精准配煤与分仓输煤集控系统智能化研究与应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：任洪（1979），男，汉族，四川盐亭人，本科，电气工程师，研究方向为电气自动化控制；钟闵吉（1985），男，汉族，四川旺苍人，本科，电气工程师，研究方向为电气自动化控制。-137-精准配煤与分仓输煤集控系统智能化研究与应用 任 洪 钟闵吉 四川川煤华荣能源有限责任公司广元电力分公司，四川 广元 628000 摘要：摘要：输煤、配煤系统是电厂的重要组成部分，电厂输配煤系统运作的优良关系到电厂生产安全稳定、生产效率、效益，以及工人的劳动强度。由于早期的输煤系统设计自动化水平不高，人工作业量大，系统可靠性、稳定性差等缺点，因此与我电厂生产自动化、智能化需求不相适应。本项目围绕川煤华荣能源广元电力分公司嘉川电厂输配煤系统的运行模式，研究采用数字化精准配煤技术、自动分仓输煤技术、智能调节技术来进行全方位配煤、输煤智能化设计，将电厂输煤、配煤系统进行协同整合，实现精准配煤、联合运输、自动倒仓、智能调节的一体化集成，在进行智能化设计的实践过程中，不断研究新的设计方法和创新性地解决生产环节有机统一的问题，为输煤、配煤系统乃至电厂的智能化发展提供了新的建设思路和宝贵经验。本项目设计的输煤、配煤智能化控制系统控制方案，最后通过不断地试验分析及总结、改进，最终完美实现了对输煤、配煤系统的一体化、智能化控制。关键词：关键词：精准配煤技术；自动分仓输煤技术；配煤系统智能化 中图分类号：中图分类号：TQ52 1 电厂输煤系统的背景 传统的电厂输配系统由于自动化水平不高，输煤系统现场的环境恶劣，员工劳动强度大，同时由于系统范围大、战线长、故障率高，各个环节的协作配合困难，生产运行模式无法快速调整，特别是遇到紧急情况无法及时报警，极大地增加了输煤系统标准化、系统化运行难度，降低了企业发电生产效率及机组稳定运行。我公司担负着内部矿区安全稳定供电的重要职责，随着煤矿工业稳定用电、安全管理的要求增高，对发电厂发电的安全性、可靠性要求也就相应提高，同时随着洗选技术的提高，我厂燃煤洗渣的热值大幅降低，对我公司生产发电的经济性也提出了考验。配煤、输煤的精准性、稳定性也关系着电厂燃煤锅炉的经济、稳定运行，很显然传统的输配煤系统已无法满足目前我发电厂的生产需要。1.1 电厂输配煤系统的现状 目前我公司嘉川发电厂输煤、配煤控制系统是基于人工手动控制，主要是一种基于继电接触器和人工手动方式的半自动化系统。由于输煤系统现场环境十分恶劣，极大损害了工人的身体健康。由于输煤系统范围大，经常有皮带跑偏、皮带撕裂等等麻烦，并且与配煤系统的协调性差，大大降低了发电厂的生产效率。传统的输煤、配煤系统己无法满足发电厂的需要，随着国家对矿井安全供电要求的日益提升，因此需要一个稳定、可靠的燃料供应，以保证机组的稳定高效运行。目前的输煤、配煤控制系统基本上为集中加就地控制模式，其控制系统相互独立且操作协调性、便捷性还有待改善，无法做到运行信息的共享互通，达到统一调度、设备联动、智能化输配煤的目的。同时，整个输煤、配煤运行岗位人员设置过多，人员工效较低，系统设备间配合不协调，设备空转导致的电能损耗以及设备磨损等损耗较大。1.2 输配煤系统智能化设计预期达到以下目标 研究电厂输配煤系统各种工作方式下的智能控制，实现输配煤系统安全可靠运行；为电厂输煤系统运行电控系统或者新的系统研制与开发提供参考，促进电厂输煤系统自动化控制水平；研究电厂输配煤系统的软、硬件网络结构，不但使系统运行安全可靠，而且更加便捷和高效；与传统的系统相比具有节约能耗、增加运煤效率的特点。2 主要设计内容 此项目涉及精准配煤和分仓输煤的智能化，由自动配煤系统、皮带运输系统、PLC 控制系统及远程操作站构成。智能化改造前，配煤和输煤均由人工手动操作完成，通过人工调节燃煤配比，然后逐级手动启动皮带，当燃煤运输至锅炉煤仓前，需要手动切换闸板使燃煤输送至所需的锅炉煤仓。中国科技期刊数据库 工业 A-138-此次输配煤系统智能化设计主要目的是达到一键启停且智能化输配煤应用，从配煤系统到输煤系统全覆盖，包含计量、保护、智能调节、一键控制等环节，设计重点在于系统的正常运行、程序设计、上位机监控以及故障采集、报警与处理等，从而确保系统稳定、安全、可靠地智能化运行。