入炉煤质监测系统和方法与流程

本公开涉及电站锅炉节能优化领域，特别涉及一种入炉煤质实时在线监测系统和方法。

背景技术：

我国能源构成是以煤炭为主，目前火电占据所有发电规模的70％左右。根据电力工业中长期发展的最新预测，到2020年，我国装机总容量将达到13.4亿千瓦，其中煤电装机总容量为9.1亿千瓦，预计到2050年，我国火电机组发电方式仍高居所有发电方式的55-60％，在相当长的一段时期内，我国的能源结构仍将以火力发电为主。未来燃煤机组将向着高效节能、掺混燃烧、超低排放等方向发展。改烧低价煤或是混配煤，已是火电机组在降低成本时首要采取的措施。

目前，燃煤电厂煤粉仓内普遍安装了重锤式、射频导纳等接触式料位计，或者雷达式、激光射线、超声波等非接触式料位计，可以实时监测到煤粉高度，但是料位计监测是煤粉总高度。在配煤掺烧尽量燃用低价煤的政策下，同一个原煤仓内可能存在多个煤种，而运行人员对于最下层实际入炉的煤种更为关心。现有煤粉仓对于运行人员而言类似于一个黑箱，仓内煤种的改变和实际入炉的煤种不易被实时掌握，不利于运行调整。

同时，对于现有燃煤机组，已陆续安装了煤质在线检测设备，但若想通过这些设备实时监测出各台磨的实际入炉煤种，需要在每台磨的入炉煤粉管道安装设备，以300mw切圆燃烧机组为例，5台磨煤机，需要安装20套设备，投资巨大，维护困难。而对于其他没有安装煤质在线检测设备的机组，大多依旧采用离线采样化验检测煤质，采样频率8-24小时，如此大的滞后，根本无法满足锅炉的实时燃烧调整和优化运行。

技术实现要素：

本公开提供一种对入炉煤质进行监测的方案，可有效提升机组煤质信息化能力和运行优化水平。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种入炉煤质监测系统，包括：数据采集模块，被配置为采集锅炉和制粉系统的运行数据；煤质成分信息采集模块，被配置为从离线采样化验报告中采集煤质指标；通信模块，被配置为将数据采集模块所采集的数据和煤质成分信息采集模块所采集的煤质指标发送给监测模块；监测模块，被配置为根据所述运行数据和所述煤质指标，获得原煤仓多煤种分层状态、当前入炉煤质情况和燃烧煤种变更提醒信息；运行显示模块，被配置为显示所述原煤仓多煤种分层状态、当前入炉煤质情况和燃烧煤种变更提醒信息。

在一些实施例中，所述煤质指标包括煤质灰分、煤质水分、煤质发热量、煤质挥发分和煤质硫分。

在一些实施例中，监测模块被配置为根据所述运行数据，确定上煤的初始时刻t1；根据所述运行数据获取当前时刻的煤位高度h1，并根据预设的煤位高度-煤量关系h-m曲线获得与煤位高度h1对应的煤量m1；在上煤时间段内，计算从t1开始到指定的时刻t2内的下煤量；利用所述煤量m1减去所述下煤量以获得相应的煤量m2，根据预设的煤量-煤位高度关系m-h曲线获得与煤量m2对应的煤位高度h2，以便将煤位高度h2作为两个煤质的分界面。

在一些实施例中，监测模块被配置为根据所述运行数据，确定上煤的初始时刻t，将所述上煤的初始时刻t减去预定的滞后时间△t，以得到误差校正后的初始时刻t1；其中，根据以下三个条件确定上煤的初始时刻t：第一、原煤仓犁煤器处于投运状态；第二、计算当前时刻之前的n1个料位样本数据的算术平均值，连续k个时刻的料位算术平均值均大于前一时刻的料位算术平均值；第三、在长度为n2的数据采集间隔内不再上煤。

