大型热电联产企业智能化煤场管控系统的研究及应用

 1. 成果简介

大型热电联产企业一般都坐落在城市郊区，为了满足环保要求，储煤场大都采用封闭式圆形煤场，圆形煤场内安装有堆取料机作为堆取煤作业工具，煤场内煤堆高度一般为22米，华能营口热电有限责任公司(以下简称营口热电)锅炉设计煤种为褐煤，褐煤挥发分高容易自燃，特别是在夏季，圆形煤场内存煤自燃升起的烟雾严重影响堆取料机司机的操作，还会对堆取料机司机的身体健康造成影响。目前国内几乎所有电厂、码头安装的圆形煤场堆取料机操作都采用人工就地/远程手动操作方式，劳动强度大、自动化程度低，作业效率根据司机的疲劳程度、操作水平起伏较大，遇到新手往往就会造成作业效率较低，甚至引发事故。因此研发一套智能化煤场管控系统对提高输煤系统作业效率，降低事故、故障发生率，提高电厂燃料系统的管理水平及降低发电煤耗有着重大意义。

2. 成果的先进性

该系统是全国首个实现了基于三维激光成像及大数据分析计算技术并成功应用于圆形封闭煤场的智能化煤场管控系统。该系统主要分为堆取料机全自动无人值守、煤场数字化管控及分析、煤场环境在线监测、输煤生产数据考核管理、设备状况在线分析及预警、混配掺烧等六大模块，对提升输煤系统自动化水平及运行效率、提升煤炭管理、降低人工费用等生产成本、通过合理科学的混煤控制提高机组的运行稳定性起了较大的作用。

3. 成果的创新性

3.1智能化煤场管控系统采用先进的控制理念及控制架构

3.1.1系统硬件构成及网络结构

智能化煤场管控系统采用标准的B/S架构，系统通过接口服务器分别与电厂输煤系统PLC、DCS系统、SIS系统及集团级的燃料全过程动态管理系统实现接口对接，通过网络将生产数据进行上传及下载;营口热电输煤系统采用标准的Ethernet、Controlnet、Devicenet三层网络架构，智能化煤场管控系统通过以太网分别与输煤系统PLC、堆取料机系统PLC、翻车机系统PLC进行通讯并实时获取系统需要的生产数据;输煤系统PLC、堆取料机系统PLC、翻车机系统PLC通过控制网及设备网分别与入厂煤采样系统、轨道衡控制系统、喷淋除尘控制系统及其他智能化前端进行数据通讯并实时获取设备的运行状态。

3.1.2系统功能

3.1.2.1 系统主要模块

系统主要分为堆取料机全自动无人值守、煤场数字化管控及分析、煤场环境在线监测、输煤生产数据考核管理、设备状况在线分析及预警、混配掺烧等六大模块

3.1.2.2堆取料机全自动无人值守

通过以下多个先进的技术及设计使营口热电输煤系统两台堆取料机彻底实现了全自动无人值守，通过自动对作业任务及煤场内存煤信息进行分析计算得出最佳的堆取煤作业计划并控制堆取料机实现精确的堆取煤作业。

(1)营口热电共两座圆形封闭储煤场，内部安装堆取料机作为堆取煤作业的主要设备，每台设备可同时实现自动堆、取煤作业，每座圆形煤场直径90米，设计储煤量5.5万吨。

(2)经过精密的测量及计算，在每个圆形煤场顶部检修平台各安装三台红外热成像一体化三维激光扫描仪，三台扫描仪之间间隔100度安装，实现对圆形煤场内部存煤无死角扫描，扫描结束后软件自动进行点云规格化及点云拼接;扫描仪控制柜安装在煤场顶部检修平台上，各扫描仪通过以太网与安装在输煤集控室的应用服务器进行数据通讯及远程控制。扫描分为整体扫描及局部扫描，每个煤场整体扫描时间小于4分钟，扫描期间堆取料机不用移动到扫描范围外，软件自动对堆取料机进行处理。

(3)智能化煤场管控系统通过以太网分别与输煤系统PLC及翻车机系统PLC进行通讯，实时获取翻车机剩余节数、堆煤线皮带秤瞬时流量、上煤线皮带秤瞬时流量、原煤斗料位、给料机出力、皮带电流、各段皮带机及翻车机系统状态等参数，通过设计好的各种算法实现取料恒流量控制、堆料自动溜料、边界取料、V型区屏蔽等多个控制策略。

(4)智能化煤场管控系统通过接口与燃料全过程动态管控系统进行通讯，实时获取每个批次来煤热值、重量、灰份、挥发份、水份、含硫量等煤质化验数据，软件根据这些煤质化验分析数据结合作业计划计算得出最佳的作业方案。