2.1 存在的问题（1）输配煤战线较长、环节较多，协调配合难度较大；（2）锅炉煤仓顶部倒仓频繁，机械故障率高，需人工手动操作；（3）配煤稳定性和均匀性不高，配比调整滞后，容易影响锅炉稳定运行；（4）系统智能化程度不高，过程管控较为困难。2.2 设计要求及目的 通过此次智能化设计，将原有的锅炉煤仓皮带的闸板取消，同时将煤仓前的两条皮带合二为一，通过电机的正反转切换至所需煤仓，两个煤仓入口设有料位计，达到设计料位之后发送信号至 PLC 控制系统，PLC 内部开始进行倒仓倒计时，同时初级的配煤系统会自动调节至另一煤仓所需的配比，在 2 分钟之后，配比调整之后的燃煤刚好会到达煤仓皮带，此时皮带自动停止，2 秒后皮带自动换向运行将燃煤输送至另一煤仓，保证了煤炭配比的稳定性和均匀性，待两个煤仓输煤完成后系统会按顺序逐级自动停止，启动过程会按顺序逐级自动启动，达到了输煤、配煤、倒仓系统的一键启停和智能化精准配煤输煤。2.3 分仓输煤控制设计 目前锅炉煤仓顶部输煤环节主要由 4#、5#皮带轮流输煤，煤炭由 3#皮带输送落至溜煤筒后进入 4#、5#皮带，两条皮带通过机械装置手动切换进行轮流输煤，此方式具有较多弊端：（1）需要手动切换，对人员素质和工作责任心要求较高；（2）机械装置故障率较高，经常出现机械卡涩导致输煤中断并造成上游堵塞；（3）分仓切换过程中，需远程中控手动切换输煤配比，但输煤线路还有较多余煤，配比切换会相对滞后，影响锅炉的稳定运行。分仓输煤示意图如下所示：图 1 原分仓输煤流程 设计思路:将 4#、5#皮带合二为一，取消 4#皮带右侧、5#皮带左侧的滚筒，更换成一条完整的皮带，原有两台电机不做改动，由两台电机共同驱动皮带运行，皮带的控制改由电机正反转控制，两个煤仓和原来一样轮流输煤，重新设计后的示意图如下所示：图 2 改造后的分仓输煤流程 2.4 分仓输煤及精准配煤智能化程序设计 增加电机正反转控制回路，并接入PLC控制系统，原有的 4#、5#皮带控制程序只需增加保护、连锁、I/O外部接线等少许改动。根据设计要求，当 3#或 4#煤仓料位达到预设值或手动切换后，自动进入 3#煤仓输煤 150 秒倒计时，并在远程计算机界面闪烁提醒。在倒计时启动之后，配煤系统会自动调整相应煤仓的预设配比，同时给定流量自动下调 20T/h，避免倒仓环节的溜煤筒堵塞，待 150 秒后倒仓完成，给定流量自动恢复至预设值，配比调整后的煤炭刚好到达相应皮带，整个过程流畅、无缝衔接。下图为倒仓、配煤自动调整程序设计局部图见图 3。一键启停由远程中控实施操作，按下联动启动或停止按钮，输配煤系统会按设计流程自动实现顺序启停，达到无人值守和自动化控制目的。设计要求：中控界面设置联动启动，点击启动按钮，然后设备按末级-初级顺序启动，启动间隔均可任意设置，一般为 10 秒钟，停止操作时，按下停止按钮，设备按初级-末级逆序停止，停止间隔时间一般设为 10秒钟，整个流程无需人员干预，并设计有保护功能，达到一键启停效果。以图 4 部分程序为例。中国科技期刊数据库 工业 A-139-图 3 输配煤系统的一键启停设计 图 4 一键启动自动控制局部程序 2.5 运行效果和效益分析 通过对输配煤一键启停自动控制设计，实现了整个输配煤流程的无人化值守，只需进行现场定时巡检工作，提高了系统自动化运行水平，避免了各个工作环节的沟通协调带来的生产隐患和安全风险，对系统进行了有机整合和统一管理，同时减少了运行岗位 10人，按人均 5 万元/年计算，年节约人工成本 50 万元。2.6 终端计量的程序设计 本系统采用 siemens 200smart SR60 为控制核心，配煤皮带实际运行流量、远控给定、配比调整均与现场皮带控制器进行通信。具体控制方式：由 PLC 发送运行、调节指令至 A66 皮带秤控制器，然后由皮带秤控制器输出运行指令和调节指令至变频器等执行机构，皮带的称重信号由称重传感器反馈至皮带控制器，测速信号不再由测速传感器反馈，直接由变频器输出频率脉冲信号反馈至皮带控制器，大大降低了故障率和精准性。终端计量采用不定积分计算方法，皮带控制器反馈至 PLC 运行流量信号，将采样时间微分表示为 dt，然后将运行流量 q（t）求和得到累积流量：图 5 累计流量计算公式 在进行计量程序设计时，我们将采样时间规定为1s，故 dt=1，所以只需要计算每秒钟的瞬时流量的累加即可得到累积流量，经过和现场皮带控制器大量比对得知，在 1s 精度下，累积流量的计算已经完全能满足计量要求，误差不超过 1%。