张元正
（国家电投河南电力有限公司沁阳发电分公司，河南 焦作 454550）
在国民经济高速发展的过程中，电力提供了强有力的支撑，而火力发电在我国供电系统中仍占有较大比例。随着大气污染治理要求的提高，煤炭供应市场的供应链日趋紧张，供应价格也水涨船高，传统的煤炭发电企业在管理模式、生产流程中有不少亟待解决的问题。本研究针对燃煤发电企业燃料管理、煤种的配煤掺烧及锅炉运行控制中存在的问题，并结合沁阳发电公司的特点，设计一个火力发电企业燃料智能化管理系统，经实际验证，该系统能有效提高煤电企业的管理水平和生产效率［1］。
运用现代化、智能化技术，根据共享信息、提高集成度、科学掺配、管控智能化的原则，沁阳发电公司建成了煤场数字化管理、智能化配煤掺烧、全自动运行的燃料全流程智能化管理平台，进一步提高燃料管理、存储的全过程管理水平，同时可根据实际生产经营反馈的数据来指导燃料购买工作。沁阳发电公司将煤储存在跨度219 m、长230 m的钢结构厂房内，该厂房从北至南依次分为4个储煤区、16个分区。根据燃煤硫分、挥发分、热值特性，从而实现对煤种的分类存储，最大储煤量可达40万t。
所有燃煤发电企业都面临着封闭煤场精准感知的问题，即如何提高煤场监控的存量和存煤质量问题。针对该问题，本研究通过构建煤场模型，同时开展以下工作。首先，利用三维激光盘煤技术来盘点每日煤炭消耗量，主要是利用激光测距技术。在封闭煤棚顶部安装6台激光扫描装置，通过激光扫描装置监控来获取每日存煤量的变化，进而获取煤场整体点云数据。利用斗轮机运行机制，采用点云分割技术，获得每日煤场高精度三维模型，比传统的月度盘煤方式有了较大提高。其次，通过入场时的火车衡、汽车衡和皮带秤数据，建立数字化存煤每日精准消耗量，并对数据进行分析和对比。通过燃料采制样系统来获取煤数据预报、入厂煤汽车衡称量数据以及火车衡称量数据，再加上每日消耗皮带秤数据，能最大程度计量每日来煤质量、每日消耗质量，同时结合上一体存煤量，逐一累加后便能获得当前煤场存煤质量［2］。将该方法获得的存煤质量数据和三维激光盘煤获得的存煤体积数据进行对比，同时煤场管理人员根据各储煤分区体积量、边，能清晰准确地掌握煤场单日库存变动情况，为公司配煤和锅炉掺烧提供准确的燃煤数据，从而提高煤场精细化管理。最后，利用局部三维点云成像技术、高精度冗余定位技术，辅助斗轮机逐步实现从半自动到全自动推取物料的安全操作。通过煤场的三维点云模型，结合煤场自动化作业规律，对煤场数据进行充分分析，在斗轮机作业过程中生成前馈信号，从而实现提高作业精度和防止碰撞事故的发生。
综上所述，沁阳发电公司研制的数字化煤场技术为智能化配煤掺烧提供数据基础，数字化煤场总貌如图1所示。
一般情况下，为了提升配煤的经济性，往往采用若干种煤料掺烧的方式，沁阳发电公司为了进一步提升配煤的经济性，挖掘环保潜力，结合自身厂区的存煤特点，改变分仓掺烧方式，有效提升煤料使用的经济性。同时，根据不同工况提供相应的运行方案，合理控制煤硫分，从而使炉膛出口污染物含量能有效降低［3］。
图1 数字化煤场总貌
2.1 通过配煤掺烧试验和大数据分析，基于每日配煤价格变动来建立每日配煤掺烧数据库
受市场供需关系波动和政府政策引导，国内煤炭每日价格波动较大。从降低企业生产成本的角度出发，要建立有效的煤炭价格监控体系，进一步建立全煤种每日配煤掺烧知识库。各种煤种混煤煤样入场前，要基于厂区锅炉燃烧性能来计算燃烧评价水平，然后对相关煤料进行工业分析、元素分析，并对焦渣特性、灰熔融特性和燃烧特性等进行分析，进而计算出相关煤料燃烧评价结果。结合锅炉特点，以锅炉正反平衡为原则来获取锅炉的生产效率指标，进而从安全、环保、经济、合理方面出发，实时评估配煤方案。
