華陽后石電廠落煤系統(tǒng)智能化建設(shè)研究

吳 濤

（華陽電業(yè)有限公司漳州后石電廠，福建 漳州 363099）

0 引言

華陽電業(yè)有限公司漳州后石發(fā)電廠位于中國福建省漳州市龍海區(qū)港尾鎮(zhèn)后石村，地處九龍江入?？诘哪蟼?cè)，占地約132 hm2。后石電廠于1996年動工建設(shè)，1999年11月28日首臺機(jī)組并網(wǎng)，2008年9月11日第7臺機(jī)組商轉(zhuǎn)運(yùn)營。電廠總裝機(jī)容量為420萬kW，是中國大陸規(guī)模最大的臺資BOT（Build-Operate-Transfer，建設(shè)-經(jīng)營-轉(zhuǎn)讓）企業(yè)，曾一度是國內(nèi)第一大火電廠。后石電廠的7×60萬kW的超臨界燃煤機(jī)組，均屬國際上技術(shù)最先進(jìn)的發(fā)電機(jī)組，其自動化程度在中國各電廠中位居前列。電廠燃用的煤炭為海運(yùn)方式，主要來自國內(nèi)北方港口及印尼、澳大利亞等地。在環(huán)保方面除了脫硫設(shè)備和電除塵設(shè)備，還加裝了脫硝設(shè)備，特別是在20世紀(jì)90年代實(shí)現(xiàn)整個燃煤傳輸系統(tǒng)全封閉化，系國內(nèi)首創(chuàng)，曾獲中國首屆“國家環(huán)境友好工程獎”榮譽(yù)。作為一個20世紀(jì)90年代末期至21世紀(jì)初因國內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展而投運(yùn)的大型典型主力發(fā)電機(jī)組的電廠，在燃料輸送系統(tǒng)中出現(xiàn)了設(shè)備老化、跑冒漏粉、系統(tǒng)內(nèi)部揚(yáng)塵日益增大等問題，雖然經(jīng)過電廠管理層與專業(yè)人員的維護(hù)與設(shè)備更新已有所改善，但是仍不能從根本上解決問題。本文提出的建設(shè)研究，是基于現(xiàn)有問題的技術(shù)革新，對于同類電廠亦有借鑒意義。

1 落料系統(tǒng)智能化國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

落料系統(tǒng)的優(yōu)化可以有效地減少環(huán)境污染物，延長設(shè)備使用壽命，提高輸煤效率，提升火電行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，降低虧損。智能化在輸煤系統(tǒng)中相對來說起步晚、發(fā)展慢，大部分電廠的落煤系統(tǒng)針對某些具體問題做過相應(yīng)的優(yōu)化與改善，例如針對堵煤問題設(shè)計(jì)了流線型落煤管，針對煤流下落不規(guī)律設(shè)計(jì)了彈簧感應(yīng)鎖氣器，針對落煤管磨損問題安裝了耐磨襯板，針對皮帶跑偏問題設(shè)計(jì)了糾偏托輥，針對揚(yáng)塵問題設(shè)計(jì)了水霧噴淋設(shè)備。這些措施只是停留在對現(xiàn)有問題的解決上，缺乏系統(tǒng)的預(yù)防、預(yù)警、分析與應(yīng)對方法，可視化、自動化等智能化技術(shù)利用程度不高。落料系統(tǒng)智能化在食品生產(chǎn)、原料轉(zhuǎn)運(yùn)等現(xiàn)代制造工業(yè)中已十分成熟，具有高度智能化和設(shè)備一體化。但是，輸煤系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)與設(shè)計(jì)方案比較傳統(tǒng)且更新?lián)Q代速度慢，以及大宗運(yùn)輸和煤原料本身問題，影響智能設(shè)備的使用效果，設(shè)備老化損壞等問題也比較突出，阻礙了落煤系統(tǒng)智能化的發(fā)展。

2 華陽后石電廠落煤系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

2.1 落煤管道積煤與堵煤

落料系統(tǒng)的主體是落煤管，目前電廠中的大部分落煤管為傳統(tǒng)的普通落煤管，煤流在管道中下落過程中經(jīng)過拐角時速度急速變化而沖擊管壁，煤炭顆粒特別是濕度大的煤炭顆粒容易黏附在落煤管的內(nèi)壁上，久而久之，落煤管流通面積不斷縮小而造成沖積性堵煤。此外，落煤管底部及兩側(cè)直角處容易形成掛料，若煤灰多含水量大，時間一長則容易發(fā)生掛料性堵煤。