(5)编码器是堆取料机无人值守控制中非常重要的一个设备，它的精度直接影响整个系统的作业精度，营口热电堆取料机上采用的是P+F公司的DVM14N总线型编码器，编码器通过Devicenet总线与堆取料机PLC实现数据通讯，该编码器单圈分辨率为13位，圈数分辨率为12位，最小角度分辨率Emin=360°/213=0.044°;分别在堆料回转、堆料俯仰、取料回转、取料俯仰机构处均匀安装若干RFID读写头及对应的载码体，RFID通讯模块通过Devicenet总线与堆取料机PLC进行数据通讯，通过编写程序实现编码器与RFID互校验;当回转编码器故障时可通过安装在回转齿轮上的计齿开关通过逻辑计算继续给出回转角度;当俯仰编码器故障时可通过倾角传感器通过逻辑计算继续给出俯仰角度。

(6)分别在堆料臂、取料臂及刮板机尾部料斗上共安装7台雷达，用于堆取料机在全自动作业过程中的控制及保护。

(7)每次堆煤或上煤作业前系统驱动激光扫描仪对煤场进行快速盘点，系统在获取带有三维坐标的点云数据后结合作业计划、煤质化验分析数据、输煤系统设备运行状态通过设计好的算法计算后，准确的给出本次堆煤或上煤作业区域及作业量等数据，在经过输煤运行值班人员确认后将数据下发至堆取料机PLC及翻车机PLC，驱动堆取料机进行精确对位及堆上煤作业。系统同时根据圆形煤场内存煤三维坐标数据对运行中的堆取料机进行保护，在保证堆取料机安全作业的前提下最大程度提升系统作业效率。

(8)在输煤控制室安装两套手动操作面板，面板上安装有方向控制摇杆、启停按钮及急停按钮，这些按钮及摇杆通过电气硬回路与堆取料机PLC进行控制，保证在出现通讯异常或系统异常时能及时停止堆取料机运行并在远方可手动继续操作堆取料机进行作业。

(9)在圆形煤场顶部平台及堆取料机机上安装红外监控球机，并通过光缆连接至输煤集控室工业电视监控系统，实时对堆取料机进行全方位无死角监控，保证设备的安全稳定运行。

3.1.2.3燃料数字化管控及分析

(1)华能集团开发燃料全过程动态管控系统，实现从煤炭采购、煤炭运输、来煤检斤、煤样化验分析等全过程管控，燃料全过程动态管控系统对外提供接口可实现数据上传及下载。

(2)营口热电输煤系统入厂煤轨道衡、入厂及入炉煤取样机、测硫仪及量热仪等化验设备已经实现了全自动无人值守运行及数据自动上传华能集团燃料全过程动态管控系统并实现了全程无死角监控，杜绝了人为舞弊作业风险。

(3)营口热电智能化煤场管控系统实现与华能集团燃料全过程动态管控系统数据通讯，实时获取每个批次号来煤的煤质化验分析数据、重量等生产数据，并根据批次号将这些数据动态展示在智能化煤场管控系统煤场三维展示画面上，更加直观的显示煤场存煤信息，提高煤场的科学管控水平。

(4)不同煤种冬季、夏季不同季节的自燃周期进行统计及分析，智能化煤场管控系统通过对各个批次来煤堆存时间、实时测量的煤堆表层温度并参考各个煤种自然周期进行分析计算自动推算出即将发生自燃的存煤，并提前安排将这部分煤进行取上，防止出现存煤自燃给电厂造成损失。

(5)应用铁路实时车在线监控系统，可实时监控从煤矿发出的运煤专列位置、预计到达时间、每一车车号等数据，为合理安排作业及检修计划做出贡献。

图为煤场存煤三维展示画面

3.1.2.4煤场环境在线监测

(1)测温采用集成在激光扫描仪上的红外热成像仪对煤场内存煤表层温度进行测量，每次作业之前均对煤场内存煤进行一次温度扫描，系统对每次测温结果进行分析并生成趋势图，分析出可能出现的自燃区域并提前进行预警，可有效地避免存煤自燃的发生。

(2)根据圆形封闭煤场结构和CO气体比重小的特点，CO气流走向应从煤堆上方上升至煤场顶部后，向下运动至墙体与煤场中间通气间隙扩散，CO测点设计安装在煤场中间检修平台处，根据CO检测仪测量范围每隔30°安装一台。

(3)安装于圆形煤场中间检修平台处的CO检测仪及粉尘检测仪通过Modbus总线与输煤系统PLC进行通讯，智能化煤场管控系统通过以太网获取这些数据，系统自动将测量数据存入数据库，根据趋势进行分析并准确的进行报警，保证运行及检修人员的身体健康。