为了对不同负荷阶段配煤规则的实时经济性进行分析，采用煤种溯源分析、数据库、大数据分析技术，以及稳态判据算法，对原有配煤掺烧进行分析，同时借鉴其他单位的经验数据，形成一套以生产工作为特征的配煤案例手册。
通过对同边界参数、同负荷段相关案例进行分析和建模，结合人工智能和聚类算法，同当日煤价相结合，再次对配煤经济性进行分析，生成基于案例库和掺烧经济性分析的数据库，完善增强闭环学习的目标，在大数据和人工智能算法方面，方便符合配煤规则的日均经济配煤方案的制订，有效压缩入仓煤种的经济成本［4］。
2.2 通过人工智能技术分析和配煤掺烧知识库的数据支持，对设备进行操作，有效发挥指导作用
根据建成的数字化煤场、燃料路径数字化编码和动态识别，结合精准化煤种溯源分析算法，对发电机组的各个煤仓上料情况进行实时监控。通过数字孪生技术，实现对现有煤仓存储数据的动态分析和效果展示，可实现对煤层切换、煤种切换的提前预报，从而实现减小负荷波动。
基于输煤路径寻优技术的上仓方案，设计出的配煤掺烧系统可给出包括煤场内取煤区域、锅炉内原煤仓仓号的上仓方案，该方案集合输煤皮带、犁煤器的优先级，推荐输煤路径的最佳方案，此时执行斗轮机可实现全自动取煤，输煤皮带全自动输煤，进而完成智能掺配到数字化煤场智能取料的全流程控制。先从厂级监控系统（SIS）获取96点符合极化曲线，配煤人员可将该计划曲线导入系统，或手动进行调整，根据经验对配煤方案进行适当优化，如将原本的6个阶段的全天配煤方案优化为5个阶段。生成配煤方案的过程，将结合煤场可用的煤种，根据专家知识库，对每个生产时间段分配具体的配煤方案，其中包含煤量的预估、热值、硫分、挥发分等混煤媒质的主要参数以及各仓烧的煤类。一般情况下，一个仓一天只存放一种煤，假如某个煤仓一天更换多次煤，可在配煤日报中显示多个作业序列。多个上煤任务自下而上排成序列，下发给斗轮机和输煤皮带。
该系统依据煤种溯源技术，在无人工干预的前提下，在仓内完成配煤的自动下推，即利用煤场分区管理规则，根据斗轮机在煤场内施工时轮斗的位置，能自动绑定当前煤类、煤量，从而实现对每个批次的原煤仓仓内煤种、煤制的跟踪，这些煤制被分为分区的平均煤质。通过系统显示仪表，工作人员可对煤仓的分层信息一目了然，将低热值煤种进行处理调整，入炉燃煤量依据不同制粉系统进行分配［5］。
通过充分利用人工智能技术，基本实现对实时负荷和固定煤种组合情况下的最优磨煤机处理及最优出风口出风温度的实际检测，并可实现优化分析，进而完成相关运行操作，能有效提升锅炉掺烧的经济性。
在该系统提供的智能配煤掺烧的基础上，进一步优化形成精细化的掺烧方案，经工作人员确认后，直接对分散控制系统（DCS）发送分析优化后的配煤指令，从而实现斗轮机无人作业。智能配煤掺烧技术控制系统如图2所示。
3.1 实现控制斗轮机进行全自动堆取物料
在对煤场进行三维建模的同时，在斗轮机悬臂两侧安装一个3D激光盘煤装置，该装置可对斗轮机局部作业区域进行每秒一次的快速扫描，并结合3D模型除噪算法和形态学技术，对相应的噪声点进行去噪处理，同时对模型进行修复。当回转取料时，仍要进行控制优化，通过建模模型的边缘位置，对斗轮机悬臂回转取料采用反向控制，实现斗轮机大车自动行走，利用射频识别和Encoder技术实现对斗轮机打车定位、悬臂角度和高度的确定。结合斗轮机悬臂两侧激光盘煤装置，可获得局部煤料堆点云信息，完成对煤堆自动取料内化角度设定，为实现斗轮机悬臂自动摆臂、连续取料做准备。
