封閉煤場(chǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用

山西國(guó)際能源裕光煤電有限責(zé)任公司 郝永全

1 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)電力事業(yè)蓬勃發(fā)展，封閉或半封閉煤場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用，隨著對(duì)環(huán)保要求的逐漸嚴(yán)格，環(huán)保部門(mén)提出大型煤場(chǎng)需進(jìn)行封閉煤場(chǎng)的建設(shè)[1]。目前，我國(guó)對(duì)于大型電廠封閉煤場(chǎng)的建設(shè)及改進(jìn)也進(jìn)行了大量研究，部分學(xué)者針對(duì)封閉煤場(chǎng)的結(jié)構(gòu)建設(shè)進(jìn)行研究，提出了大跨度鋼結(jié)構(gòu)封閉煤場(chǎng)的施工技術(shù)及方法[2]。部分學(xué)者對(duì)封閉煤場(chǎng)中的設(shè)備進(jìn)行了研究，對(duì)堆取料機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及主要構(gòu)件進(jìn)行分析，提升了堆取料機(jī)以及斗輪機(jī)的工作效率[3]。為了對(duì)煤場(chǎng)內(nèi)存煤的合理搭配供給，提升燃煤效率，王紀(jì)剛等[4]設(shè)計(jì)了智能燃料管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了燃料的合理搭配供給。

由于封閉煤場(chǎng)內(nèi)工作環(huán)境惡劣，部分學(xué)者對(duì)封閉煤場(chǎng)內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行研究[5]，為煤場(chǎng)降塵除塵提供了理論依據(jù)。封閉煤場(chǎng)的建立雖然保證了粉塵不外泄，保護(hù)了外界環(huán)境，但是由于完全封閉，存煤后煤場(chǎng)內(nèi)部粉塵彌漫，能見(jiàn)度極低，工作環(huán)境差，且在操作過(guò)程中易導(dǎo)致危險(xiǎn)的發(fā)生。對(duì)煤場(chǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人化管理及操控系統(tǒng)，是提升電廠儲(chǔ)煤場(chǎng)安全高效管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

裕光煤電煤場(chǎng)位于山西牛村鎮(zhèn)溫池村，來(lái)自盂縣當(dāng)?shù)孛旱V的原煤通過(guò)公路運(yùn)輸至溫池煤場(chǎng)后，再由帶式輸送機(jī)輸送至電廠，煤種以貧煤為主，極易發(fā)生自燃。鑒于此，以裕光煤電儲(chǔ)煤場(chǎng)為工程背景，基于多點(diǎn)激光掃描3D 點(diǎn)云模型成像技術(shù)、紅外測(cè)溫技術(shù)以及精準(zhǔn)人員定位技術(shù)，建立了數(shù)字化煤場(chǎng)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)包括煤場(chǎng)盤(pán)點(diǎn)系統(tǒng)、安全檢測(cè)系統(tǒng)以及燃煤出場(chǎng)管理系統(tǒng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了煤炭?jī)?chǔ)量的精準(zhǔn)盤(pán)點(diǎn)，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤場(chǎng)內(nèi)溫度、可燃?xì)怏w及煙霧粉塵的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在滿足生產(chǎn)需求的前提下，提出最佳堆取煤方案，保證了煤場(chǎng)的安全、高效的前提下，實(shí)現(xiàn)了煤場(chǎng)無(wú)人化、智能化管理。

2 封閉煤場(chǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 工程概況

裕光煤電溫池煤場(chǎng)設(shè)置兩座條形封閉煤場(chǎng)，1號(hào)煤場(chǎng)寬110m，長(zhǎng)214m，煤堆高度為16m，煤場(chǎng)貯量為15.25×104t。2號(hào)煤場(chǎng)寬110m，長(zhǎng)133m，煤堆高度為16m，煤場(chǎng)貯量為9.48×104t。煤場(chǎng)原始盤(pán)煤方式為人工盤(pán)點(diǎn)，由于煤場(chǎng)內(nèi)部粉塵彌漫，工作人員無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行煤儲(chǔ)量盤(pán)點(diǎn)，故盤(pán)煤精度較低，另外每座煤場(chǎng)內(nèi)布置一臺(tái)堆料出力1500t/h，取料出力1500t/h，懸臂長(zhǎng)度為35m 的懸臂式斗輪堆取料機(jī)，斗輪機(jī)為人工操作方式，值班人員工作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大且作業(yè)效率低。并且，由于溫池煤場(chǎng)存煤自然發(fā)火期較短，易發(fā)生煤體自燃現(xiàn)象，加之粉塵濃度大，一旦產(chǎn)生明火，極易發(fā)生煤塵爆炸，嚴(yán)重威脅著煤場(chǎng)的安全，為了解決上述問(wèn)題，本文對(duì)數(shù)字化煤場(chǎng)管理系統(tǒng)進(jìn)行研究，保證工作人員健康和安全的前提下，提升煤場(chǎng)的盤(pán)煤精度，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，保證煤場(chǎng)的安全，實(shí)現(xiàn)了煤場(chǎng)的減員增效。

