無人機(jī)盤煤在火力發(fā)電企業(yè)燃料管理中的應(yīng)用

王江，薛鐵柱，魏龍

(陜西華電蒲城發(fā)電有限責(zé)任公司，陜西 蒲城 715501)

0 引言

在火力發(fā)電企業(yè)中，燃料成本占整個(gè)發(fā)電生產(chǎn)成本的75%左右。儲煤場的定期盤點(diǎn)是檢驗(yàn)煤場庫存賬面與實(shí)際數(shù)量是否相符的唯一驗(yàn)證途徑。因此，每個(gè)月度煤場存煤量盤點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，直接關(guān)系到火力發(fā)電企業(yè)各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的可控和在控。煤場盤點(diǎn)作為燃料廠內(nèi)管理工作中的一個(gè)重要組成部分，對于科學(xué)合理確定燃料采購量、儲存量,保障入爐煤品質(zhì),減少儲存耗損等方面,都有著十分重要的作用和深遠(yuǎn)的意義。這就要求從業(yè)人員不僅要快速、精確、高效地完成盤煤工作，而且必須及時(shí)出具準(zhǔn)確的盤煤數(shù)據(jù)報(bào)告。

無人機(jī)是一種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)上無人駕駛、可重復(fù)使用的航空器，具有遙控、半自主、自主3種飛行控制方式[1]。伴隨著近年來無人機(jī)技術(shù)的不斷開發(fā)完善，無人機(jī)已經(jīng)在軍事、物流、農(nóng)業(yè)、測繪、救援等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。對于火力發(fā)電企業(yè)而言，露天煤場的盤點(diǎn)采用無人機(jī)方式，在滿足上述技術(shù)要求的同時(shí)，具有顯著的智能化、數(shù)字化等技術(shù)優(yōu)勢。

1 常見盤煤方式簡介

火力發(fā)電企業(yè)常見的露天煤場盤煤方式有人工拉尺和激光盤煤儀2種。

1.1 人工拉尺盤點(diǎn)方式

采用幾何算法公式，計(jì)算煤堆的體積。如果盤點(diǎn)前對煤堆不進(jìn)行整形，會導(dǎo)致很大誤差。在人工盤點(diǎn)前對煤堆進(jìn)行整形，可以提高人工盤點(diǎn)的精度，但是整形的時(shí)間長(以某公司為例，8個(gè)煤場合計(jì)設(shè)計(jì)儲煤量40萬t，通常需要2 d時(shí)間)，并且需要輸煤系統(tǒng)與進(jìn)煤系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，人力、物力投入較大。

受盤點(diǎn)輔助工具限制及盤點(diǎn)人員經(jīng)驗(yàn)值的影響，盤點(diǎn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)鏈的一致性較差，盤點(diǎn)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。

1.2 激光盤煤儀

采用手持式或固定式三維激光測距儀，在煤場四周及頂部采集煤堆特征點(diǎn)，利用軟件三維建模計(jì)算煤堆體積。每次盤煤前需對煤堆進(jìn)行整形(該公司通常需要2 d時(shí)間)，并且需要輸煤系統(tǒng)與進(jìn)煤系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，人力、物力投入較大，且受煤堆分類堆放和輸煤系統(tǒng)摻配煤等客觀因素條件限制，整形效果常常和理想狀態(tài)差距較大。激光打點(diǎn)受煤場揚(yáng)塵及霧霾等天氣影響較大。

激光盤煤儀在盤點(diǎn)前需先建立2個(gè)控制點(diǎn)以確定設(shè)備坐標(biāo)，這2個(gè)控制點(diǎn)要求在煤場的任何位置都可以與盤煤儀進(jìn)行對接。在煤場庫存接近設(shè)計(jì)高度時(shí)，控制點(diǎn)就會成為煤場盤點(diǎn)的瓶頸，如出現(xiàn)盲區(qū)，增加盤點(diǎn)的難度。

受設(shè)備能力限制及設(shè)備操作人員經(jīng)驗(yàn)值的影響，盤點(diǎn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)鏈的一致性較差，同樣盤點(diǎn)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。