針對電廠中的積料堵煤情況，目前主流的處理方式為人工清堵，但這種方式安全性低，費(fèi)時費(fèi)力且成本高，有些落煤管道積煤部位需要高空作業(yè)，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大，再者敲擊過程中工人近距離暴露在粉塵環(huán)境中會對人的健康造成傷害，而且在光線暗淡的狹長落煤管道不方便確定積煤堵煤部位，增大了落煤管道清理成本。

電廠內(nèi)部分轉(zhuǎn)運(yùn)站采用特定形狀的落煤管，以TT-4轉(zhuǎn)運(yùn)站C7通C10曲線落煤管為例，這些后期的落煤管改造項(xiàng)目中應(yīng)用了曲線落煤管技術(shù)，通過對煤流的動態(tài)模擬仿真設(shè)計(jì)了適應(yīng)性流線型曲線落煤管，能夠有效控制煤流速率，減少了拐角掛煤風(fēng)險(xiǎn)，有效地降低堵煤現(xiàn)象發(fā)生概率[1]。但是，曲線落煤管技術(shù)只能在一定程度上緩解堵煤問題，不可避免地產(chǎn)生積煤與掛料，時間一長導(dǎo)致內(nèi)部依然有被煤灰堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 落料系統(tǒng)揚(yáng)塵問題顯著

后石電廠目前在室外室內(nèi)輸煤皮帶接頭處都設(shè)有落煤管道，用于降低因煤粉落差而引起的粉塵揚(yáng)散，但煤運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的揚(yáng)塵依然比較大，即便是有防塵除塵措施，但效果有限，粉塵能夠輕易穿過管道間隙擴(kuò)散在管道外面，對輸煤現(xiàn)場工作人員的身體健康產(chǎn)生了非常不好的影響。該廠輸煤系統(tǒng)也采用了有動力除塵器，但因年久失修，大多設(shè)備已處于失效狀態(tài)，不僅耗時耗力，而且除塵效果穩(wěn)定性欠佳，現(xiàn)場粉塵污染問題依然嚴(yán)重。

粉塵污染是當(dāng)今大部分電廠輸煤系統(tǒng)普遍存在的問題，很多電廠也開發(fā)并開始嘗試應(yīng)用新的技術(shù)，如無動力抑塵技術(shù)、生物納膜抑塵技術(shù)及電除塵技術(shù)等[2]。但從當(dāng)前行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r來看，輸煤系統(tǒng)防塵抑塵技術(shù)還相對薄弱，缺乏系統(tǒng)且全面的綜合防治措施。為了能夠?qū)崿F(xiàn)更好的防治效果，還需要對粉塵進(jìn)行全面而深入的研究，設(shè)計(jì)高效及合理的輸煤系統(tǒng)粉塵綜合治理方案，是當(dāng)前電廠亟待解決的主要問題。

2.3 落煤管老化損壞速度過快

后石電廠輸煤系統(tǒng)投產(chǎn)至今，轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)大部分還是沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備也沒有大改過。系統(tǒng)運(yùn)行期間，頭部皮帶將煤流送入落煤管道內(nèi)，會直接沖擊漏斗內(nèi)壁，下落過程中也以近似自由落體運(yùn)動沖擊在管道內(nèi)異徑短節(jié)部位，煤流中的煤塊、雜質(zhì)等會加速沖擊部位的磨損。目前，電廠采用的傳統(tǒng)頭部漏斗、落煤管沖擊部位襯板磨損掉落、本體穿孔漏粉，雖經(jīng)多次翻修，但已嚴(yán)重影響本體強(qiáng)度及安全性和可靠性?，F(xiàn)場所有緩沖鎖氣器鎖氣翻板長期受沖擊，出現(xiàn)磨損掉落現(xiàn)象，失去鎖氣作用，沖擊部位落煤管已出現(xiàn)磨穿漏粉現(xiàn)象。TT-4轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)C-7皮帶機(jī)頭部通C-10皮帶機(jī)尾部高落差落煤管項(xiàng)目改造之前，此類設(shè)備磨損老化現(xiàn)象尤為突出。如今采用改造后的曲線落煤管，在一定程度上緩解了這些問題?？梢?，在落料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中調(diào)整落煤管走向、節(jié)距以控制煤流流量、下落速度對于設(shè)備沖擊損壞是可行的，可以進(jìn)一步完善。

