CN110554164A - 一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测系统及方法，该系统包括上煤皮带电机、由上煤皮带电机所带动的上煤皮带、输送的燃料煤、安装于上煤皮带上的取样机、进行煤仓分配的水平皮带、带动其运转的水平皮带电机、安装在水平皮带上的多个犁煤器、给煤机、给煤机入口煤仓、接收取样机制出的煤样用于煤质分析的煤质在线检测装置、接收料位传感器信号并用于料位校正的料位变化分级校正滤波模块、接收各部分信号数据用于输出实时入炉煤质的实时入炉煤质计算装置；本发明还公开了在线监测方法；通过目前安装在上煤皮带上的煤质在线检测装置可获得满足实时运行控制需要的入炉煤质在线数据，为解决煤质波动带来的普遍难题提供低成本的解决方案，实用价值显著。
Description
技术领域
本发明涉及火电站自动控制技术领域，具体涉及一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测系统及方法。
背景技术
国内电力市场化条件下火电机组的运行环境与国外火电机组存在明显的差异。首先，设计煤种受储量和煤矿市场化运作的影响，无法保障电厂全生命周期的稳定供应；其次，煤价市场化但电价相对固定的条件下，火电利润被大幅压缩，改烧低质煤或混配煤已成为大多数电厂的必然选择；第三，电力用煤供应链较长，极大的经济利益驱使各种物流和中间环节给煤质的稳定保证带来大量的不确定性。这些因素造成我国火电机组普遍存在煤质甚至煤种的频繁大幅变化。
这种煤质的显著波动不仅影响制粉系统的性能，而且造成单位煤量燃烧所需空气量的变化和加减负荷所需燃料控制的变化，对锅炉燃烧和机组汽温与汽压等关键参数的控制带来极大的困难。
煤质检测一般需要涵盖灰分、水分、固定碳及发热量等关键指标，随着环保要求的提升，硫元素检测的需求也日益凸显。目前各厂主要通过采制样化验煤质的方法进行入场、上煤的煤质检测，但至少要数小时才能分析出结果，而锅炉的燃烧和出力特征时间一般在5分钟以内，这极大限制了煤质参数在实时运行控制中的应用。
煤质在线检测技术与传统煤质化学分析方法相比，能够实现煤质分析的实时、快速，解决传统的采、制、化方法的工序复杂、结果滞后等问题，对生产指导更及时、更客观。因此，煤质在线检测技术越来越多地应用于煤炭生产过程控制、商品煤配售等过程，具有广阔的市场需求。目前煤质在线监测装置有很多种，例如基于伽马射线、激光脉冲、自然辐射、微波等检测手段的煤质在线检测装置均有公开的应用案例。
然而，尽管现有煤质在线检测已能实现分钟级的快速检测，但仍无法用于实时运行控制解决煤质波动带来的燃烧和协调控制难题，主要原因有以下两个方面：
(1)做不到真正直接测量入炉煤质。一方面这类煤质检测装置价格较为昂贵，对于一般5至6台磨煤机的主流大功率燃煤机组来说，进行入炉煤质的在线直接测量，需为每台磨煤机配置一台在线检测设备，投入成本过高；另一方面现有典型电站设计的磨煤机的入口和出口没有预留相应的空间和配置方案来安置取样和在线检测设备。因此现有实用的电站煤质在线检测装置都是安装在上煤皮带上，这样一般两台机组可以共用一台装置，投入成本大幅降低，但带来的直接问题是在线检测的是上煤的煤质而不是实时入炉燃烧的煤质，中间有大量传送皮带、犁煤器、原料仓储等环节，无法直接用于在线的实际运行控制，仅能供运行人员在一定范围内参考。
(2)利用上煤煤质在线数据估算入炉煤质存在较大不确定性。在难以直接测量入炉煤质的前提下，利用上煤煤质及其相关传送带、犁煤器、原料仓料位等估算入炉煤质理论上具有一定的可行性，但实际存在较大不确定性。经大量调研和实践应用的误差分析发现，直接用于实时运行控制所需精度主要存在于以下几个方面：a.上煤皮带秤受结构限制，对较长的输煤皮带来说，不能准确获得实时通过所在位置的实时煤量，这对煤质检测结果对应的取样点在料仓中位置的确定进而估算入炉时间点带来较大的误差；b.煤质在线检测装置往往不配置独立的取样装置，而使用输煤系统原有设计的取样装置，但常规取样装置没有在取样及取样成功时对取样时刻进行标定，这样制出的煤样无法反推获得取样点所在的原始位置，因而对煤样在原料仓内所在位置的标定丧失了关键依据；c.原料仓料位测量不确定度较大。一方面原料仓料位的测量本身难度较大，以点测量为主的料位测量装置输出常常因料仓内料位顶截面的坍塌、堆高、振打等原因存在较大不确定性，这样检测煤样所处位置难以准确获取，较大的料仓截面使实际入炉煤质变化的测量时间精度偏离数分钟，超出实时运行控制所需的精度要求。
