在較大的不便。輸煤控制系統的發展，必定是實作與入爐煤系統關鍵裝置進行對接，實作輸煤控制系統根據來煤結構、來煤節奏、存煤情況自動的進行分析、自動調整摻配比例，實作入爐煤管理的智能化，是以在此基礎上還需要進一步研究實踐。