2.4 煤流問題造成皮帶機(jī)跑偏與磨損

煤運(yùn)輸過程中造成皮帶機(jī)跑偏的因素比較多，有皮帶本身制造原因，也有皮帶與托輥安裝偏差原因，以及清掃器清掃不干凈等原因。由于落煤管的設(shè)計(jì)、布置及下料速度與總量的控制等方面存在一定的問題，導(dǎo)致煤流下落時偏移落點(diǎn)不正，從側(cè)向沖擊皮帶，使皮帶受力不均勻，造成皮帶中心線脫離皮帶機(jī)中心線，這也是造成皮帶跑偏的一個主要原因。皮帶邊緣與托輥脫離，甚至與機(jī)架發(fā)生摩擦，加劇皮帶損壞速度。而且由于輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中的落煤管是垂直設(shè)計(jì)，煤流會直接沖擊皮帶，造成皮帶劃傷和沖擊磨損，降低皮帶使用壽命，給安全文明生產(chǎn)和設(shè)備運(yùn)行維護(hù)帶來了巨大危害。

設(shè)備制造方面原因可以在設(shè)計(jì)加工過程通過控制制造尺寸得以解決，安裝問題也能夠在施工安裝過程中通過測量和把控加以改善，皮帶清掃不干凈的問題則需要針對清掃裝置入手，而煤流造成的皮帶跑偏現(xiàn)象，就是此番基于落煤管主體研究的智能落料系統(tǒng)需要解決的問題。廠區(qū)內(nèi)有煤料轉(zhuǎn)運(yùn)需要，所以皮帶端部垂直相交是難以避免的，需要從落煤管設(shè)計(jì)入手，從根源上解決這一問題；輔助以自動糾偏裝置，也能夠起到預(yù)防和自動糾正皮帶跑偏問題。

3 后石電廠落料系統(tǒng)智能化建設(shè)建議

針對后石電廠落料系統(tǒng)中存在的管道堵煤、揚(yáng)塵污染、管道破損、皮帶跑偏等問題，經(jīng)過后石電廠和設(shè)計(jì)院有關(guān)人員多次到現(xiàn)場進(jìn)行考察和分析，召開了多次研討會，確定了國內(nèi)外各種先進(jìn)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)在后石電廠應(yīng)用的可行性。鑒于此，本文試提出了一種落料系統(tǒng)智能化的理論并論述其優(yōu)點(diǎn)與可行性。落料系統(tǒng)智能化從設(shè)備本身改良優(yōu)化出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)代視覺識別、3D仿真、工程機(jī)器人、納米技術(shù)及智慧系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，針對落料系統(tǒng)不同的問題提出針對性的智能化解決方案。

3.1 抑塵防堵3D曲線落煤管

3D曲線抑塵防堵落煤管采用離散元分析方法，借助顆粒學(xué)仿真技術(shù)，通過三維設(shè)計(jì)和立體建模技術(shù)對料流進(jìn)行仿真模擬，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行測試和優(yōu)化，具有普遍適應(yīng)性。

落煤管頭部設(shè)計(jì)有弧形集流導(dǎo)流裝置，料流從皮帶落下后可以以較小的沖擊角度與導(dǎo)流擋板漸變接觸，降低頭部漏斗磨損，延長其使用壽命。落煤管采用多邊形流線設(shè)計(jì)，能保證料流的集束式有序滑落，在一定程度上也緩和了料流下落沖擊力，同時將煤流出口速度控制與接料皮帶一致，緩解了煤流沖擊力，降低了粉塵揚(yáng)散。落煤管的曲線設(shè)計(jì)與皮帶輸煤速度吻合，使皮帶上煤流拋落初動能與管道內(nèi)煤流下落勢能疊加，克服了煤流與管道內(nèi)壁的部分摩擦力，降低了沖擊性堵煤和掛料性堵煤的可能性。落煤管在設(shè)計(jì)中通過模擬控制煤流落點(diǎn)，保證了落點(diǎn)不至偏移皮帶中心，使皮帶受力均勻不跑偏[3]。落煤管內(nèi)尤其是沖擊點(diǎn)襯采用埋伏焊工藝的高鉻耐磨合金襯板，落煤管本體與襯板一體堆焊制作，保證了沖擊部位的耐磨性與管道本身的強(qiáng)度。

3.2 落煤管防堵識別與自動清理系統(tǒng)