2.2 封閉煤場(chǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)組成

為了解決溫池煤場(chǎng)堆在生產(chǎn)過(guò)程中存在的上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了封閉煤場(chǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)，數(shù)字化煤場(chǎng)管理系統(tǒng)包含：三維煤場(chǎng)管理、燃煤入場(chǎng)管理、配煤摻燒管理、封閉煤場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、斗輪機(jī)無(wú)人值守系統(tǒng)、煤場(chǎng)盤(pán)點(diǎn)管理、煤場(chǎng)分區(qū)管理、燃煤出場(chǎng)管理、煤場(chǎng)預(yù)警管理等。

圖1 裕光電廠數(shù)字化料場(chǎng)系統(tǒng)框架圖

該系統(tǒng)包括機(jī)上部分、通信網(wǎng)絡(luò)及控制器部分三部分，機(jī)上部分包括安全防護(hù)裝置、設(shè)備定位裝置、激光掃描裝置、紅外測(cè)溫裝置以及視頻監(jiān)控裝置，上述裝置將采集的信息匯總至控制交換機(jī)以視頻交換機(jī)，通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)站無(wú)線及光纖控制箱，傳遞至中控交換機(jī)，通過(guò)控制客戶端及視頻客戶端對(duì)信息進(jìn)行辨析，并通過(guò)中控大屏進(jìn)行展示。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 封閉煤場(chǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

3 封閉煤場(chǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)工作原理

由于封閉煤場(chǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)包含的子系統(tǒng)較多，本文主要對(duì)激光盤(pán)煤系統(tǒng)及安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 激光盤(pán)煤系統(tǒng)

該系統(tǒng)在兩煤場(chǎng)頂部各安裝一套軌道式盤(pán)煤儀，位置為煤場(chǎng)正上方煤棚網(wǎng)架檢修平臺(tái)處，既可以滿足對(duì)煤場(chǎng)無(wú)死角掃描，又能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)與燃煤管理系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在每次自動(dòng)盤(pán)煤結(jié)束后，得到三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，采點(diǎn)過(guò)程如圖3所示，將三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染后，采用基于GPU 技術(shù)的三維圖像重建算法，利用GPU 的高速浮點(diǎn)運(yùn)算能力和幾何運(yùn)算能力對(duì)渲染的三維圖像進(jìn)行重新采樣、歸一化、邊界劃分等處理，及時(shí)快速生成煤場(chǎng)立體圖，還原被測(cè)料場(chǎng)的真實(shí)面貌，如圖4所示。

圖3 盤(pán)煤采點(diǎn)過(guò)程圖

圖4 盤(pán)煤效果圖

同時(shí)，盤(pán)煤完成后系統(tǒng)自動(dòng)將煤場(chǎng)數(shù)據(jù)及三維圖形上傳到燃煤監(jiān)管平臺(tái)，利用WebGL 技術(shù)，程序會(huì)根據(jù)當(dāng)前盤(pán)煤圖形與歷史圖形進(jìn)行對(duì)比，從而得出不同盤(pán)煤時(shí)間點(diǎn)煤場(chǎng)的變化，再結(jié)合相應(yīng)煤質(zhì)數(shù)據(jù)，支持按照煤礦、熱值、硫分、存煤時(shí)間、溫度等指標(biāo)查看分屬不同指標(biāo)區(qū)間的存煤分布情況，通過(guò)對(duì)煤場(chǎng)三維圖形進(jìn)行數(shù)據(jù)解剖，得到每一點(diǎn)的熱值、硫分、存放時(shí)間等參數(shù)，并加以顏色進(jìn)行區(qū)分，最終可衍生出煤場(chǎng)熱值三維圖形、硫分三維圖形、時(shí)間三維圖形、煤場(chǎng)溫度三維圖形等眾多內(nèi)容，為后續(xù)的摻燒精準(zhǔn)化提供技術(shù)支持，有效實(shí)現(xiàn)了在無(wú)人或少人情況下的精準(zhǔn)盤(pán)煤。

3.2 封閉煤場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

封閉煤場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)裝置管理系統(tǒng)作為數(shù)字化煤場(chǎng)管理系統(tǒng)的一個(gè)子模塊，該系統(tǒng)可以通過(guò)數(shù)據(jù)接口與紅外掃描測(cè)溫系統(tǒng)、可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及粉塵、煙氣濃度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行命令交互和數(shù)據(jù)傳輸，并在后臺(tái)實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的報(bào)表統(tǒng)計(jì)、分析及輔助決策。

煤場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)裝置必須具備隨小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)提供溫度狀態(tài)可視、異常報(bào)警、系統(tǒng)用戶管理、歷史記錄、統(tǒng)計(jì)報(bào)表和查詢等主要功能。熱成像儀通過(guò)空間定位控制機(jī)構(gòu)安裝在條形料場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)上，在不影響條形煤場(chǎng)堆取料機(jī)正常工作的情況下，實(shí)現(xiàn)全自主、全天候、無(wú)盲點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)條形煤場(chǎng)的溫度變化。