2 無人機(jī)盤煤的技術(shù)優(yōu)勢

針對某公司以往在煤場盤點(diǎn)時(shí)使用人工拉尺、激光盤煤儀設(shè)備存在的問題，經(jīng)過相關(guān)部門討論調(diào)研、多方考證，最終決定在2015年引進(jìn)無人機(jī)盤煤儀。

通過幾年來的應(yīng)用實(shí)踐，與以往的露天煤場盤點(diǎn)方式相比，無人機(jī)盤煤儀在科技創(chuàng)新方面，具有如下技術(shù)優(yōu)勢。

(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。利用三維立體成像技術(shù)合成煤堆立體模型、100%還原煤場原貌，通過專業(yè)盤煤軟件計(jì)算出煤堆的準(zhǔn)確體積。經(jīng)該公司在設(shè)備投運(yùn)后多次比對(對相同煤場，重復(fù)多次測定)，誤差可穩(wěn)定控制在1%左右。

(2)無盲區(qū)，無人為因素。無人機(jī)飛行時(shí)采用至少4顆以上多星同時(shí)觀測全球定位系統(tǒng)(GPS)的定位數(shù)據(jù)，揚(yáng)塵、薄霧也不會影響盤點(diǎn)過程和盤點(diǎn)精度，完全顛覆之前的盤點(diǎn)形式或設(shè)備。

(3)便捷高效。完成該公司露天煤場的數(shù)據(jù)采集所需時(shí)間不足1 h，且煤場不同高度煤堆，可采用不同顏色予以區(qū)別顯示，如圖1所示。

圖1 無人機(jī)盤煤儀盤煤后系統(tǒng)生成的煤場圖像Fig.1 Coal field picture generated by the system after making an inventory of coal by UAV

(4)勞動(dòng)強(qiáng)度降低。完成一次煤場盤點(diǎn)只需要2人參與，且盤點(diǎn)前無需煤場作業(yè)機(jī)械專門進(jìn)行煤堆整形。除去無人機(jī)電池需要提前充電外，不需要其他額外維護(hù)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，故障率低。減少了盤點(diǎn)人員在煤場的室外作業(yè)時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度。減少接觸粉塵環(huán)境，有利于工作人員的勞動(dòng)保護(hù)開展。

3 無人機(jī)盤煤的工作原理

無人機(jī)盤煤儀，其下方所攜帶的專用設(shè)備一般分為激光掃描儀、航拍攝像機(jī)2種。對于使用激光掃描儀的無人機(jī)，需充分考慮重量因素，多采用六軸飛行器以提升承載力。激光掃描儀價(jià)格昂貴，需考慮飛行器的安全性，部分廠家會考慮在其中部分旋翼故障時(shí)的應(yīng)急處置，如包含配置降落傘等設(shè)施。

該公司盤煤無人機(jī)為四旋翼、航拍攝影機(jī)配置。數(shù)碼相機(jī)設(shè)置為持續(xù)2 s自拍時(shí)間；相機(jī)重量為299 g。數(shù)據(jù)全部為自動(dòng)采集，高強(qiáng)度碳纖維機(jī)身及旋翼，配置實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)備輕巧便攜，整套設(shè)備重量小于3.5 kg。

在使用時(shí)，通過無人機(jī)飛行至煤場上方指定高度，按照設(shè)定程序航線，GPS自行巡航同時(shí)可直接獲取拍攝瞬間攝影中心的空間三維坐標(biāo)位置[2]，將低空拍攝煤場區(qū)域的高清數(shù)字照片，通過盤煤儀專用軟件結(jié)合事先布置在煤場確定位置并標(biāo)志坐標(biāo)、高程的多個(gè)相片控制點(diǎn)，將數(shù)字照片信息計(jì)算處理并與地面坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)后，建立煤場的三維數(shù)字模型，輸入相關(guān)存煤實(shí)測比重后，系統(tǒng)將自動(dòng)生成盤煤報(bào)告。

