适用于火电厂的电气工程自动化节能控制系统的制作方法

本申请涉及节能控制系统，具体而言，涉及一种适用于火电厂的电气工程自动化节能控制系统。

背景技术：

目前国内的电力供应主要以火电为主。根据中国电力网数据，以2008年1-6月份为例，全国规模以上发电厂发电量为16803.19亿千瓦时，其中火电为144149.83亿千瓦时。火力发电厂在运行时需要消耗大量的煤。我国一般情况下，一台12.5万kw的机组标准煤耗为380g/kwh，一台30万kw机组的标准发电煤耗为330g/kwh。先进国家30万kw机组的标准仅为每千瓦时300克左右的煤耗水平，可见，我国火力发电厂的煤耗有较大的降耗空间。有效降低发电煤耗，对于火力发电厂节能减排及降低运行费用均具有重大意义。

在相关技术中，为了实现节能的目的，往往通过现有的炉膛检测系统和温度场检测系统对锅炉的燃烧模式进行改进，从而实现降低能耗的目的。

然而，由于锅炉内部的情况复杂且处于高温状态，获得数据噪音较多且无法数据重现，这样对更精确的节能控制带来了挑战。

技术实现要素：

本申请的主要目的在于提供一种适用于火电厂的电气工程自动化节能控制系统，以解决火电厂根据发电情况智能节能问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了适用于火电厂的电气工程自动化节能控制系统。

根据本申请的适用于火电厂的电气工程自动化节能控制系统包括：煤粉计量子系统，用于检测进入火电厂锅炉的煤粉的进煤参量；炉渣计量子系统，用于检测火电厂锅炉排出的炉渣的第一类排出参量；细灰计量子系统，用于检测火电厂除尘器排出的细灰的第二类排出参量；工况监测子系统，至少用于监测火电厂发电机的功率数据、汽轮机的出力数据和锅炉内的燃烧状态数据；工况控制子系统，至少用于控制火电厂锅炉的进煤量、进风量；工况策略子系统，用于根据煤粉计量子系统、炉渣计量子系统、细灰计量子系统、工况监测子系统的数据输出供工况控制子系统执行的控制参数；其中，煤粉计量子系统、炉渣计量子系统、细灰计量子系统、工况监测子系统、工况控制子系统分别与工况策略子系统构成通讯连接以传输数据。

进一步地，煤粉计量子系统包括：煤粉输送带，用于运输已经经过研磨和干燥的煤粉；煤粉计量图像采集装置，用于采集煤粉在煤粉输送带上的图像数据。

进一步地，煤粉计量图像采集装置包括：第一类俯拍光学摄像头，用于从俯视角度采集煤粉在煤粉输送带上的可见光图片；第一类俯拍毫米波摄像头，用于从俯视角度采集煤粉在煤粉输送带上的毫米波图片；其中，进煤参量包括第一类俯拍光学摄像头和第一类俯拍毫米波摄像头采集的图像数据。

进一步地，煤粉计量图像采集装置还包括：第一类侧拍光学摄像头，用于从侧视角度采集煤粉在煤粉输送带上的可见光图片；第一类侧拍毫米波摄像头，用于从侧视角度采集煤粉在煤粉输送带上的毫米波图片；其中，进煤参量包括第一类侧拍光学摄像头和第一类侧拍毫米波摄像头采集的图像数据。

进一步地，炉渣计量子系统包括：炉渣输送带，用于运输火电厂渣斗中排出的炉渣；炉渣计量图像采集装置，用于采集炉渣在炉渣输送带上的图像数据。

进一步地，炉渣计量图像采集装置包括：第二类俯拍光学摄像头，用于从俯视角度采集炉渣在炉渣输送带上的可见光图片；第二类俯拍红外光摄像头，用于从俯视角度采集炉渣在炉渣输送带上的红外光图片；第二类俯拍毫米波摄像头，用于从俯视角度采集炉渣在炉渣输送带上的毫米波图片；其中，进煤参量包括第一类俯拍光学摄像头、第二类俯拍红外光摄像头和第二类俯拍毫米波摄像头采集的图像数据。

进一步地，炉渣计量图像采集装置还包括：第二类侧拍光学摄像头，用于从侧视角度采集炉渣在炉渣输送带上的可见光图片；第二类侧拍红外光摄像头，用于从侧视角度采集炉渣在炉渣输送带上的红外光图片；第二类侧拍毫米波摄像头，用于从侧视角度采集炉渣在炉渣输送带上的毫米波图片；其中，进煤参量包括第一类侧拍光学摄像头、第二类侧拍红外光摄像头和第二类侧拍毫米波摄像头采集的图像数据。