在一些实施例中，监测模块被配置为在煤位高度h2小于预定值的情况下，产生燃烧煤种变更提醒信息。

在一些实施例中，监测模块被配置为根据原煤仓的结构，找到圆柱形段和圆锥形段的分界煤位高度hfen，其中原煤仓的结构为上方是圆柱形段、下方是圆锥形段；根据历史数据找到原煤仓煤位高度的变换区段，其中在变换区段中，最大值hmax大于hfen，最小值hmin小于hfen；以hmin所处时间为计算起点，将对应时刻的煤位高度记为mmin，在变换区段内对给煤量进行积分，得到煤量与mmin的变化量△m，再由时间点查询煤位，得到煤位高度与hmin的变化量△h，直至煤位到达最大值的时刻为止，由此取得离散的煤位高度变化量与煤量变化量，即△h-△m的数据表格；对△h-△m的离散数据采用插值的方式，以计算出变换区段内煤仓的煤位高度变化量-煤量变化量△h-△m曲线；分别在圆柱形段和圆锥形状段，以预定斜率将△h-△m曲线向原煤仓满仓高度和空仓高度延伸，以得到原煤仓从满仓到空仓全部高度的煤位高度-煤量曲线，即h-m曲线；对h-m曲线进行转置，可以得到煤量-煤位高度关系曲线，即m-h曲线。

在一些实施例中，监测模块被配置为原煤仓在下煤过程中，若给煤机的给煤量在连续n3个样本长度内均大于给煤量门限m，且通过计算当前时刻之前的n4个料位算术平均值，若连续k个时刻的料位算术平均值均不小于前一时刻的料位算术平均值，则指示运行显示模块显示原煤仓板结预警信息。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种入炉煤质实时在线监测方法，包括：采集锅炉和制粉系统的运行数据；从离线采样化验报告中采集煤质指标；根据所述运行数据和所述煤质指标，获得原煤仓多煤种分层状态、当前入炉煤质情况和燃烧煤种变更提醒信息；显示所述原煤仓多煤种分层状态、当前入炉煤质情况和燃烧煤种变更提醒信息。

在一些实施例中，所述煤质指标包括煤质灰分、煤质水分、煤质发热量、煤质挥发分和煤质硫分。

在一些实施例中，根据所述运行数据，确定上煤的初始时刻t1；根据所述运行数据获取当前时刻的煤位高度h1，并根据预设的煤位高度-煤量关系h-m曲线获得与煤位高度h1对应的煤量m1；在上煤时间段内，计算从t1开始到指定的时刻t2内的下煤量；利用所述煤量m1减去所述下煤量以获得相应的煤量m2，根据预设的煤量-煤位高度关系m-h曲线获得与煤量m2对应的煤位高度h2，以便将煤位高度h2作为两个煤质的分界面。

在一些实施例中，确定上煤的初始时刻t1包括：监测模块被配置为根据所述运行数据，确定上煤的初始时刻t；将所述上煤的初始时刻t减去预定的滞后时间△t，以得到误差校正后的初始时刻t1；其中，根据以下三个条件确定上煤的初始时刻t：第一、原煤仓犁煤器处于投运状态；第二、计算当前时刻之前的n1个料位样本数据的算术平均值，连续k个时刻的料位算术平均值均大于前一时刻的料位算术平均值；第三、在长度为n2的数据采集间隔内不再上煤。

在一些实施例中，在煤位高度h2小于预定值的情况下，产生燃烧煤种变更提醒信息。

在一些实施例中，根据原煤仓的结构，找到圆柱形段和圆锥形段的分界煤位高度hfen，其中原煤仓的结构为上方是圆柱形段、下方是圆锥形段；根据历史数据找到原煤仓煤位高度的变换区段，其中在变换区段中，最大值hmax大于hfen，最小值hmin小于hfen；以hmin所处时间为计算起点，将对应时刻的煤位高度记为mmin，在变换区段内对给煤量进行积分，得到煤量与mmin的变化量△m，再由时间点查询煤位，得到煤位高度与hmin的变化量△h，直至煤位到达最大值的时刻为止，由此取得离散的煤位高度变化量与煤量变化量，即△h-△m的数据表格；对△h-△m的离散数据采用插值的方式，以计算出变换区段内煤仓的煤位高度变化量-煤量变化量△h-△m曲线；分别在圆柱形段和圆锥形状段，以预定斜率将△h-△m曲线向原煤仓满仓高度和空仓高度延伸，以得到原煤仓从满仓到空仓全部高度的煤位高度-煤量曲线，即h-m曲线；对h-m曲线进行转置，可以得到煤量-煤位高度关系曲线，即m-h曲线。

