激光盤煤儀在火電廠儲煤場管理中的應用

中圖分類號：TN249 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）14-0069-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.14.018

0 引言

煤場盤點，即盤煤，是火力發(fā)電廠儲煤場管理的重要組成部分。儲煤場存煤通常是極不規(guī)則的，傳統(tǒng)上采用人工丈量法，即將煤堆整理成規(guī)范的立體形狀，再用米尺或經(jīng)緯儀、水準儀等工具測量有關參數(shù)，計算煤堆體積[]。應用傳統(tǒng)方法丈量煤堆體積，存在工作量大、費時費力、準確性差等問題，因此，目前我國很多電廠采用激光盤煤儀來測定煤堆體積。該儀器利用激光系統(tǒng)快速測量整個煤場的各特征點，并能自動記錄其空間坐標，然后采用數(shù)字內(nèi)插擬合技術建立數(shù)字地面模型，從而計算出煤場煤堆的體積[2]。

1 原理方法

1.1 標準依據(jù)

依據(jù)國家標準GB/T31091—2014《煤場管理通用技術要求》、MT/T739—2011《煤炭堆密度小容器測定方法》。

1.2 儀器要求

激光盤煤儀由激光測距儀、水平角編碼器、三腳架、專用計算機及處理軟件組成。盤煤精度要求小于等于 0.5% ，適用于任何大小的煤場，對煤場的長、寬、高及煤堆形狀無限制，并且不受外界磁場干擾。此外，儀器滿足IP67防水、防塵、防振要求，使用環(huán)境溫度 -30～+60Ω^°C 。

1.3 基本原理

激光盤煤儀是在儲煤場建立測量控制網(wǎng)和空間坐標系，利用激光測距儀與角度測量裝置的組合系統(tǒng)，對被測煤堆進行掃描，獲取激光點所接觸表面到觀測網(wǎng)各個測量站點的距離和水平、垂直方向方位角度信息，計算出掃描點的三維空間坐標。通過計算機專用軟件處理，給出煤堆三維立體圖形和煤堆體積。

1.4 測量步驟

1）設備校驗與工具準備：確保計量器具（如激光盤煤儀、皮帶秤等）經(jīng)過校準，誤差控制在允許范圍內(nèi)（如激光盤煤儀誤差 ?0.5% 。對于人工盤點，須準備卷尺、密度測試容器等工具，并按規(guī)范進行堆密度模擬測試。

2）煤堆歸整與密度測定：通過斗輪機或推土機將煤堆整形成規(guī)則幾何體（如梯形、矩形），以減少測量盲區(qū)。根據(jù)煤種、水分及堆放方式分類測定堆密度，可采用容器模擬法（如 0.5m³ 金屬容器加壓實驗）或參考行業(yè)標準（如MT/T739）。

3）體積測量與質量計算：使用便攜式激光盤煤儀，以每秒1800點的高頻采集煤堆表面數(shù)據(jù)（圖1），通過德洛內(nèi)三角網(wǎng)建模生成3D輪廓，誤差可控制在 0.5% 以內(nèi)。根據(jù)體積與堆密度的乘積得出煤量，公式為：質量 體積 × 堆密度。堆密度須按煤種實測，例如某焦煤的加壓堆密度可能達 1.2t/m³ ，而未加壓僅 0.9t/m³ 。

4數(shù)據(jù)對比與分析：將實測數(shù)據(jù)與賬面庫存對比，計算賬貨相符率。賬貨相符率 .= （賬面貨物重量/煤場盤點貨物重量） ×100% 。其中，賬面貨物重量是指賬面庫存的貨物重量，煤場盤點貨物重量是指煤場實際盤點庫存貨物重量。

DOaes總點數(shù)：534

2 數(shù)據(jù)處理

激光盤煤儀的數(shù)據(jù)處理是一個系統(tǒng)化的過程，涵蓋了從數(shù)據(jù)采集到最終分析展示的多個環(huán)節(jié)。

2.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)煤堆測量結果、儀器高度和控制點的坐標，將各測站掃描點按照一定的數(shù)學模型轉換為當前控制網(wǎng)所設坐標系下的坐標，得到拼接后的煤堆表面點云數(shù)據(jù)（圖2）。這些數(shù)據(jù)包含了煤堆表面每個測量點的三維坐標信息 （X，Y，Z） 以及反射強度等其他相關信息。數(shù)據(jù)采集的過程通常是在預設的時間間隔內(nèi)自動進行，以確保數(shù)據(jù)的時效性和準確性。

2.2 數(shù)據(jù)預處理

1）數(shù)據(jù)清洗：剔除異常值和噪聲數(shù)據(jù)，裁剪個別冗余數(shù)據(jù)，對齊并插補多視點云數(shù)據(jù)等，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。這一步驟對于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析至關重要，因為噪聲數(shù)據(jù)可能會影響最終的分析結果。