进一步地，细灰计量子系统包括：细灰输送带，用于运输火电厂渣斗中排出的细灰；气压传感器，用于检测火电厂除尘器中的气体压力；细灰计量图像采集装置，用于采集细灰在细灰输送带上的图像数据。

进一步地，细灰计量图像采集装置包括：第三类侧拍光学摄像头，用于从侧视角度采集细灰在细灰输送带上的可见光图片；第三类侧拍毫米波摄像头，用于从侧视角度采集细灰在细灰输送带上的毫米波图片；其中，进煤参量包括第三类侧拍光学摄像头和第三类侧拍毫米波摄像头采集的图像数据。

进一步地，细灰计量图像采集装置还包括：第三类侧拍光学摄像头，用于从侧视角度采集细灰在细灰输送带上的可见光图片；第三类侧拍毫米波摄像头，用于从侧视角度采集细灰在细灰输送带上的毫米波图片；其中，进煤参量包括第三类侧拍光学摄像头和第三类侧拍毫米波摄像头采集的图像数据。

本申请的有益之处在于：提供一种综合根据煤粉、炉渣和细灰的参量作为判断根据进而控制煤粉进量以及其他控制参量的适用于火电厂的电气工程自动化节能控制系统。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是现有火电厂的结构示意图；

图2是现有火电厂的燃烧系统的结构示意框图；

图3是根据本申请一种实施例的适用于火电厂的电气工程自动化节能控制系统的示意框图；

图4是根据本申请一种实施例的适用于火电厂的电气工程自动化节能控制系统结合至火电厂燃烧系统的示意框图；

图5是根据本申请一种实施例的煤粉计量子系统的示意框图；

图6是根据本申请一种实施例的炉渣计量子系统的示意框图；

图7是根据本申请一种实施例的细灰计量子系统的示意框图；

图8是根据本申请一种实施例的煤粉计量子系统侧视时实体结构示意图；

图9是图8中称重粉斗的结构示意图；

图10是根据本申请一种实施例的煤粉计量子系统俯视时实体结构示意图；

图11是根据本申请另一种实施例的煤粉计量子系统侧视时实体结构示意图；

图12是根据本申请第另一种实施例的煤粉计量子系统侧视时实体结构示意图；

图13至15是根据本申请一种实施例的炉渣计量子系统三段结构侧视时的实体结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1示出了现有火电厂的结构示意图，从总体而言，火电厂是利用燃料中的化学能在锅炉中燃烧，转化为热能，这种热能被锅炉中的水吸收成为具有一定温度、一定压力的蒸汽，这种具有相当热量的蒸汽冲动汽轮机转动，使热能转化为动能，即机械能，汽轮机借助于这个旋转的动能带动发电机旋转，而发电机将赋予的机械能转变为电能。从图1中可知，锅炉需要产生足够的能量，需要不断的向锅炉提供煤粉，原煤经过磨煤机研磨后送入锅炉中，进行燃烧。燃煤燃尽的灰渣落入炉膛下面的渣斗内，与从除尘器分离出的细灰一起用水冲至灰浆泵房内，再由灰浆泵送至灰场。

具体如图2所示，原煤经过皮带系统输送至煤斗，经过煤斗后输送至磨煤机，磨煤机将原煤磨成煤粉，同时空气预热器将冷空气加热为热空气后送至磨煤机以烘干煤粉，然后将烘干后的煤粉送至锅炉。煤粉经过燃烧后，渣斗手机直接下落的炉渣，而产生的烟气经过除尘器后变为细灰然后排出。

如图3所示，本申请的适用于火电厂的电气工程自动化节能控制系统包括：煤粉计量子系统、煤渣计量子系统、细灰计量子系统、工况监测子系统、工况控制子系统、工况策略子系统。

其中，煤粉计量子系统用于检测进入火电厂锅炉的煤粉的进煤参量；炉渣计量子系统用于检测火电厂锅炉排出的炉渣的第一类排出参量；细灰计量子系统用于检测火电厂除尘器排出的细灰的第二类排出参量；工况监测子系统至少用于监测火电厂发电机的功率数据、汽轮机的出力数据和锅炉内的燃烧状态数据；工况控制子系统至少用于控制火电厂锅炉的进煤量、进风量；工况策略子系统用于根据所述煤粉计量子系统、炉渣计量子系统、细灰计量子系统、工况监测子系统的数据输出供所述工况控制子系统执行的控制参数。