在一些实施例中，为原煤仓在下煤过程中，若给煤机的给煤量在连续n3个样本长度内均大于给煤量门限m，且通过计算当前时刻之前的n4个料位算术平均值，若连续k个时刻的料位算术平均值均不小于前一时刻的料位算术平均值，则显示原煤仓板结预警信息。

通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1是根据本公开一个实施例的入炉煤质监测系统的结构示意图；

图2是根据本公开一个实施例的入炉煤质监测方法的流程示意图。

应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

图1是根据本公开一个实施例的入炉煤质实时在线监测系统的结构示意图。如图1所示，入炉煤质实时在线监测系统包括数据采集模块11、煤质成分信息采集模块12、通信模块13、监测模块14和运行显示模块15。

数据采集模块11被配置为采集锅炉和制粉系统的运行数据。

在一些实施例中，采集dcs(distributedcontrolsystem，分布式控制系统)实时数据的接口程序运行在入炉煤质实时在线监测系统的工控机上，它通过modbus通讯协议从dcs数据库中采集数据，并使用通讯接口将它们写入系统工况机上的实时数据库中。相应的运行数据可包括：各个原煤斗犁煤器开关信号、各个原煤斗的煤位高度、各台给煤器转速、实际负荷等。

煤质成分信息采集模块12被配置为从离线采样化验报告中采集煤质指标。

在一些实施例中，煤质指标包括煤质灰分、煤质水分、煤质发热量、煤质挥发分和煤质硫分。可通过离线采样化验报告中提取出煤质指标信息，并将其保存到系统数据库中。

这里需要说明的是，根据离线采样化验报告的时间不同，可确定不同批次的煤质，进而对不同批次的煤质进行标记。标记规则为“机组信息-化验时间-煤质成分”，化验时间设定为“年、月、日、小时”，每一个时间单位设置为两位数，小时按照24小时进制设置，煤质成分包括灰分、水分、发热量和挥发分4种成分。例如，某批次煤质标记为“1#机组-19063014-水分”，代表1#机组在2019年6月30日14时化验的水分数据。

通信模块13被配置为将数据采集模块11所采集的数据和煤质成分信息采集模块12所采集的煤质指标发送给监测模块14。

监测模块14被配置为根据所述运行数据和所述煤质指标，获得原煤仓多煤种分层状态、当前入炉煤质情况和燃烧煤种变更提醒信息。

在一些实施例中，监测模块14被配置为根据运行数据，确定上煤的初始时刻t1。根据运行数据获取当前时刻的煤位高度h1，并根据预设的煤位高度-煤量关系h-m曲线获得与煤位高度h1对应的煤量m1。在上煤时间段内，计算从t1开始到指定的时刻t2内的下煤量，进而利用所述煤量m1减去所述下煤量以获得相应的煤量m2。例如，相应的公式为：

接下来，根据预设的煤量-煤位高度关系m-h曲线获得与煤量m2对应的煤位高度h2，以便将煤位高度h2作为两个煤质的分界面。

在一些实施例中，监测模块14被配置为根据运行数据，确定上煤的初始时刻t。

其中，根据以下三个条件确定上煤的初始时刻t：第一、原煤仓犁煤器处于投运状态；第二、计算当前时刻之前的n1个料位样本数据的算术平均值，连续k个时刻的料位算术平均值均大于前一时刻的料位算术平均值；第三、在时间长度为n2的数据采集间隔内不再上煤。若这三个条件同时成立，则将当前时间作为上煤的初始时刻t。

例如，n1为40个样本数，k为5个时刻数，n2为10分钟。

接下来，将所述上煤的初始时刻t减去预定的滞后时间△t，以得到误差校正后的初始时刻t1。

这里需要说明的是，由于计算延迟，所以所确定的初始时刻t比真实情况要有一定的延迟。在这种情况下，通过利用历史数据，可确定出计算出的初始时刻t和真实的初始时刻之间的延迟△t。通过利用公式

t1＝t-△t

可得到更准确的初始时刻。

在一些实施例中，监测模块14被配置为在煤位高度h2小于预定值的情况下，产生燃烧煤种变更提醒信息。

在一些实施例中，上述h-m曲线和m-h曲线的获得方式如下：

(1)由于原煤仓的结构为上面圆柱形段、下面圆锥形段，因此首先需要通过原煤仓结构图，找到圆柱形段和圆锥形段的分界煤位高度hfen。

(2)在历史数据中，找到原煤仓煤位高度连续大幅变化的一段数据。此变化区段的最大值(记为hmax)要大于hfen，最小值(记为hmin)要小于hfen，即此变化区段包含了从圆锥段到圆柱段的煤位高度变化。