②）坐標轉換：將掃描儀采集到的斜距、方位角、垂直角等信息轉換為實際的三維坐標。這需要使用特定的坐標轉換公式，以確保數(shù)據(jù)的精確性。

3）數(shù)據(jù)拼接：編輯點云數(shù)據(jù)，進行曲線擬合和曲面重構，建立煤堆數(shù)字高程模型和三維立體模型。若使用多臺掃描儀進行掃描，需將不同掃描儀采集到的數(shù)據(jù)進行拼接和融合，形成完整的煤堆三維點云數(shù)據(jù)。這一步驟確保了數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性[3]。

2.3 數(shù)據(jù)分析與建模

1）三維建模：利用數(shù)字內(nèi)插擬合技術和三維建模算法，根據(jù)點云數(shù)據(jù)生成煤堆的三維立體圖形。這一步驟能直觀地展示煤堆的形狀和分布，為后續(xù)的體積和重量計算提供基礎。

2）體積計算：通過體積積分算法或三維模型的幾何分析，計算煤堆的體積。若基準面上存在非煤物體或建筑，應扣除其預先測定的體積。這一步驟需要精確的算法支持，以確保計算結果的準確性。

2.4 數(shù)據(jù)可視化與展示

1）三維可視化：生成煤堆的三維立體圖形，支持放大、縮小、平移、旋轉等操作，方便用戶從不同角度查看煤堆信息。這一步驟對于直觀理解煤堆的分布和形狀非常有幫助。

2多維度展示：可以生成煤堆的高度圖、剖面圖等，從不同維度展示煤堆的信息，滿足不同用戶的需求。

2.5 報表生成與輸出

1）數(shù)據(jù)報表：根據(jù)計算結果，生成包含煤堆體積、重量、分區(qū)信息等的報表。這些報表可以用于煤場管理、庫存盤點等目的。

2）自定義模板：支持自定義Excel模板，方便用戶根據(jù)需求輸出數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)自己的管理需求定制報表的格式和內(nèi)容。

2.6 數(shù)據(jù)管理與存儲

1）數(shù)據(jù)存儲：將采集和處理后的數(shù)據(jù)存儲在服務器或數(shù)據(jù)庫中，便于歷史數(shù)據(jù)的查詢和分析，更有助于長期跟蹤煤場的變化情況。

2）數(shù)據(jù)更新：支持定期或實時更新數(shù)據(jù)，確保煤場管理的動態(tài)性和實時性，這對于及時調(diào)整煤場管理策略非常重要。

通過以上步驟，激光盤煤儀能夠高效、準確地處理煤堆數(shù)據(jù)，為煤炭管理和決策提供有力支持。這一系統(tǒng)化的過程不僅提高了數(shù)據(jù)處理的效率，還確保了數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，對于現(xiàn)代化煤場管理具有重要意義。

3 結果計算

根據(jù)特征曲線，將所測煤堆切割為若干個四方柱體進行數(shù)學積分計算，四方柱體上端不受形狀限制，均可以計算出實際體積，因而可以根據(jù)實際煤堆計算出實際體積（圖3）。

庫存煤量盤點結果采用標準煤表示，按以下公式計算，結果保留小數(shù)點后兩位：

G_rc=DV

G_ce=DVQ_net，ar/29.271

式中： G_rc 為庫存原煤量 （t）;G_∞ 為庫存原煤折算的標準煤量（tce）; D 為庫存煤堆積密度 （t/m³） ： V 為庫存煤堆積體積 （m³） ： Q_{net，ar} 為庫存煤收到基低位發(fā)熱量（MJ/kg）;29.271 為1kg標準煤的低位發(fā)熱量（MJ/kgce）。

注：GB/T2589建議 1kg 標準煤的低位發(fā)熱量為29.307MJ 。

如果一個煤場分區(qū)存放不同類別的煤，應分區(qū)域給出煤量盤點結果。儲煤場庫存總煤量為各區(qū)域盤點的標準煤量之和。

4 誤差分析

4.1 人為誤差

1特征點選擇不當：在便攜式激光盤煤儀使用中，操作人員需手動選擇煤堆表面特征點進行測量。若特征點分布不均勻（如遺漏凹陷區(qū)域或過度集中于平整區(qū)域），會導致三維建模時內(nèi)插算法擬合表面形狀失真。例如，某電廠實測表明，特征點密度從2500個減少至1000個時，體積誤差可擴大至 3% 以上。

2）姿態(tài)控制誤差：手持設備在移動過程中可能因抖動或傾斜導致激光測距儀姿態(tài)偏移。研究表明，姿態(tài)角（俯仰、橫滾、偏航）誤差超過1時，體積誤差可達 1.2% 。例如，某電廠實測表明，因操作者行走時未保持設備水平，導致煤堆高度數(shù)據(jù)系統(tǒng)性偏低，最終體積計算偏差達 0.8% 。

3定位數(shù)據(jù)同步問題：當設備依賴GPS或斗輪機行程輪定位時，操作人員若未校準定位系統(tǒng)或忽略軌道積煤影響，可能引入坐標偏差。例如，某電廠實測發(fā)現(xiàn)，軌道積煤導致行程輪軌跡誤差 0.1m ，角度偏差 0.3^° ，最終體積誤差達 0.5% 。