综上所述，虽然目前已经涌现了各类型的煤质在线检测装置，但各种因素制约仍无法获得满足实时运行控制所需的煤质检测数据，使煤质波动仍然困扰绝大多数的燃煤电厂运行人员，成为目前亟待解决的关键性难题。根据相关数据的长期收集和估算，因此带来的直接经济损失每年超过数十亿元。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测系统及方法，通过目前安装在上煤皮带上的煤质在线检测装置可获得满足实时运行控制需要的入炉煤质在线数据，为解决煤质波动带来的普遍难题提供低成本的解决方案，实用价值显著。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测系统，包括上煤皮带电机4、由上煤皮带电机4所带动的上煤皮带1、输送的燃料煤2、安装于上煤皮带1上的取样机3、进行煤仓分配的水平皮带6、带动水平皮带6运转的水平皮带电机7、安装在水平皮带6上的多个犁煤器5、给煤机9、给煤机入口煤仓8、接收取样机3制出的煤样用于煤质分析的煤质在线检测装置10、接收安装在给煤机入口煤仓8上的料位传感器信号并用于料位校正的料位变化分级校正滤波模块11、输出实时入炉煤质的实时入炉煤质计算装置12，实时入炉煤质计算装置12接收取样机3输出的取样时刻、上煤皮带电机4的电流信号、多个犁煤器5的动作开关信号、水平皮带电机7的电流信号、给煤机9的皮带秤煤量信号、煤质在线检测装置10的煤质信息及其分析时刻、料位变化分级校正滤波模块11输出的滤波后料位信号，输出实时入炉煤质。
所述取样机3不仅在上煤皮带1运行后进行取样和制样，而且在抓取煤样时输出开关量信号至实时入炉煤质计算装置12，记录取样时的时间标签，并根据煤质在线检测装置10输出的时间判断是否取样成功并对取样点所在位置进行标定。
采用上煤皮带电机4和水平皮带电机7的输出电流，根据电动机负载特性和输煤负载与皮带上总煤量的物理关系，能够方便的计算出通过某一截面的瞬时煤量，从而获得比皮带上的皮带秤更加精准的截面煤流量的实时数据。
配置有料位变化分级校正滤波模块11，根据料位的变化速率的数量级，很容易区分不同类型的料位变化，针对不同情况对料位数据进行滤波，从而妥善解决料位数据不确定度引起的误差，实现对取样煤质对应位置的标定。
所述实时入炉煤质计算装置12中，以取样机3输出的取样时刻、上煤皮带电机4的电流信号、多个犁煤器5的动作开关信号、水平皮带电机7的电流信号、给煤机9的皮带秤煤量信号、煤质在线检测装置10的煤质信息及其分析时刻、料位变化分级校正滤波模块11输出的滤波后料位信号作为输入，根据煤流动传输过程中的目标系统工艺设计的物料转移先后顺序和流程与牛顿定律即能够定位所分析煤样在整个系统中的大概位置，从而监测这些标定位置的移动，最终将移动至给煤机9的煤质输出，即获得实时入炉的煤质信息。
所述的一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测系统的在线监测方法，基于上煤皮带电机4的电流信号，根据上煤皮带电机4说明书中的异步电动机负载特性曲线或电工学中的异步电动机常用拟合曲线，结合输煤负载与上煤皮带1上总煤量的牛顿定律确定的力学平衡关系，计算出上煤皮带1上所携带煤量的变化，从而根据取样机3所处上煤皮带1上的位置，计算通过取样机3所处截面的瞬时煤量随时间的变化；
取样机3每次取样的时刻加上取样、制样过程和煤质在线检测装置10的分析过程时间都是固定的，因此通过每个煤质在线检测装置10输出结果的时间能够反推取样机3取样时刻是否成功取样，如果间隔时间超出固定时间预设范围则认为对应的取样没有成功取得煤样，同时，如果成功取得煤样，即能够将分析结果的煤质标定至煤流的取样位置；