(3)以hmin所处时间为计算起点，将该时刻煤位高度记为mmin，在所选取数据段内对给煤量进行积分，得到煤量与mmin的变化量△m，再由时间点查询煤位，得到煤位高度与hmin的变化量△h，直至煤位最大值时刻为止，即可取得一系列离散的煤位高度变化量与煤量变化量，即△h-△m的数据表格。

(4)对△h-△m的离散数据，采用插值的方式，即可计算出该时间段内煤仓的煤位高度变化量-煤量变化量△h-△m曲线。

(5)由于原煤仓的给煤速率在圆柱段和圆锥段分别是恒定的，所以△h-△m曲线在理论上是一个分段函数，在圆柱段和圆锥段的曲线斜率也分别恒定。分别计算出两段分段函数的曲线斜率，在圆柱段和圆锥段分别以恒定斜率将曲线向原煤仓满仓高度和空仓高度延伸，即可得到原煤仓从满仓到空仓全部高度的煤位高度-煤量曲线，即h-m曲线。

(6)对h-m曲线进行转置，可以得到煤量-煤位高度关系曲线，即m-h曲线。

在一些实施例中，监测模块14还用于对原煤仓板结进行预警。例如，若以下两种情况同时发生，则确定原煤仓发生板结，进而指示运行显示模块显示原煤仓板结预警信息。

第一：原煤仓在下煤过程中，给煤机的给煤量在连续n3个样本长度内均大于给煤量门限m。

例如，n3为30个样本数，m为3吨/时。

第二：通过计算当前时刻之前的n4个料位算术平均值，若连续k个时刻的料位算术平均值均小于前一时刻的料位算术平均值，则可确定当前处于下煤状态，否则认为出现板结状态。

例如，n4为30个样本数，k为5个时刻数。

运行显示模块15被配置为显示原煤仓多煤种分层状态、当前入炉煤质情况和燃烧煤种变更提醒信息。

在一些实施例中，运行显示模块15可提供以下显示内容：

(1)dcs组态页面显示：以dcs组态功能搭建的提供给电厂运行人员的人机交互界面，除了实时显示系统涉及的各个煤质成分、多煤种分界面信息外，还能给出燃烧煤种变更提醒的信息。

(2)历史趋势分析：以曲线的方式对煤质成分、多煤种分界面变化进行历史数据查询，并且可以将多条曲线在同一张图上进行对比，以进行历史趋势分析和对比，还可以查看燃烧煤种变更提醒的历史信息。

(3)实时曲线显示：以实时曲线的方式查看煤质成分、多煤种分界面变化的实时值及变化趋势。

图2是根据本公开一个实施例的入炉煤质监测方法的流程示意图。在一些实施例中，下列的入炉煤质监测方法步骤由入炉煤质监测系统执行。

在步骤201，采集锅炉和制粉系统的运行数据。

例如，相应的运行数据可包括：各个原煤斗犁煤器开关信号、各个原煤斗的煤位高度、各台给煤器转速、实际负荷等。

在步骤202，从离线采样化验报告中采集煤质指标。

在一些实施例中，煤质指标包括煤质灰分、煤质水分、煤质发热量、煤质挥发分和煤质硫分。可通过离线采样化验报告中提取出煤质指标信息，并将其保存到系统数据库中。

这里需要说明的是，根据离线采样化验报告的时间不同，可确定不同批次的煤质，进而对不同批次的煤质进行标记。标记规则为“机组信息-化验时间-煤质成分”，化验时间设定为“年、月、日、小时”，每一个时间单位设置为两位数，小时按照24小时进制设置，煤质成分包括灰分、水分、发热量和挥发分4种成分。例如，某批次煤质标记为“1#机组-19063014-水分”，代表1#机组在2019年6月30日14时化验的水分数据。