4.2 系統(tǒng)誤差

1設備硬件固有誤差。

（1）激光測距精度：激光發(fā)射器與接收器的校準偏差、設備老化等因素導致測距誤差。例如，部分設備在 10% 反射率條件下最大測距誤差可達 ±3cm 。（②）姿態(tài)傳感器誤差：手持或移動式設備的俯仰角、橫滾角測量偏差（如 ±0.5^° 誤差可能導致高度計算誤差達 1.5%） °（3）編碼器定位誤差：軌道移動式設備的編碼器數(shù)據(jù)漂移，導致位置坐標偏移，直接影響三維模型構建精度。

②安裝與定位偏差。

（1）掃描盲區(qū)：早期設備安裝在堆取料機臂上時，受機械臂回轉角度限制（如堆料機有效掃描角度僅 203^° ，導致煤堆邊緣數(shù)據(jù)缺失。

（2）GPS定位偏差：露天煤場中GPS信號受天氣干擾，定位誤差可達米級，影響坐標標定。

3）環(huán)境干擾因素。

（1）溫濕度與粉塵：高濕度或煤場粉塵導致激光散射，測距精度下降（實測濕度 gt;80% 時誤差增加約0.5%） 。

（②）煤堆表面特性：煤堆密度分布不均（如壓實區(qū)與松散區(qū)密度差異達 10% 以上），導致體積-重量換算誤差。

4算法模型局限性。

（1）插值算法誤差：傳統(tǒng)數(shù)字內(nèi)插技術對復雜煤 堆表面擬合不足，實測顯示煤堆頂部凹陷區(qū)域的體 積計算誤差可達 2% 0

（2）陰影補償不足：煤堆遮擋區(qū)域的補償算法未考慮煤堆傾角，導致補償體積偏差（如補償誤差達0.8m³/m） 。

為驗證系統(tǒng)測量準確性，以某電廠每月最后一天盤煤為例，取3個月所得數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)誤差分析。誤差由下列公式計算，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

誤差=測量值真實值 ×100%

由表1可以看出，測量值是2024年1月至3月間每月煤場盤點時所測得的存煤量。由于是雙煤棚煤場，每次測量分別在1A、1B、2A、2B（即南北雙向）四個區(qū)域進行，并根據(jù)每月進煤量、出煤量、剩余煤量得出煤場實際存煤量，即真實值，再通過誤差計算公式得出誤差。根據(jù)誤差列的數(shù)據(jù)，得出測量的最大誤差為 0.48% ，最小誤差為 -0.18% ，系統(tǒng)測量誤差約為 ±0.48% ，小于 0.5% 。激光掃描盤煤精度較高，測量穩(wěn)定，達到預期目標[4]。

5 結束語

在火力發(fā)電廠中，煤場存煤量的精準管理直接影響發(fā)電成本核算和燃料調(diào)度效率。經(jīng)過理論研究、實際操作及結果分析，激光盤煤儀通過以下功能提升了管理效能。

1）測量精度不受外界磁場干擾：盤煤系統(tǒng)中的水平角編碼器采用光電數(shù)碼技術測量水平角度，不受發(fā)電機所產(chǎn)生的磁場以及斗輪機、推土機、皮帶機鋼鐵支架等鐵磁性物質的影響。

2）現(xiàn)場計算和繪圖功能：可在現(xiàn)場完成數(shù)據(jù)采集、體積計算和圖形繪制工作。這不僅省去了數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鳎以诿簣鼍湍芗磿r取得盤煤結果，可以現(xiàn)場檢驗盤煤的正確性。

3）具有觀測點的平面現(xiàn)場顯示功能：此功能不但使觀測情況一目了然，還可以從圖形中立即發(fā)現(xiàn)測量中出現(xiàn)的錯誤并現(xiàn)場改正，提高了觀測數(shù)據(jù)的質量和盤煤成果的精度。

4）應用場景廣：適用于不同物料、不同堆形的大宗商品，涵蓋冶金石化、水泥建材、港口物流、環(huán)保監(jiān)測等行業(yè)。

基于以上特點，激光盤煤儀將工業(yè)級測距技術與智能算法深度融合，解決了傳統(tǒng)盤煤效率低、誤差大、安全性差的痛點。隨著三維建模算法和邊緣計算技術的迭代，激光盤煤儀在復雜工業(yè)場景中實現(xiàn)了亞米級空間分辨率和千分級體積測量精度，成為當前燃煤庫存管理的首選方案。

[參考文獻]

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[3]張茜.火電廠斗輪堆取料機智能化無人值守系統(tǒng)的設計與應用[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2022.

[4]楊青青.基于激光掃描儀的盤煤系統(tǒng)設計與開發(fā)[D].北京：北京林業(yè)大學，2018.

收稿日期：2025-03-25

作者簡介：張佳佳（1986一），男，安徽阜陽人，助理研究員，研究方向：儀器儀表、煤化工。