1、 序号： 编码： 第九届大学生节能减排 社会实践与科技竞赛作品申报书 【科技作品类（含实物制作、软件、设计等）】 作品名称：基于无线射频技术的煤种自动识别及示踪系统 学校全称： 华中科技大学 申报者姓名：覃国宇、梁昌毅、仲柳、程偲哲、方婷 基于无线射频技术的煤种自动识别及示踪系统设计说明书 设计者：覃国宇、梁昌毅、仲柳、程偲哲、方婷 指导教师：向军 （能源与动力工程学院学院 ） 作品内容简介 设计了一种基于无线射频技术的煤种自动识别及示踪系统及方法，该系统包括煤质检测装置、RFID标签、RFID标签投放器、RFID阅读器、煤种数据库、燃烧器控制策略模型和系统控制器。煤质检测装置用于检测燃煤的煤
2、质信息，煤质信息将与相应煤种编号存人煤种数据库；RFID标签用于记载原煤的编号信息；RFID阅读器用于读取RFID标签的编号信息，并将编号信息传输至系统控制器；系统控制器获得煤种编号信息，从煤种数据库读取相应煤质信息，将煤质信息发给燃烧器控制策略模型以得到相应燃烧器控制策略，并将其发送给电厂分散控制系统（DCS），分散控制系统调节锅炉运行参数。本系统可提前预知燃煤的煤质，协助调节锅炉燃烧状况，实现自动优化燃烧的目的，适用于火力发电厂用煤的煤种识别和示踪。 联系人：覃国宇 联系电话：13006128889 EMAIL：952082442 1 研制背景及意义 物联网和工业4.0的浪潮正在席卷全球，
3、而在能源行业，智能电厂的发展也越来越受到人们的关注，但电厂中除了煤种识别机跟踪领域没有较好的解决方法外其他方面都已基本实现自动化、智能化，煤质跟踪成为制约智能电厂发展的瓶颈。而且发电用煤种类繁多，煤质的好坏对锅炉运行起着至关重要的作用，所以有必要在燃煤进入锅炉燃烧前预知燃煤的煤质，便于调节锅炉运行参数，优化燃烧、节能减排并减少锅炉事故的发生。 国内外同类技术发展现状： 经调查发现一种在线入厂煤质检测系统装置，其利用在线检测分析仪实现煤质的在线分析，该装置实现全自动、连续完成制样和化验过程，实现煤质检测封闭、连续、快速的全自动过程，但该装置传感器精度差，测量结果不准确，设备可靠性差，易损坏难维修
4、，且只能做到入厂煤的检测，不能做到煤运输过程的示踪和入炉前煤种的识别。还有一种输送带上煤炭成分实时检测装置，其包括设置在输送带上下方的中子源和伽玛射线探测器，伽玛射线探测器与伽玛能谱分析器、煤炭元素分析处理器以及煤炭工业分析处理器连接。虽然上述装置可以适应煤种变化，在工业现场保持稳定的检测性能指标，但其利用伽玛射线探测器实现煤炭中各元素成分的探测，其设备投入成本高，设备有辐射源，危险性大，且其只能实现煤炭成分及工业成分指标的分析，无法实现燃煤识别及跟踪，对于燃烧器的控制策略无法给出相应指导。此外上述两种装置都是单点取样测量，样本容量低，代表性差，可能出现的偏差也较大，不适合知道锅炉运行。 表一
5、 技术比较表 项目 在线入厂煤质检测系统装置 输送带上煤炭成分实时检测装置 基于无线射频技术的煤种自动识别及示踪系统 主要技术 传感器 中子源和伽玛射线探测器 无线射频技术 技术特点 运行维护成本高 投资维护成本高 安装维护成本低 传感器可靠性差 装置有放射性 结构简单 测量结果参考价值低 测量结果参考价值低 煤质检测结果准确 本系统与原有技术的最大区别在于，现有技术都是对煤种的煤质直接进行检测，而我们的系统是利用电厂原有煤质检测结果，使用无线射频技书对煤种进行示踪和识别。具有运行安装成本低，结构简单，煤质检测结果准确等优点。 2 设计方案 图1、系统结构图 一、无线射频技术 无线射频是20世
6、纪90年代兴起的一种非接触式的自动识别技术。射频技术相对于传统的磁卡及IC卡技术具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能，能同时处理多张卡片等特点。无线射频技术在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。 1) 工作流程 阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据