水平皮带电机7从启动电流开始增加的时刻即对应煤流开始落入水平皮带6的时刻，从而将上煤皮带1的煤流与水平皮带6的煤流进行时间上的对齐，进而将煤质信息标定点准确标定在水平皮带6上；
料位变化分级校正滤波模块11根据给煤机入口煤仓8料位的变化速率的数量级，能够区分不同类型的料位变化；针对上煤类型的料位变化，及其起始位置将上煤皮带1的煤流与给煤机入口煤仓8的料位进行时间上的对齐，从而将煤质信息标定点准确标定在给煤机入口煤仓8的料位上；针对给煤机入口煤仓8振打、料位表面坍塌异常情况引起的料位变化将根据前一次异常变化后的标定料位点进行新一段料位信息的线性变化滤波，从而尽可能准确的消除这类异常变化引起的料位测量不确定性；针对给煤机9引起的料位变化能够将给煤机入口煤仓8的料位对应的煤质信息标定点进行位置更新，从而获得当前时刻进入给煤机9的煤质。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1.可以在上煤皮带1上安装煤质在线检测装置10的条件下实现实时入炉煤质的获取并符合在线控制对煤质精度的要求；
2.利用皮带电机的电流来辅助煤量的测量，解决长皮带安装的皮带秤的实时测量精度问题；
3.利用取样机3输出取样时间获得煤质测量结果的精确位置，使煤质在线监测装置10得到的煤质测量结果可以与实时的煤流位置获得精确的对应，为获得入炉煤质奠定基础；
4.通过料位变化分级校正滤波模块11解决了普遍存在的料位测量不确定度大的问题，有效提高煤质测量结果对应的标定位置精度。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
图中：1——上煤皮带；2——燃料煤；3——取样机；4——上煤皮带电机；5——犁煤器；6——水平皮带；7——水平皮带电机；8——给煤机入口煤仓；9——给煤机；10——煤质在线检测装置；11——料位变化分级校正滤波模块；12——实时入炉煤质计算装置。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测系统，包括由上煤皮带电机4、上煤皮带电机4所带动的上煤皮带1、输送的燃料煤2、安装于上煤皮带上的取样机3、经各级皮带和分配器后进行煤仓分配的水平皮带6、带动其运转的水平皮带电机7、安装在水平皮带6上的多个犁煤器5、给煤机9、给煤机入口煤仓8、接收取样机3制出的煤样用于煤质分析的煤质在线检测装置10、接收安装在给煤机入口煤仓8上的料位传感器信号并用于料位校正的料位变化分级校正滤波模块11、接收各部分信号数据用于输出实时入炉煤质的实时入炉煤质计算装置12，各部分信号数据包括取样机3输出的取样时刻、上煤皮带电机4的电流信号、多个犁煤器5的动作开关信号、水平皮带电机7的电流信号、给煤机9的皮带秤煤量信号、煤质在线检测装置10的煤质信息及其分析时刻、料位变化分级校正滤波模块11输出的滤波后料位信号。
所述取样机3不仅在上煤皮带1运行后进行取样和制样，而且在抓取煤样时输出开关量信号至实时入炉煤质计算装置12，记录取样时的时间标签，并根据在线煤质检测装置10输出的时间判断是否取样成功并对取样点所在位置进行标定。
由于上煤皮带较长，皮带上任何一点的重量都会反映到皮带秤的读数变化，其皮带秤无法准确反映通过某截面的实时煤量，仅能用于总煤量的统计。因此，所述一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测系统采用上煤皮带电机4和水平皮带电机7的输出电流，根据电动机负载特性和输煤负载与皮带上总煤量的物理关系，可以轻易计算出通过某一截面的瞬时煤量，从而获得比皮带上的皮带秤更加精准的截面煤流量的实时数据。
根据大量数据分析可知，料位的变化根据数据特征可分三类：(1)给煤机9运转时，随着给煤的持续，料位会缓慢下降，此种情况料位变化率最低，且只降不升；(2)上煤时，当对应的犁煤器5动作，水平皮带6上的煤大量快速落入给煤机入口煤仓8，会使料位持续快速增加，此种情况料位变化率较大，且应只降不升；(3)为了防止堵煤，煤仓安装有振打装置，振打时可能导致料位顶部形状发生变化，对于多数料位计来说，此时容易导致读数的快速变化，此外，在上煤过程中和给煤过程中，也可能因局部塌陷造成料位计读数的快速变化，这类异常情况的料位变化速度非常快，远超前面两种情况。