在步骤203，根据运行数据和煤质指标，获得原煤仓多煤种分层状态、当前入炉煤质情况和燃烧煤种变更提醒信息。

在一些实施例中，通过根据所述运行数据，确定上煤的初始时刻t1。

例如，根据所述运行数据，确定上煤的初始时刻t。

其中，根据以下三个条件确定上煤的初始时刻t：第一、原煤仓犁煤器处于投运状态；第二、计算当前时刻之前的n1个料位样本数据的算术平均值，连续k个时刻的料位算术平均值均大于前一时刻的料位算术平均值；第三、在时间长度为n2的数据采集间隔内不再上煤。若这三个条件同时成立，则将当前时间作为上煤的初始时刻t。

例如，n1为40个样本数，k为5个时刻数，n2为10分钟。

将所述上煤的初始时刻t减去预定的滞后时间△t，以得到误差校正后的初始时刻t1。

这里需要说明的是，由于计算延迟，所以所确定的初始时刻t比真实情况要有一定的延迟。在这种情况下，通过利用历史数据，可确定出计算出的初始时刻t和真实的初始时刻之间的延迟△t。通过利用公式

t1＝t-△t

可得到更准确的初始时刻。

接下来，根据所述运行数据获取当前时刻的煤位高度h1，并根据预设的煤位高度-煤量关系h-m曲线获得与煤位高度h1对应的煤量m1。在上煤时间段内，计算从t1开始到指定的时刻t2内的下煤量。利用所述煤量m1减去所述下煤量以获得相应的煤量m2。例如，相应的公式为：

随后，根据预设的煤量-煤位高度关系m-h曲线获得与煤量m2对应的煤位高度h2，以便将煤位高度h2作为两个煤质的分界面。

在一些实施例中，在煤位高度h2小于预定值的情况下，产生燃烧煤种变更提醒信息。

在步骤204，显示原煤仓多煤种分层状态、当前入炉煤质情况和燃烧煤种变更提醒信息。

在一些实施例中，原煤仓在下煤过程中，若以下两种情况同时发生，则确定原煤仓发生板结，进而指示运行显示模块显示原煤仓板结预警信息。

第一：原煤仓在下煤过程中，给煤机的给煤量在连续n3个样本长度内均大于给煤量门限m。

例如，n3为30个样本数，m为3吨/时。

第二：通过计算当前时刻之前的n4个料位算术平均值，若连续k个时刻的料位算术平均值均小于前一时刻的料位算术平均值，则可确定当前处于下煤状态，否则认为出现板结状态。

例如，n4为30个样本数，k为5个时刻数。

在一些实施例中，所显示的信息可包括以下内容：

(1)dcs组态页面显示：以dcs组态功能搭建的提供给电厂运行人员的人机交互界面，除了实时显示系统涉及的各个煤质成分、多煤种分界面信息外，还能给出燃烧煤种变更提醒的信息。

(2)历史趋势分析：以曲线的方式对煤质成分、多煤种分界面变化进行历史数据查询，并且可以将多条曲线在同一张图上进行对比，以进行历史趋势分析和对比，还可以查看燃烧煤种变更提醒的历史信息。

(3)实时曲线显示：以实时曲线的方式查看煤质成分、多煤种分界面变化的实时值及变化趋势。

本公开提供的入炉煤质监测方案可以解决现有技术中的黑箱问题，提高机组煤质信息化能力和运行优化水平。通过实施本公开所提供的方案，通过在线检测灰分、发热量、水分、硫分和挥发分，并动态监测在多种煤种情况下煤仓的分层情况，使得运行人员实时掌握入炉煤质变化，指导配煤掺烧及燃烧调整。进而，改善火电厂由于燃料资源质量不稳定或是多样化所给锅炉运行、制粉系统的安全性带来的影响。在燃煤电厂全面推广该技术，可提升机组自动化运行和可视化水平，为机组进一步节能降耗，开辟出新的技术领域。

在一些实施例中，上述功能模块可以实现为用于执行本公开所描述功能的通用处理器、可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller，简称：plc)、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，简称：dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称：asic)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，简称：fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件或者其任意适当组合。

至此，已经详细描述了本公开的实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。