每個(gè)煤場(chǎng)的紅外掃描測(cè)溫系統(tǒng)采用兩臺(tái)遠(yuǎn)紅外熱成像儀安裝在軌道小車(chē)上，每側(cè)各1臺(tái)，全廠共有4臺(tái)。實(shí)現(xiàn)整個(gè)條形煤場(chǎng)無(wú)盲點(diǎn)連續(xù)測(cè)溫。紅外掃描測(cè)溫系統(tǒng)主要采用遠(yuǎn)紅外熱成像儀作為溫度傳感器，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度閥值時(shí)通過(guò)條形煤場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)裝置軟件發(fā)出預(yù)警信息，并通過(guò)系統(tǒng)軟件顯示報(bào)警溫度和出現(xiàn)高溫的空間位置，確保條形煤場(chǎng)的安全得到有效預(yù)防。紅外測(cè)溫裝置要求接入數(shù)字化煤場(chǎng)管理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視煤場(chǎng)煤堆溫度。上位機(jī)的CRT 上實(shí)時(shí)以列表或曲線形式顯示各個(gè)測(cè)量參數(shù)。當(dāng)被測(cè)量參數(shù)的數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警限時(shí)，就地和控制室內(nèi)均能同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，打印輸出報(bào)表，可以進(jìn)行事故追憶。

并且沿煤場(chǎng)兩側(cè)約每60m 安裝1組可燃?xì)怏w/有害氣體檢測(cè)探頭（兩側(cè)布置，1號(hào)大煤場(chǎng)數(shù)量為2×3組，2號(hào)小煤場(chǎng)數(shù)量為2×2組），每組包含CO、CH4各1只，并配置相應(yīng)的可燃/有害氣體控制器，探頭安裝附件固定在框架結(jié)構(gòu)上，距地面高度按不小于20m。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)及報(bào)警信號(hào)要求，傳送至燃煤管控樓控制室內(nèi)的數(shù)字化煤場(chǎng)管理系統(tǒng)上位機(jī)工程師站，進(jìn)行報(bào)警和監(jiān)視。

封閉煤場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)煤場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證了煤場(chǎng)的安全運(yùn)行，提升了煤場(chǎng)的安全指數(shù)。

4 封閉煤場(chǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

通過(guò)在裕光煤電溫池煤場(chǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)的實(shí)際工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了封閉煤場(chǎng)自動(dòng)定時(shí)及人為手動(dòng)操作盤(pán)點(diǎn)，提高了盤(pán)煤效率以及盤(pán)煤的精度，提高了封閉煤場(chǎng)智能化水平，促進(jìn)了封閉煤場(chǎng)的無(wú)人化管理，保證了封閉煤場(chǎng)的安全運(yùn)行，提高了能源利用率。

儲(chǔ)煤場(chǎng)中數(shù)據(jù)均由激光掃描設(shè)備及紅外溫感設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)的采集及處理，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行快速建模，整個(gè)盤(pán)點(diǎn)到建模完成時(shí)間小于10min，實(shí)時(shí)更新煤場(chǎng)內(nèi)的圖形，自動(dòng)生成三維模型，設(shè)計(jì)了分層分堆計(jì)算管理功能，盤(pán)點(diǎn)誤差小于0.5%，系統(tǒng)對(duì)任意分區(qū)的煤堆進(jìn)行計(jì)算及種類查詢，并且自動(dòng)生成帶煤場(chǎng)立體圖形、存煤量、盤(pán)煤時(shí)間等多功能的報(bào)表，方便人員查閱和記錄，對(duì)煤場(chǎng)的智能化建設(shè)提供了新技術(shù)和新方向。

另外，根據(jù)計(jì)算，封閉煤場(chǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)的建設(shè)有效節(jié)約了人力成本。其中，常規(guī)封閉煤場(chǎng)管理方法中，根據(jù)該封閉式煤場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)情況，每個(gè)煤場(chǎng)需要3人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)盤(pán)煤工作，耗時(shí)3.5h，且盤(pán)煤精度較低，需要3人進(jìn)行設(shè)備操控，以及兩人進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，按照300元/（d·人）人力成本進(jìn)行計(jì)算，每年工作天數(shù)記為240d，每個(gè)煤場(chǎng)可節(jié)約57.6萬(wàn)元/a 人力成本，并且在保證工作人員的健康及安全的前提下，提高了盤(pán)煤精度，提升了煤場(chǎng)的安全系數(shù)。綜上所述，封閉煤場(chǎng)數(shù)字化管理系既滿足高效精準(zhǔn)的盤(pán)煤任務(wù)，又節(jié)約大量的人力成本，保證了儲(chǔ)煤場(chǎng)的安全，促進(jìn)了企業(yè)的智能化建設(shè)，為我國(guó)智能化煤場(chǎng)的建設(shè)提供了理論及實(shí)際意義。