因此，根据大量数据和研究分析可知，前述三类料位变化呈现变化速度的明显差异，这种差异是数量级上的差异。因此本发明用于实时运行控制的入炉煤质在线监测系统配置有料位变化分级校正滤波模块11，根据料位的变化速率的数量级，很容易区分不同类型的料位变化，针对不同情况对料位数据进行滤波，从而妥善解决料位数据不确定度较高引起的误差，实现对取样煤质对应位置的标定。
所述实时入炉煤质计算装置12中，以取样机3输出的取样时刻、上煤皮带电机4的电流信号、多个犁煤器5的动作开关信号、水平皮带电机7的电流信号、给煤机9的皮带秤煤量信号、煤质在线检测装置10的煤质信息及其分析时刻、料位变化分级校正滤波模块11输出的滤波后料位信号作为输入，根据煤流动传输过程中的目标系统工艺设计的物料转移先后顺序和流程与牛顿定律即能够定位所分析煤样在整个系统中的大概位置，从而轻易监测这些标定位置的移动，最终将移动至给煤机9的煤质输出，即可获得实时入炉的煤质信息。
所述一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测方法，基于上煤皮带电机4的电流信号，根据上煤皮带电机4说明书中的异步电动机负载特性曲线或电工学中的异步电动机常用拟合曲线，结合输煤负载与上煤皮带1上总煤量的的牛顿定律确定的力学平衡关系，可以轻易计算出上煤皮带1上所携带煤量的变化，从而根据取样机3所处上煤皮带1上的位置，计算通过取样机3所处截面的瞬时煤量随时间的变化。
所述一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测方法，取样机3每次取样的时刻加上取样、制样过程和煤质在线检测装置10的分析过程时间都是固定的，因此通过每个煤质在线检测装置10输出结果的时间可以反推取样机3取样时刻是否成功取样，如果间隔时间超出固定时间一定范围则认为对应的取样没有成功取得煤样，同时，如果成功取得煤样，即可将分析结果的煤质标定至煤流的取样位置。
水平皮带电机7的电流从启动电流水平开始增加的时刻即对应煤流开始落入水平皮带的时刻，从而将上煤皮带煤流与水平皮带的煤流进行时间上的对齐，从而将煤质信息标定点准确标定在水平皮带7上。
料位变化分级校正滤波模块11根据给煤机入口煤仓8料位的变化速率的数量级，很容易区分不同类型的料位变化。针对上煤类型的料位变化，及其起始位置可以将上煤皮带1的煤流与给煤机入口煤仓8的料位进行时间上的对齐，从而将煤质信息标定点准确标定在给煤机入口煤仓8的料位上；针对给煤机入口煤仓8振打、料位表面坍塌等异常情况引起的料位变化将根据前一次异常变化后的标定料位点进行新一段料位信息的线性变化滤波，从而尽可能准确的消除这类异常变化引起的料位测量不确定性；针对给煤机9引起的料位变化可以将给煤机入口煤仓8的料位对应的煤质信息标定点进行位置更新，从而获得当前时刻进入给煤机9的煤质。
Claims (6)
1.一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测系统，其特征在于：包括上煤皮带电机(4)、由上煤皮带电机(4)所带动的上煤皮带(1)、输送的燃料煤(2)、安装于上煤皮带(1)上的取样机(3)、进行煤仓分配的水平皮带(6)、带动水平皮带(6)运转的水平皮带电机(7)、安装在水平皮带(6)上的多个犁煤器(5)、给煤机(9)、给煤机入口煤仓(8)、接收取样机(3)制出的煤样用于煤质分析的煤质在线检测装置(10)、接收安装在给煤机入口煤仓(8)上的料位传感器信号并用于料位校正的料位变化分级校正滤波模块(11)、输出实时入炉煤质的实时入炉煤质计算装置(12)，实时入炉煤质计算装置(12)接收取样机(3)输出的取样时刻、上煤皮带电机(4)的电流信号、多个犁煤器(5)的动作开关信号、水平皮带电机(7)的电流信号、给煤机(9)的皮带秤煤量信号、煤质在线检测装置(10)的煤质信息及其分析时刻、料位变化分级校正滤波模块(11)输出的滤波后料位信号，输出实时入炉煤质。