在3D曲線落煤管的基礎(chǔ)上，針對落煤管中可能出現(xiàn)的積料、堵煤情況，在落煤管頭部漏斗設(shè)置溜槽，控制給煤量，保證配煤均勻；在落煤管容易積煤或者彎曲度較大的節(jié)點(diǎn)處開孔，通過輸氣管將空氣吹入，控制閥設(shè)置開關(guān)時間，定時吹掃清理積煤掛煤部位，防止煤料長時間堆積、結(jié)板造成堵煤；在三通、底部等極易發(fā)生堵煤的位置處設(shè)置防堵報(bào)警與清理組件，發(fā)生堵煤后煤料擠壓報(bào)警組件限位開關(guān)，報(bào)警提示并驅(qū)動敲擊桿，通過擊打堵煤部位振動清理堵煤；在落煤管頭部和底部皮帶部位1．5 m高度處安裝三維深度相機(jī)，采集皮帶上煤料表面數(shù)據(jù)，系統(tǒng)平臺融合速度傳感器采集的信息并計(jì)算上下兩皮帶煤料流量。當(dāng)?shù)撞科^煤料總和小于頭部皮帶落下煤料總和時，會有堵煤風(fēng)險(xiǎn)，平臺會發(fā)出預(yù)警，提示巡檢人員關(guān)注該落煤管。平臺還可向清理組件發(fā)送遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，驅(qū)動敲擊桿擊打可能產(chǎn)生的堵煤部位。若堵煤問題解決，報(bào)警提示和敲擊桿自動停止，若發(fā)生嚴(yán)重堵煤問題且一段時間內(nèi)未解決，平臺會發(fā)出指令使皮帶機(jī)停止工作，并提示管理人員。

3.3 智能粉塵綜合治理系統(tǒng)

在3D曲線落煤管的基礎(chǔ)上，在粉塵源頭處頭部漏斗和底部沖擊部位安裝生物納膜噴灑裝置，接入統(tǒng)一的平臺系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)定時噴灑、自動噴灑等功能。噴灑的生物納膜與煤粉聚合使其自重增加，形成較大的粉塵顆粒團(tuán)而降落，從粉塵產(chǎn)生源頭抑塵；在落煤管附近及皮帶機(jī)沿線安裝粉塵傳感器及高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，傳感器通過激光散射檢測顆粒物產(chǎn)生的散光，設(shè)備分析得到不同直徑顆粒物濃度，并將檢測的粉塵濃度統(tǒng)計(jì)記錄，如果粉塵濃度超標(biāo)，設(shè)備發(fā)出提示并向系統(tǒng)平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，平臺自動處理；在頭部外側(cè)及落煤管出口處安裝超聲霧化裝置，該裝置接入平臺系統(tǒng)，接收平臺發(fā)送的信息請求，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)或間斷地自動噴灑云狀離子云霧，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)塵團(tuán)聚自動降塵。粉塵傳感裝置始終檢測落煤管周圍的粉塵濃度，高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭將檢測記錄拍照并上傳到系統(tǒng)平臺，平臺可以控制生物納膜噴灑裝置定時向落煤管內(nèi)噴灑生物納膜混液，處理傳感器信號，當(dāng)落煤管周圍粉塵濃度超標(biāo)時，會接收來自傳感器的信號并發(fā)送指令信號啟動超聲波霧化降塵。

3.4 皮帶跑偏報(bào)警與自動糾偏系統(tǒng)

在3D曲線落煤管的基礎(chǔ)上，在皮帶中心正上方安裝可見光攝像頭，鏡頭垂直向下對著皮帶，在水平距離處放置一字激光光源，在各條皮帶的頭部、尾部與垂拉張緊位置分別安裝視覺跑偏智能識別AI系統(tǒng)。AI利用圖像識別技術(shù)對皮帶跑偏進(jìn)行診斷，實(shí)現(xiàn)膠帶跑偏的無損監(jiān)測、報(bào)警和緊急停機(jī)；在各條皮帶的頭部、尾部、導(dǎo)料槽出口前段和垂拉張緊位置處安裝液壓糾偏裝置[4]。當(dāng)跑偏檢測裝置檢測到皮帶跑偏現(xiàn)象后，AI系統(tǒng)發(fā)出電信號控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動液壓糾偏裝置進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，使皮帶回歸正常運(yùn)行范圍，從而避免皮帶跑偏造成散料問題，防止皮帶與機(jī)架摩擦而導(dǎo)致皮帶撕裂，能夠保護(hù)皮帶輸送機(jī)正常運(yùn)作。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)落料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝沒有解決運(yùn)行過程中出現(xiàn)的堵煤、揚(yáng)塵等系列問題，不符合可持續(xù)發(fā)展要求，本文從后石電廠落料系統(tǒng)運(yùn)作過程中存在的問題出發(fā)，分析了問題產(chǎn)生來源、電廠現(xiàn)有處理措施及國內(nèi)外相關(guān)的技術(shù)手段，從落料系統(tǒng)智能化出發(fā)提出了針對當(dāng)前系統(tǒng)問題的改進(jìn)方案，針對堵煤、磨損、揚(yáng)塵、皮帶跑偏等現(xiàn)象采取相應(yīng)措施，提升了整的落料系統(tǒng)的綜合性能，該理念更加符合環(huán)境友好型社會的發(fā)展趨勢。