7、逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。 2) 工作原理 RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(Active Tag，有源标签或主动标签)；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。 一套完整的RFID系统, 是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成, 其工作原理是Reader 发射一
8、特定频率的无线电波能量给Transponder, 用以驱动 Transponder电路将内部的数据送出，此时 Reader 便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。 以RFID 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成, 感应偶合(Inductive Coupling) 及后向散射偶合(Backscatter Coupling)两种, 一般低频的RFID大都采用第一种式, 而较高频大多采用第二种方式。 阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般
9、采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。 在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件(线圈、微带天线等)和微芯片组成无源单元。 二、 基于无线射频技术的煤种自动识别及跟踪系统 该系统包括煤质检测装置、RFID标签、RFID阅读器、煤种数据库、燃烧器控制策略模型和系统控制器。煤质检测装置用于检测燃煤的煤质信息，煤质信息将与相应煤种编号存人煤种数据库；RFID标签用于记载原煤的编号信息；RFID阅读器用于读取RFID标签的编号信息，并将编号
10、信息传输至系统控制器；系统控制器获得煤种编号信息，从煤种数据库读取相应煤质信息，将煤质信息发给燃烧器控制策略模型以得到相应燃烧器控制策略，并将其发送给电厂分散控制系统（DCS），分散控制系统调节锅炉运行参数。本系统可提前预知燃煤的煤质，协助调节锅炉燃烧状况，实现自动优化燃烧的目的，适用于火力发电厂用煤的煤种识别和示踪。 1. 硬件部分 1) 煤质检测装置 煤质检测装置主要用于检测煤场的燃煤的煤质信息，例如煤发热量、工业分析、元素分析、灰熔点等；并对原煤进行编号，例如进来一个煤种进行一次编号，如编号为1，依次类推。然后将煤质信息和煤种编号录入煤种数据库。煤质检测装置的检测结果可自动或人工录入煤种
11、数据库中。煤质检测装置做 本系统不对煤质检测装置做特殊要求，也不配备煤质检测装置，可使用燃煤电厂原有煤质检测装置进行煤质检测，然后将检测结果输入煤种数据库。 表二、煤质检测结果表 项目 煤种编号 类别 名称 符号 单位 1 2 3 工业分析 全水分 Mt 空气干燥基水分 Mad 收到基灰分 Aar 干燥无灰基挥发分 Vdaf 收到基低位发热量 Qnet.ar KJ/Kg 元素分析 收到基碳成分 Car 收到基氢成分 Har 收到基氧成分 Oar 收到基氮成分 Nar 收到基硫成分 St.ar 可磨系数 灰熔融性 灰变形温度 DT 灰软化温度 ST 灰熔化温度 FT 2) RFID标签 RFID
12、标签2用于记载燃煤的编号信息，其在燃煤的输煤皮带起始端投放至燃煤中，随燃煤进入原煤仓，即其在燃煤进入原煤仓之前投放至燃煤中。标签可由标签投放器2进行投放，标签投放器把与原煤对应的编号写入RFID标签，并听从系统控制器的指令或人工指令，自动或人工投放已编号的RFID标签。 具体的，RFID标签为与RFID读写器所用协议对应的标签，可为颗粒状等任意形状，最大截面尺寸在40mm*40mm以内。RFID标签内记载了煤的编号信息。针对电厂复杂的环境，选用感应距离大1m的超高频标签，要求具有耐磨、耐高温、防水、抗金属、抗强磁的特点。 主要参数： 支持协议：ISO18000-6C； 工作频率：902-928