程序原理：用 1 秒的脉冲触发上升沿，瞬时运行流量每秒钟累积一次，由于运行流量单位是 T/h，在每秒累积完成后要除以 3600，最后将结果反应在系统运行界面。但在实际运行过程中，我们发现累积流量会经常出现计量偏差过大，经检查传感器和各种参数设置无误后，我们对程序进行在线状态监控发现，随着累积总量的不断扩大，达到了 20 多万吨，而每秒累积的数据过小（0.01 的精度），PLC 时常会出现停止计量的情况。经不断调试试验找到了一个很好的办法：在计算程序中，增加乘法和减法等指令，将瞬时流量数据放大 100 倍，再减去 99 倍，计算过程将不会再受到数据过小的影响，经测算，完美解决了终端计量的偏差，如下图所示：图 5 累计流量优化后的局部程序 2.7 运行使用效果 经过对终端计量的设计和调整，计量更为合理、精确，实现了精准配煤和经济配煤，为锅炉的正常稳中国科技期刊数据库 工业 A-140-定运行提供了基本保障，同时也为输配煤系统智能化应用打下了重要基础。3 效益分析 3.1 经济效益 设计了输煤、配煤的一键启停和自动倒仓、配煤的智能调节等功能，优化了电厂人员结构，实现输配煤系统无人值守，共计减员 10 人，按年人均工资 5 万元计算，每年可减少工资成本 50 万元；项目能有效实现高、低热值，高硫煤、低硫煤洗渣的精准、合理掺配与锅炉的智能调控，大大降低燃煤成本，并减少脱硫剂的使用，实现了经济配烧。经 6个月的运行数据统计，在综合灰渣收入和发电成本计算，每月可节省燃煤成本 500 吨，按 400 元/吨计算，月节省燃煤成本 20 万元；洗渣的用量 20 增加，每月可增加洗渣用量 1 万吨，增加灰渣销售 8000 吨，综合计算月收入增加：灰渣销售收入-洗渣用量支出=（8000吨60 元/吨）-（1 万吨35 元/吨）=13 万元；折合每年灰渣效益：13 万元12 月=156 万元/年，综合人工成本效益+燃煤成本效益+灰渣效益共计 50+（13+20）12=443 万元/年。3.2 安全和社会效益（1）将输煤、配煤各个环节有机统一，避免了各岗位原始的通信、沟通协调所带来的安全隐患，减少了运行安全风险；（2）项目的实施，降低燃煤热值的使用，使低至400 大卡的煤矸石得到有效利用，解决了煤矿生产伴生的固体废物的处置难题，产生的灰渣全部用于当地建材生产，助力了地方循环经济、低碳经济的发展。（3）项目的实施，确保了机组的稳定运行，降低了污染的产生量，减轻环保设施的运行强度。（4）低热值煤矸石、洗渣的大量使用和次原煤的节省，促进发电厂资源综合利用，为发电厂生产运行模式的调整提供技术基础，为最大限度的提高企业的经济效益起到的积极作用，为企业的可持续发展奠定技术基础。4 结语 电厂输配煤系统的安全可靠性不仅影响整个电厂的正常生产，而且涉及人员的生命安全，这是输煤系统的研究与开发时需要提高与完善的重点。论文在分析比较当前电厂输煤系统的现状和国内外控制技术的发展的基础上，对电厂输煤系统的控制系统进行研究和设计，确保了硬件结构合理，运行可靠。注重每个功能器件的选择，注意系统整体概念，实现了输配煤智能化、一键启停等功能。利用各种传感器实现对系统的检测、故障报警以及处理。对于监控系统采用kingview 组态王软件设计，对整个系统进行监控操作。为保证系统可靠运行，采用 4#、5#皮带机合并设计的分仓输煤方案和输配煤系统的一键操作，可以进行自动倒仓和自动启停、智能调节；对配煤的计量系统进行了软硬件的设计和优化，实现了精准计量；锅炉和输配煤系统的组网通信实现了两个系统的统一管控、智能调节，根据系统的需要在通信方面采用了一主多从的方式。该课题在研究电厂输配煤系统的情况下，对系统的设计提出合理化的设计方案，实现了电厂输煤系统的有效控制和监测，最后使系统运行效果更好，安全、可靠、操作方面，更具有显著的经济效益和社会效益。参考文献 1武国平,吉日格勒,周永利,等.精准配煤系统的研究与应用J.煤炭工程,2020,52(2):47-50.2杨瑞峰,解振海,章力,等.基于筒仓模式下的智能精准配煤系统研究与探索J.煤炭加工与综合利用,2020,5(11):41-43.3孙凯蒂,刘臻,谷红伟,etal.化工原料煤智慧配煤优化系统研究与应用J.中国煤炭,2023,49(5):108-116.4李强,赵海峰.泊江海子选煤厂均质化配煤技术研究与应用J.煤炭工程,2020,52(1):4.5李旭芳.火电厂输煤程控系统及燃煤计量方法的研究D.陕西:西安建筑科技大学,2005.