需要说明的是，煤粉计量子系统作用在于采集关于用煤的参考量，这个参考量可以以煤粉的重量计算，也可以直接采用采集的参量作为整个系统进行控制的参量，炉渣计量子系统和细粉计量子系统也是如此。

作为具体方案，工况策略子系统至少根据煤粉计量子系统、炉渣计量子系统、细灰计量子系统采集的图像数据进行工况控制策略设定和输出。

总体而言，煤粉计量子系统、煤渣计量子系统、细灰计量子系统各自采集能反应煤粉使用量、煤渣排出量、细灰排出量的图像数据，输入到工况策略子系统中。

工况监测子系统和工况控制子系统分别将对应的工况监测数据和工况控制参量也输入到工况策略子系统中；工况策略子系统根据输入的数据建立数据模型从而智能获知煤粉使用量、煤渣排出量、细灰排出量对应的工况状态，并根据工况状态进行反馈控制，从而根据煤渣排出量、细灰排出量、工况监测数据(或者目标状态的工况监测数据)、工况控制参量计算出最优的煤粉使用量从而实现节能的目的。

具体而言，工况监测数据包括火电厂的性能参数，比如电机的功率数据和汽轮机的出力数据，工况监测数据还可以包括火电厂各处用于实现控制反馈的数据，比如锅炉内燃烧状态的数据等。工况控制参量则可以包括电厂锅炉的进煤量、进风量，当然也包括其他控制参量，比如汽水系统中各个泵装置转速等。

本申请的基本构思为，在火电厂运行时，当工况稳定时，获取煤粉使用量、煤渣排出量、细灰排出量以及其他工况监测数据和工况控制数据，然后主动控制改变煤粉使用量，然后进行动态监测以获取最优的煤粉使用量和目标工况的对应关系。本申请技术方案优势在于，其引入了煤渣排出量、细灰排出量这两个可以从燃烧结果反映出燃烧质量以及化学能释放结果的参量参与到动态控制，从而避免了采用锅炉内部数据带来的种种弊端，同时本申请采用了相对控制理论，即保证系统安全的情况下，不计较相关参数的绝对值，而仅仅考量过程数据变化对系统工况变化对应关系，在保证系统安全和应有功率输出的基础上，尝试进行降低能源损耗。

作为一种优选方案，工况策略子系统中设有一个卷积神经网络，将获取煤渣排出量、细灰排出量的参量数据以及工况监测数据和工况控制数据作为输入数据，将煤粉使用量作为输出数据来训练该卷积神经网络。当训练一段时间后，通过该卷积神经网络进行进煤量的控制判断。

如图4所示，煤粉计量子系统设置在火电厂的磨煤机和排粉风机之间，炉渣计量子系统设置在锅炉和排灰通道之间，细灰计量子系统设置在除尘器和排灰通道之间。煤粉计量子系统、炉渣计量子系统和细灰计量系统可以在原有的火电厂燃烧系统进行加装从而实现本申请的功能。

具体而言，煤粉计量子系统包括：煤粉输送带和煤粉计量图像采集装置。

其中，煤粉输送带用于运输已经经过研磨和干燥的煤粉。需要说明的是，煤粉输送带为新增设备，以往火电厂中经过磨煤机研磨后的煤粉直接送入排粉风机，本申请为了获取煤粉的参量，即进煤参量，将经过磨煤机研磨后的煤粉利用重力，倾泻在煤粉输送带上以便采集所需的图像数据。

煤粉计量图像采集装置用于采集煤粉在煤粉输送带上的图像数据。

如图8所示，作为实体结构，磨煤机排出煤粉经过漏斗101与落下至运输带102，上运输带102带动煤粉运动至称重粉斗103，在一些无需严格检测的工况时，可以取消称重粉斗103，而是上运输带102将煤粉直接输运到排粉风机处。

在上运输带102的上方设置两个俯视摄像头104、105，它们其中一个为光学摄像头，另一个为毫米波摄像头。其中，光学摄像头用于采集一般的可见光图片，上运输带102采用与煤粉色差较大的底色，这样光学摄像头采集的图片中煤粉水平的形貌既可以获得，而采用毫米波摄像头的原因在于，由于烟尘的影响，可见光图片中煤粉的轮廓可能不准确，采用毫米波图片可以修正可见光图片噪音。

两个俯视摄像头104、105的采集频率与驱动上运输带102电机的转速相匹配，以使俯视摄像头104、105所能采集图片每秒的帧数足以在需要时按照时间顺序能够完整拼接还原上运输带102在某一时段煤粉连续形状的图片。