13、MHz； 物理尺寸：小于2.5*2.5*2.5； 读卡速度：64bits读取10ms； 内存容量：EPC 96bits，TID 64bits，USER 512bits； 3) RFID阅读器 RFID阅读器用于读取RFID标签上的编号信息，并将编号信息传输至系统控制器。其布置于储煤设备（煤场或储煤罐）对应的叶轮给煤机之后到磨煤机之前，沿途可根据电厂示踪需要布置多个，磨煤机前必须布置一个，根据读写器的传递信号和读写器的位置可确定煤的位置。如为进一步提高系统可靠性每处可由一个或多个读写器组成，由此可有效保证系统的冗余性。 主要参数： 射频功率：30dBm； 整机功率：12W； 通讯端口：支持TCP
14、/IP、WiFi、RS232、RS485、Wiegand； 工作频率：902-928MHz； 支持协议：ISO18000-6C； 适用标签：UHF EPC Global Class1 Gen2标准标签； 2. 软件部分 1) Access 数据库设计 经由煤粉检测人员或机械采集计算得到的煤粉数据，所投放标签信息以及煤粉燃烧策略需要存储起来以便系统后续调用。在该项目中使用 Microsoft Office Access2013数据库。Microsoft Office Access是由微软发布的关系数据库管理系统。它结合了MicrosoftJet Database Engine 和图形用户界面两项
15、特点，是 Microsoft Office 的系统程序之一。Microsoft Office Access是微软把数据库引擎的图形用户界面和软件开发工具结合在一起的一个数据库管理系统。MS ACCESS以它自己的格式将数据存储在基于Access Jet的数据库引擎里。它还可以直接导入或者链接数据(这些数据存储在其他应用程序和数据库)。 软件开发人员和数据架构师可以使用Microsoft Access开发应用软件,“高级用户”可以使用它来构建软件应用程序。ACCESS是一个面向对象的编程语言,可以引用各种对象，包括DAO(数据访问对象),ActiveX数据对象,以及许多其他的ActiveX组件。
16、可视对象用于显示表和报表，他们的方法和属性是在VBA编程环境下，VBA代码模块可以声明和调用Windows操作系统函数。 结合现场实际需求，本系统建立两个数据库中各自建立了 一个用户类型的表用来存储现场数据和燃烧策略的数据。 其中两个库为： 1. 每种数据库data库（表）：存储从煤质测量处传来的数据，以及标签投放处的数据。 2. 燃烧器控制策略库method库（表）：存储已有的燃烧燃烧策略。 数据表结构实际配置如下图所示。 图2.Data表 图3.Method表 2) 软件系统开发 软件系统是用 Visual Studio 2015 编程工具编写。Visual Studio 是一套基于组件的
17、软件开发工具和其他技术，可用于构建功能强大、性能出众的应用程序。VC 是面向对象的编程语言，在不同窗口下对具有特定功能的控件进行组合就可开发出具有特定功能的应用软件。 结合当前现场实际，优化配风软件的主要功能有如下几个： 1、锅炉所用煤粉化验数据（低位发热值，炉渣含碳量，密度，碳、氢、硫含量等）的实时输入存储与历史查询功能。 2、对助燃剂量（即空气量）依据煤粉成分进行计算。 软件系统主要界面 A. 主界面 图4.主界面 主界面主要用于显示主要流程及作为各个主要分界面的入口。 B. 数据添加界面 图5. 数据添加界面 数据添加界面主要用于将煤质检测结果录入煤种数据库。 C. 标签投放界面 图6.
18、标签投放界面 标签投放界面主要用于输入标签的煤种编号信息。 D. 策略显示界面 策略显示界面主要用于显示各风门的运行参数。鉴于燃烧策略尚不完善，故未能完成该界面。 以四角切圆锅炉的控制参数为例，主要控制一下表格中的各参数。 表三.燃烧器控制策略参数 风门编号 风门开度/ sofa4 sofa3 sofa2 sofa1 ofa DD D周界风 CD C周界风 BC2 BC1 B周界风 AB A周界风 AA 三、系统工作流程 图2、系统工作流程图 目前国内大部分火力发电厂采用入厂煤采样检测结果作为锅炉运行的指导标准的做法并不合理，特别是入厂煤在煤场中堆积一段时间后成分会有所变化，若作为锅炉运行的指