3.2 斗轮机操控
斗轮机操作时，在取料任务界面上，输煤程序控制员接收到配煤工作人员下发的配煤指令后，将配煤指令发送给斗轮机，使其完成自动启动、自动取料，与此同时，还要将配煤指令发送给输煤程序的控制端，为后续输煤皮带可行性路径自动选择和输煤皮带一键启动做准备。全过程智能燃料系统（见图3）可自动生成一组编码，在分散控制系统（DCS）中输煤控制系统内手动输入上述自动生成的编码，同时完成对该组编码的解码，实现输煤皮带的自动选择和一键启动。斗轮机司机接受并确认该任务后，自主完成斗轮机自动定位后，开始进行取料作业。
图2 智能配煤掺烧技术
图3 斗轮机全自动控制界面
该配煤掺烧系统自运行以来，充分利用大数据和人工智能技术，在煤电生产过程中实现精细化配煤掺烧，混煤煤质硫分提高至1.197%，进而实现了降低炉膛出口污染物＞20%的效果。系统还引入日煤炭采购价格机制，集合厂区度电燃料成本模型和数据库刷新机制，保证每天都能采用最经济的分仓配煤方案，提高经济煤种的消耗量，逐步实现配煤掺烧效益的最大化。
无人值守斗轮机在智能配煤掺烧指令的引导下，通过控制过程的行走、旋转、俯仰、换层、换垛等动作进行优化提升，实现了斗轮堆取料的无人化、智能化远程作业，不用斗轮车司机实时在场，仅用1人通过人机交互界面完成对两台斗轮机堆（取）煤的全自动操作。相较于人工堆取，无人控制斗轮机操作更加流畅、规范，堆煤机操控人员的工作量至少降低30%。系统能够同时智能控制10段输煤皮带的最优路径，对不同煤仓、不同煤种实现了分层展示。
近年来，国内许多大型电力企业都在进行燃料全过程智能化管理项目的建设和探索，其中以中国国电集团公司（现已并为国家能源投资集团）尤为突出，并取得了不菲的效益。党的十九大报告中明确指出，要进一步提高和强化网络强国、数字中国、智慧社会的发展程度，并对建立全球领先、世界一流企业提出了更高要求。对发展数字经济，建设高质量企业的迫切需求，无论是习近平总书记还是李克强总理，都在不同场合强调过。要依托物联网、大数据、人工智能等高精尖技术，全面助力实体经济和数字经济融合发展。并以此为契机，从国有大中型企业着手，对其发展进行全面赋能、集团化管控、注重生产运营，尽快建立和完善具有国际领先水平的电力数据检测诊断中心。
沁阳发电厂数字化转型案例经鉴定达到国际先进水平，被省市主管部门列入数字化转型典型案例。火电厂全过程智能燃料系统与集团公司燃料集中控制系统建设案例入选国家工业互联网产业联盟优秀案例，推广空间巨大。针对燃料精细化手段滞后、智能化水平偏低影响企业效益的问题，沁阳发电厂利用物联网、大数据、云计算、可视化在线分析等技术，研发出全过程智能燃料管控系统，利用“互联网+”技术进行集成整合，实现了燃料全过程全要素信息自动检测与控制、全业务大数据智能建模、智能化可视化在线分析等技术创新，同时在节能减排、依法治企等方面产生巨大的社会效益。本研究基于火力发电厂在新时期生产发展过程中遇到的瓶颈，以沁阳发电厂全过程智能燃料系统的建设为依据，在保障燃煤机组安全、经济运行的前提下，依托高科技和人工智能算法，积极落实节能减排、提质增效，提升智能运营水平，为企业的生产发展带来显著的经济效益和社会价值，也起到了良好的带头示范作用，对我国传统企业改革、产业结构优化调整、智能产业转型升级、建设一流情节能源企业具有重要的意义，同时具备较高的推广价值。
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