为了避免煤粉在经过落料后在上运输带102上的残留，在上运输带102下方设有检测摄像头106、滚刷107和吹气喷嘴108，检测摄像头106检测上运输带102煤粉残留的情况(虽然烘干煤粉一般不会残留)，当残留面积较大时，拍摄图像上传(以修正俯视摄像头104、105获得的数据)，滚刷107和吹气喷嘴108用于清理上运输带102上的残留煤粉，可以调整检测摄像头106、滚刷107和吹气喷嘴108的位置，使清理下来残留煤粉仍落在称重粉斗103中。这样亦可以取消检测摄像头106，使滚刷107和吹气喷嘴108以较强强度清理即可。

称重粉斗103固定连接有两个气缸装置109，系统可以通过气缸装置109的压力情况，获知称重粉斗103中的煤粉重量。在称重粉斗103的底部设有电动闸门110，该电动闸门110可以打开从而将煤粉倾泻在下运输带111上，并由下运输带111输运至排粉风机。

称重粉斗103可以通过气缸装置109滑动连接至滑轨112，如图10所示，设置若干称重粉斗103并通过外部驱动它们能往复运动，以便分别对接到上运输带102的位置。

以上设置目的在于实现两种控制模式，其中一种是在一个设定控制周期，比如5分钟，通过测量称重粉斗103中煤粉的重量，来反馈图像采集数据对应重量，因为上运输带103是一直运行的，所以需要设置多个称重粉斗103交替实现称重环节。

作为另外一种控制模式，设置一个设定重量目标，当称重粉斗103中煤粉的重量满足时，称重煤斗103移动，并在称重后，打开电动闸门110，释放煤粉到下运输带。

称重煤斗103移动的方向以及下运输带111的输运方向可以垂直于上运输带102的方向。

作为一种优选方案，在工况测量子系统中还设有一个人工神经网络，将煤粉计量图像采集装置的图像数据拼接数据作为输入数据，将对应该时期的称重煤斗103的称重数据作为输出数据训练该人工神经网络，以获得图像到重量建模数据以使图像数据能代替重量数据。

作为优选方案，煤粉计量子系统还包括煤粉重量传感器用来检测称重煤斗103的称重数据。

因为在实际发电过程中，煤粉需要不断输运，如果一直采用称重粉斗103会导致煤粉供量不足，如果采用较大或较多称重粉斗103又会导致系统实现困难，检测精度下降，所以称重粉斗103仅仅是在进煤量发生变动时或进行相应的人工神经网络训练时所采用的设备。所以，在模型建立后或工况稳定后，称重粉斗103可以移动至一个虚位，使上运输带102直接落料到下运输带111上方。

作为可选方案，可以设置两条上运输带102对应一条横置的下运输带111，而仅在其中一条上运输带下方设置称重粉斗103。这样既可以实现发电用煤量的需要，同时也实现利用称重粉斗103进行数据校正和数据采集的功能。

作为扩展方案，俯视摄像头104、105也可以设置在下运输带111上方，即由先拍摄后称重改为先称重后拍摄的方案。

另外，由于煤粉落在上运输带102上时是立体的，所以需要获得侧视数据，如图10所示，在上运输带102的两侧设置有摄像头112、113，它们其中一个为光学摄像头和一个毫米波摄像头。

为了简化方案，同时为了客户煤粉本身体积蓬松的问题(实际上称重粉斗103也是为了解决这样的问题)，如图11所示，设置有一个压粉装置114，其能将煤粉压平至一定厚度，这样只要获取俯拍图像即可以计算煤粉的进量参数了。

图12示出了一种改进方案，通过一个设置在上运输带102的上方，过粉块115将通过其煤粉都刮高至设定高度。此时也可以仅获取俯拍图像即可。

作为本申请的另一个模块，炉渣计量子系统包括：炉渣输送带和炉渣计量图像采集装置。

其中，炉渣输送带用于运输火电厂渣斗中排出的炉渣；炉渣计量图像采集装置用于采集炉渣在炉渣输送带上的图像数据。

具体而言，炉渣计量图像采集装置包括：第二类俯拍光学摄像头，用于从俯视角度采集炉渣在炉渣输送带上的可见光图片；第二类俯拍红外光摄像头，用于从俯视角度采集炉渣在炉渣输送带上的红外光图片；第二类俯拍毫米波摄像头，用于从俯视角度采集炉渣在炉渣输送带上的毫米波图片；其中，进煤参量包括第一类俯拍光学摄像头、第二类俯拍红外光摄像头和第二类俯拍毫米波摄像头采集的图像数据。