19、导标准则误差很大。此外若电厂采用混煤过程，大多数时候是根据煤种成分和混煤比的方法得到的煤质信息，这样得到的煤质信息与实际偏差很大，若作为锅炉运行的指导标准则误差更大大。所以建议在煤场、卸煤设备和原煤仓之间布置原煤采样机进行采样制粉，再由工作人员进行检测。在原煤采样机之前布置RFID感应器，实时识别采样煤种，防止不同煤种的混合采样。原煤采样机可以配置相应的制粉系统，实现采样制粉一体化。 但考虑到国内大部分火力发电厂的原煤采样装置运行状况不是很好，很多电厂甚至常年不运行的现状，本系统方案设计基于国内电厂使用入厂煤做媒质检测的现状。若采用上述入炉煤采样方法则结果更加精确，对于电厂混煤的煤质检测效果尤
20、为明显。 现根据国内火力发电厂不同运行情况给出系统运行方案如下： 方案一：从煤场向锅炉上单一煤种 RFID标签投放器布置在煤场输煤皮带前段，RFID阅读器布置在磨煤机之前的输煤皮带末端。为达到示踪目的，标签投放器与感应器之间可设置多个感应器。 煤场中的燃煤在入场时已编号并采样检测，检测结果已录入煤质数据库。工作人员要从已编号的煤堆取煤时，控制RFID标签投放器投放若干个带有煤种对应编号信息的RFID标签。RFID标签随输煤皮带经过滚筛，因滚筛筛孔为55mm*65mm-60mm*80mm, RFID标签最大截面尺寸约为10mm*20mm，远小于滚筛筛孔,所以RFID标签不经过碎煤机直接进入下一输
21、煤皮带。然后RFID标签进入原煤仓，4-8小时后RFID标签经料斗进入输煤皮带，在RFID标签经过磨煤机前的输煤皮带末端的RFID阅读器时，RFID感应器读取RFID标签的编号信息，并将编号信息发送给系统控制器。之后RFID标签进入磨煤机，RFID标签采用高韧性材料不会破碎，但内部电路会损坏，最后经磨煤机排渣出口排出。 系统控制器接收到煤种编号信息后与煤种数据库对接并读取对应的煤质检测结果，再将煤质检测结果发给燃烧器控制策略模型并得到最优的燃烧器控制策略。最后系统控制器将燃烧器控制策略发给电厂分散控制系统（DCS）。 对于直吹式锅炉，燃煤从进入磨煤机到进入锅炉燃烧的滞后时间T是很好确定的，电厂
22、运行人员通过经验可以准确判断。但对于中储式制粉系统，由于煤粉仓的存在，滞后时间不能简单的通过经验值判断。我们可以根据经验得到原煤从进入磨煤机到煤粉仓需要的时间T1；电厂中有煤粉仓料位的现成数据，根据煤粉仓煤粉量和料位的对应关系可得到煤粉仓的煤粉量，再根据给粉量可求出时间T2，滞后时间T=T1+T2。 根据电厂实际情况设置燃煤从进入磨煤机到进入锅炉燃烧的滞后时间T，分散控制系统（DCS）或工作人员T时间后根据燃烧器控制策略调节各燃烧器运行参数，达到优化燃烧、减少排放、避免锅炉事故的目的。 方案二：从卸煤设备向锅炉上单一煤种 标签投放器布置在卸煤设备叶轮给煤机之后的皮带前段，阅读器器布置在磨煤机之
23、前的输煤皮带末端。为达到示踪目的，标签投放器与感应器之间可设置多个感应器。 工作人员对入厂煤进行编号，原煤采样人员对原煤进行采样并记录煤种编号，之后将煤质检测结果及编号录入煤质数据库。工作人员在开始对该批入厂煤进行上煤时，控制RFID标签投放器投放若干个带有煤种对应编号信息的RFID标签。之后运行方案与方案一相同。 方案三：从卸煤煤场向锅炉上混合煤种 标签投放器布置在煤场输煤皮带前段，阅读器布置在磨煤机之前的输煤皮带末端。为达到示踪目的，标签投放器与感应器之间可设置多个感应器。 工作人员要从煤场上混合煤时，在标签投放器上设置混合煤种编号（或系统自动生成），同时设置被混合煤种的对应编号和混合比，
24、系统根据输入信息调用煤质数据库对应煤种的煤质检测结果，通过一定算法计算出混合煤种的煤质信息，在将煤质信息和混合煤编号存入煤质数据库。之后运行方案和方案一相同。 方案四：从混煤罐向锅炉上混合煤种 标签投放器布置在混煤罐出口处输煤皮带前段，阅读器布置在磨煤机之前的输煤皮带末端。为达到示踪目的，标签投放器与感应器之间可设置多个感应器。 工作人员要从混煤罐上混合煤时，在标签投放器上设置混合煤种编号（或系统自动生成），同时设置被混合煤种的对应编号和混合比，系统根据输入信息调用煤质数据库对应煤种的煤质检测结果，通过一定算法计算出混合煤种的煤质信息，在将煤质信息和混合煤编号存入煤质数据库。之后运行方案和方案