在盤點(diǎn)過程中，由于無人機(jī)具有需“依賴衛(wèi)星導(dǎo)航及獲得足夠精確的自身坐標(biāo)數(shù)據(jù)”的特點(diǎn)，所以如果煤場在實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)全封閉后，GPS信號接收機(jī)受到干擾會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能變差，無人機(jī)將無法正常發(fā)揮盤點(diǎn)作用，且存在嚴(yán)重的墜機(jī)或損毀等安全風(fēng)險(xiǎn)。

伴隨環(huán)保要求的不斷提高，各火力發(fā)電企業(yè)會因所處地域的不同，面對不同的煤場封閉型式要求。2017年6月13日，原環(huán)境保護(hù)部GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 修改單(征求意見稿)中提出“無組織排放控制措施，對重點(diǎn)地區(qū)儲煤場規(guī)定應(yīng)采用封閉型式”。因此，建議在考慮無人機(jī)盤煤實(shí)施方案前，必須充分考慮后續(xù)露天煤場的封閉型式環(huán)保要求及適用性。

4 無人機(jī)的使用規(guī)定

近年來，伴隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，民用無人機(jī)的生產(chǎn)和應(yīng)用在國內(nèi)外得到了蓬勃發(fā)展，數(shù)量快速增加。國家相關(guān)機(jī)構(gòu)在不妨礙民用無人機(jī)多元發(fā)展的前提下，相繼出臺了若干加強(qiáng)對民用無人機(jī)規(guī)范管理的規(guī)定。

中國民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司于2015年12月29日發(fā)布《輕小無人機(jī)運(yùn)行規(guī)定(試行)》，規(guī)范低空、慢速、微輕小型無人機(jī)的運(yùn)行管理。

中國民用航空局航空器適航審定司于2017年5月16日發(fā)布《民用無人駕駛航空器實(shí)名制登記管理規(guī)定》，對在中華人民共和國境內(nèi)最大起飛重量為250 g以上(含250 g)的民用無人機(jī)， 自2017年6月1日起， 民用無人機(jī)的擁有者必須按照管理規(guī)定的要求進(jìn)行實(shí)名登記。

中國民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司于2018年8月31日發(fā)布修訂后的《民用無人機(jī)駕駛員管理規(guī)定》，對民用起飛全重≤7 kg的無人機(jī)，由無人機(jī)系統(tǒng)駕駛員自行負(fù)責(zé)，無須執(zhí)照管理。

中國電力企業(yè)聯(lián)合會于2018年11月6日批準(zhǔn)，2019年2月1日起實(shí)施《電力行業(yè)無人機(jī)巡檢作業(yè)人員培訓(xùn)考核規(guī)范》，規(guī)定了電力行業(yè)無人機(jī)巡檢作業(yè)培訓(xùn)考核的對象、職業(yè)勝任能力分級及要求、職業(yè)能力考核評價(jià)大綱、證書及有效期。電力行業(yè)開展的其他無人機(jī)作業(yè)可參照執(zhí)行。

5 無人機(jī)的功能擴(kuò)展

由于無人機(jī)技術(shù)不斷創(chuàng)新，后續(xù)在火力發(fā)電企業(yè)燃料管理方面又出現(xiàn)了新的功能擴(kuò)展：在無人機(jī)下方懸掛紅外熱成像儀，利用高空紅外遙感測溫技術(shù)，能夠不受電磁、光線干擾，用于監(jiān)控煤場自燃及預(yù)警，能夠以圖像方式直觀顯示存煤的溫度場。通過無人機(jī)煤場巡檢功能，使煤場測溫管理工作實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化、數(shù)字化。

6 結(jié)束語

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。無人機(jī)盤煤技術(shù)的出現(xiàn)，是“無人機(jī)+攝像測量”技術(shù)與火力發(fā)電企業(yè)燃料煤場管理應(yīng)用的緊密結(jié)合。本案例表明高新科技一旦滲透和作用于工業(yè)生產(chǎn)過程，將會給火力發(fā)電企業(yè)精益管理的開展提供強(qiáng)大動(dòng)力和技術(shù)保障。