具体而言，炉渣计量图像采集装置还包括：第二类侧拍光学摄像头，用于从侧视角度采集炉渣在炉渣输送带上的可见光图片；第二类侧拍红外光摄像头，用于从侧视角度采集炉渣在炉渣输送带上的红外光图片；第二类侧拍毫米波摄像头，用于从侧视角度采集炉渣在炉渣输送带上的毫米波图片；其中，进煤参量包括第一类侧拍光学摄像头、第二类侧拍红外光摄像头和第二类侧拍毫米波摄像头采集的图像数据。

与之前煤粉计量子系统类似，炉渣计量子系统通过获取图像数据计量炉渣的数据。区别在于，炉渣计量图像采集装置设置红外光摄像头用来采集红外图像，因为刚出炉的炉渣的带有一定热量，通过红外光图像一方面获得炉渣形貌，另一方面通过红外图像颜色获知炉渣携带的温度。这样能够更综合获知炉内燃烧情况。

如图13至图15所示，炉渣计量子系统采用类似煤粉计量子系统类似的结构，但是由于炉渣需要冷却，所以炉渣计量子系统的上运输带202较长，炉渣漏斗201设置在上运输带202第一段上方，在第一段上方还设有摄像头203、204，它们分别是可见光摄像头和红外光摄像头，因为炉渣刚出炉，热量并为散去，因为采用可见光摄像头和红外光摄像头图像采集，在较热时，毫米波摄像头成像会受到影响。

如图14所示，在上运输带202中段，主要是为了实现炉渣冷却，作为优选方案，可以在中段上方设置强制风冷的喷嘴205.

另外，上运输带202可以采用金属链板构成，并在金属链板内置半导体温差发电贴片，利用炉渣的预热发电。

如图15所示，在炉渣冷却至接近常温时，可以采用类似煤粉计量子系统的方案，即也含有细粉的重量传感器对应称重料斗206的称重数据，采集炉渣的相关参量数据。

如图7所示，细灰计量子系统包括：细灰输送带、气压传感器、细灰计量图像采集装置和细粉重量传感器。

其中，细灰输送带用于运输火电厂渣斗中排出的细灰；气压传感器用于检测火电厂除尘器中的气体压力；细灰计量图像采集装置用于采集细灰在细灰输送带上的图像数据；细灰重量传感器用于检测细灰的质量。与煤粉计量子系统区别在于，需要获取气压传感器的数据作为补充，因为一部分燃烧物是以烟尘形式存在，如果需要完整监测燃烧产物，则需要采用气压传感器的数据获知这部分参量。

细灰计量图像采集装置包括：第三类侧拍光学摄像头，用于从侧视角度采集细灰在细灰输送带上的可见光图片；第三类侧拍毫米波摄像头，用于从侧视角度采集细灰在细灰输送带上的毫米波图片；其中，进煤参量包括第三类侧拍光学摄像头和第三类侧拍毫米波摄像头采集的图像数据。

细灰计量图像采集装置还包括：第三类侧拍光学摄像头，用于从侧视角度采集细灰在细灰输送带上的可见光图片；第三类侧拍毫米波摄像头，用于从侧视角度采集细灰在细灰输送带上的毫米波图片；其中，进煤参量包括第三类侧拍光学摄像头和第三类侧拍毫米波摄像头采集的图像数据。

就实体结构而言，细灰计量子系统可以参考如前所介绍的煤粉计量子系统的实体结构。

需要说明的是，细灰和炉渣经过计量后接入现有排灰系统。

作为扩展方案，如前所述，本申请采用了图像数据作为参量数据，并且一些工况监测数据是实时变化的，这里就涉及到一个采样频率的问题。并且煤粉经过煤粉计量子系统后需要一定延时才能进入到炉腔中，因此本申请的工况策略子系统无论在进行卷积神经网络学习和进行数据匹配判断时，根据煤粉计量子系统的速度以及其他输运设备速度，进行延迟处理，从而消除时间差，使煤粉计量子系统图像数据对应到图像中煤粉正在锅炉内燃烧时的工况监测数据、工况控制参量从而提高控制精确程度。

作为扩展方案，工况策略子系统设有两个卷积神经网络，其中一个始终在接收数据建立模型，另一个共享第一个卷积神经网络的模型数据，根据输入参数输出用煤量参考数据。也可以设置第三卷积申请网络作为对照系统，从而避免较大误差的估计。

本申请综合进煤量和煤燃烧残留物的参考量图像和数据进而通过智能判断方式根据工况节约不必要的能源浪费，本申请的技术方案在该构思下可以延及到汽水系统以及火电厂其他能源输入装置的节能控制中。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。