3.1.2.5设备状况在线分析及预警

(1)在堆取料机驱动电机、堆取料机回转减速机、碎煤机、翻车机倾翻驱动电机等重要设备上安装振动、温度传感器，智能化煤场管控系统通过以太网实时获取这些重要设备运行数据并自动将数据存入数据库，系统对获取到的数据进行分析计算，及时的对运行异常的设备进行预警。

(2)将输煤系统各个设备铭牌参数、备品备件名称型号及存放位置、设备故障及检修记录等数据录入系统数据库，方便检修人员及管理人员进行查询。

(3)将输煤系统各设备检修及润滑等周期存入系统数据库，系统根据时间自动进行判断，对将要进行检修及润滑的设备提前进行通知提醒，并自动给出该设备的检修文件包及润滑方案等策略。

(4)实现厂内WiFi全覆盖，在各个设备上粘贴二维码，实现通过手机扫描设备二维码在线查看设备图纸及额定参数等功能。

3.1.2.6混配掺烧

(1)智能化煤场管控系统根据两个圆形煤场内存煤分布情况及来煤信息合理的给出最佳的堆放位置，要防止将存放时间过长的煤压在下面。

(2)系统根据机组上煤指令自动对两个煤场内存煤信息进行分析及计算，给出最佳的上煤混配方案，并控制给料机及堆取料机进行精确的混配，混配的原则是要保证锅炉燃烧的稳定性。

(3)根据机组运行工况、锅炉燃烧方式等准确及时的调整混配比例及方式，保证混配后的煤接近锅炉设计值，增加锅炉的运行稳定性及安全性。

4.成果的可推广性

由华能营口热电有限责任公司自主设计的智能化煤场管控系统设计先进，系统功能强大，设备运行稳定及运行效率高，系统投入费用少，系统采用标准化设计，所有备件在安装前均经过严格的试验及验收，系统具有较强的可复制性，可在全国各大厂矿进行大力推广。

5.成果的经济效益及社会效益

5.1减少了人工成本

智能化煤场管控系统投入使用后，华能营口热电有限责任公司输煤系统两台堆取料机彻底实现了全自动无人值守，每年可为电厂节省岗位工资约60万元。

5.2电厂输煤系统彻底实现了全自动运行，系统运行效率及运行安全性大大提升，故障率大大降低

智能化煤场管控系统投入使用后，华能营口热电有限责任公司输煤系统彻底实现了全自动运行及全自动配煤，输煤系统运行效率提升了30%，再未出现因人为误操作导致堆取料机设备损坏及其他影响安全生产的问题，每年可为电厂降低厂用电消耗及设备检修维护费用共约50万元。

5.3实现了输煤成产数据考核管理智能化

智能化煤场管控系统投入使用后，实现了电厂燃料运行专业考核管理智能化，系统自动对电厂输煤各运行班组上煤量、上煤效率、吨煤电耗等数据进行计算及存储，同时结合挡板切换等定期工作计划执行情况自动对输煤各运行班组进行打分及评比，提升电厂输煤运行人员的精细化操作水平及输煤系统的运行效率。

5.4实现了煤场智能化管控，杜绝存煤自燃的发生

智能化煤场管控系统投入使用后，实现了煤场的智能化管控，系统通过自动采集红外热成像、煤场环境在线检测系统数据，结合煤场内存煤的堆存时间进行分析及计算对超温的区域进行提前预警并提前将这一区域的存煤进行取上，该系统投入运行后，华能营口热电有限责任公司两个圆形储煤场再未出现存煤自燃现象，每年可为电厂降低损失约30万元。

5.5混配煤精细化，提升机组的经济效益

智能化煤场管控系统通过对作业任务及煤场内存煤信息进行分析及计算得出最佳的混煤及堆煤方案，并通过控制堆取料机及给料机实现精确混煤，大大的提升了机组的经济效益。

5.6系统设计先进，运行稳定，促进行业内技术的发展

目前国内各大厂矿尚没有一个实现基于三维激光成像技术并应用于圆形煤场的成功实例，华能营口热电有限责任公司设计的智能化煤场管控系统于2016年12月1日正式投入运行，目前设备运行稳定，大大的提升了电厂输煤系统运行效率及运行安全性，系统采用标准化设计，多项自主创新成果及新工艺的应用对行业内该项技术的发展起到了极大的促进作用。

6.成果实施应用情况

由华能营口热电有限责任公司自主设计的智能化煤场管控系统于2016年12月1日正式投入运行，系统主要应用于输煤生产管理及输煤系统全自动控制，输煤系统两台堆取料机彻底实现了全自动无人值守运行，目前系统运行稳定，电厂输煤系统运行效率及运行安全性大大提升，电厂的燃料管理水平也得到了较大的提升，每年可为电厂带来较大的经济效益。(此专文摘自《电力设备管理》杂志文库，专文主创单位：华能营口热电厂)