2.根据权利要求1所述的一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测系统，其特征在于：所述取样机(3)不仅在上煤皮带(1)运行后进行取样和制样，而且在抓取煤样时输出开关量信号至实时入炉煤质计算装置(12)，记录取样时的时间标签，并根据煤质在线检测装置(10)输出的时间判断是否取样成功并对取样点所在位置进行标定。
3.根据权利要求1所述的一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测系统，其特征在于：采用上煤皮带电机(4)和水平皮带电机(7)的输出电流，根据电动机负载特性和输煤负载与皮带上总煤量的物理关系，能够方便的计算出通过某一截面的瞬时煤量，从而获得比皮带上的皮带秤更加精准的截面煤流量的实时数据。
4.根据权利要求1所述的一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测系统，其特征在于：配置有料位变化分级校正滤波模块(11)，根据料位的变化速率的数量级，很容易区分不同类型的料位变化，针对不同情况对料位数据进行滤波，从而妥善解决料位数据不确定度引起的误差，实现对取样煤质对应位置的标定。
5.根据权利要求1所述的一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测系统，其特征在于：所述实时入炉煤质计算装置(12)中，以取样机(3)输出的取样时刻、上煤皮带电机(4)的电流信号、多个犁煤器(5)的动作开关信号、水平皮带电机(7)的电流信号、给煤机(9)的皮带秤煤量信号、煤质在线检测装置(10)的煤质信息及其分析时刻、料位变化分级校正滤波模块(11)输出的滤波后料位信号作为输入，根据煤流动传输过程中的目标系统工艺设计的物料转移先后顺序和流程与牛顿定律即能够定位所分析煤样在整个系统中的大概位置，从而监测这些标定位置的移动，最终将移动至给煤机(9)的煤质输出，即获得实时入炉的煤质信息。
6.权利要求1至5任一项所述的一种用于实时运行控制的入炉煤质在线监测系统的在线监测方法，其特征在于：基于上煤皮带电机(4)的电流信号，根据上煤皮带电机(4)说明书中的异步电动机负载特性曲线或电工学中的异步电动机常用拟合曲线，结合输煤负载与上煤皮带(1)上总煤量的牛顿定律确定的力学平衡关系，计算出上煤皮带(1)上所携带煤量的变化，从而根据取样机(3)所处上煤皮带(1)上的位置，计算通过取样机(3)所处截面的瞬时煤量随时间的变化；
取样机(3)每次取样的时刻加上取样、制样过程和煤质在线检测装置(10)的分析过程时间都是固定的，因此通过每个煤质在线检测装置(10)输出结果的时间能够反推取样机(3)取样时刻是否成功取样，如果间隔时间超出固定时间预设范围则认为对应的取样没有成功取得煤样，同时，如果成功取得煤样，即能够将分析结果的煤质标定至煤流的取样位置；
水平皮带电机(7)从启动电流开始增加的时刻即对应煤流开始落入水平皮带(6)的时刻，从而将上煤皮带(1)的煤流与水平皮带(6)的煤流进行时间上的对齐，进而将煤质信息标定点准确标定在水平皮带(6)上；
料位变化分级校正滤波模块(11)根据给煤机入口煤仓(8)料位的变化速率的数量级，能够区分不同类型的料位变化；针对上煤类型的料位变化，及其起始位置将上煤皮带(1)的煤流与给煤机入口煤仓(8)的料位进行时间上的对齐，从而将煤质信息标定点准确标定在给煤机入口煤仓(8)的料位上；针对给煤机入口煤仓(8)振打、料位表面坍塌异常情况引起的料位变化将根据前一次异常变化后的标定料位点进行新一段料位信息的线性变化滤波，从而尽可能准确的消除这类异常变化引起的料位测量不确定性；针对给煤机(9)引起的料位变化能够将给煤机入口煤仓(8)的料位对应的煤质信息标定点进行位置更新，从而获得当前时刻进入给煤机(9)的煤质。
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