25、一相同。 四系统性能分析 1. 可靠性分析 国内大部分电厂采用的都是入炉煤采样，每次采样检测用时为4-6小时，即从原煤采样编号到煤质检测结果录入煤质数据库需要4-6小时。电场中从上煤到锅炉的最短路径为从卸煤设备处直接经皮带运输带原煤仓，再经皮带到达磨煤机，最后送到锅炉中燃烧。电厂中原煤仓为满足运行安全需求储存有供锅炉燃烧5-8小时的燃煤量，原煤在其他运输皮带上运输话费的时间为1-2个小时。即原煤从采样编号到入炉燃烧最短需要6-10小时，对比煤质检测结果录入数据库的时间我们可知，在原煤进入燃烧器燃烧之前我们可以得到入厂煤的煤质检测结果，这是本系统功能实现的前提之一。 采用入厂煤采样检测结果作为锅
26、炉燃烧的指导标准并不合理，特别是入厂煤在煤场中堆积一段时间后成分会有所变化，电厂混煤是根据煤种成分和混煤比的方法得到的数据也不是很准确，所以建议在煤场、卸煤设备和原煤仓之间布置原煤采样机进行采样，再由工作人员进行检测。在原煤采样机之前布置RFID感应器，实时识别采样煤种，防止不同煤种的混合采样。原煤采样机可以配置相应的制粉系统，实现采样制粉一体化。如每班上煤时间为2小时，则从采样检测到煤质检测结果录入煤质数据库需6-8小时，燃煤从采样到进入锅炉最短需6-10小时，所以对于直吹式制粉系统，要求电厂煤质检测结果在6小时之内得出并录取煤种数据库，以确保燃煤在入炉前煤质信息 已经录入煤种数据库。 燃煤
27、电厂中输煤皮带的运行速度为2.5m/s，本0系统所用RFID阅读器阅读速度10ms/次为，即每秒读100写次。阅读器安装在皮带上方1m处，阅读器感应范围为5m，经计算可知在RFID标签经过阅读器下方时阅读器可阅读到RFID标签内的信息。输煤皮带上煤层平均厚度为0.35m，最大厚度为0.5m，系统所用RFID阅读器和RFID标签空气中的感应距离为5m，读写速度为每秒10次。 2. 效益分析 A. 成本分析 系统RFID阅读器每个1200元，RFID标签投放器每个1000元，相关安转设备500元，总安装成本为5100元。RFID标签成本为每个2元，电厂平均每天上煤5次，每次上煤投放标签5个，每年运
28、行成本为18250元。每年维护成本为2000。总费用为23550。 B. 收益分析 本系统可实现入炉煤种的自动识别及示踪，并告知电厂工作人员入炉煤种的煤质成分和相应的燃烧器控制策略，以达到优化燃烧减少排放，防止因煤种剧烈变化所导致的锅炉事故的发生。同时对减少排放也有显著效果，为节能减排事业做出贡献。 假设本系统可提高0.1的燃烧效率，对于300MW的机组，每天使用燃煤2500t,则每年可节约原煤9125t，产生经济效益456250元。此外，本系统在防止锅炉事故方面的效果对燃煤电厂的影响更加重要，锅炉一旦发生事故，因事故而无法发电所产生的直接经济损失，以及其他设备因锅炉事故无法运行而产生的间接经
29、济损失都是巨额的。由此可见，本系统将为电厂产生一定的经济效益，同时促进节能减排事业和电厂智能化的发展。 5 创新点及应用 (1)创新点 1）系统设计基于目前运行的大部分火力发电厂的实际情况，系统结构简单，安装、改造、维护方便，运行成本低。 2）将无线射频技术应用到电厂的煤种识别及示踪领域，实现煤种识别及示踪的自动化、智能化。 3）根据电厂复杂的环境选用的先进的超高频无线射频技术，系统使用的标签耐磨损、耐高温、防水防强磁，阅读器灵敏度高、信号穿透力强、抗干扰能力强。 4）系统可根据煤种的煤质信息应用燃烧器控制策略模型制定相应的燃烧器控制策略，达到优化燃烧、减少排放、避免锅炉事故的目的。 (2)应用 本系统可应用到目前运行的大部分燃煤电厂中，可用于单一煤种的识别及示踪，也可用于混合煤种的识别及示踪，适用于直吹式制粉系统和中储式制粉系统，且在直吹式制粉系统中更显其优越性。根据电厂的不同上煤方法和不同制粉系统都给了具体的运行方案。 参考文献 1 陈刚，方庆艳，张成，夏季.电厂锅炉配煤掺烧及经济运行.中国电力出版社2013 2 国电太原第一热电厂.输煤系统和设备.中国电力出版社.2008 3 熊立红.燃料运输设备及系统. 中国电力出版社.2006 4 张磊，马明礼.燃料运行及检修. 中国电力出版社.2006 5 曹长武，电煤采制样及应用. 中国电力出版社.2007
