華陽后石電廠落煤系統智能化建設研究

吳 濤

（華陽電業有限公司漳州后石電廠，福建 漳州 363099）

0 引言

華陽電業有限公司漳州后石發電廠位于中國福建省漳州市龍海區港尾鎮后石村，地處九龍江入海口的南側，占地約132 hm2。后石電廠于1996年動工建設，1999年11月28日首臺機組并網，2008年9月11日第7臺機組商轉運營。電廠總裝機容量為420萬kW，是中國大陸規模最大的臺資BOT（Build-Operate-Transfer，建設-經營-轉讓）企業，曾一度是國內第一大火電廠。后石電廠的7×60萬kW的超臨界燃煤機組，均屬國際上技術最先進的發電機組，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方式，主要來自國內北方港口及印尼、澳大利亞等地。在環保方面除了脫硫設備和電除塵設備，還加裝了脫硝設備，特別是在20世紀90年代實現整個燃煤傳輸系統全封閉化，系國內首創，曾獲中國首屆“國家環境友好工程獎”榮譽。作為一個20世紀90年代末期至21世紀初因國內經濟高速發展而投運的大型典型主力發電機組的電廠，在燃料輸送系統中出現了設備老化、跑冒漏粉、系統內部揚塵日益增大等問題，雖然經過電廠管理層與專業人員的維護與設備更新已有所改善，但是仍不能從根本上解決問題。本文提出的建設研究，是基于現有問題的技術革新，對于同類電廠亦有借鑒意義。

1 落料系統智能化國內外發展現狀

落料系統的優化可以有效地減少環境污染物，延長設備使用壽命，提高輸煤效率，提升火電行業經濟效益，降低虧損。智能化在輸煤系統中相對來說起步晚、發展慢，大部分電廠的落煤系統針對某些具體問題做過相應的優化與改善，例如針對堵煤問題設計了流線型落煤管，針對煤流下落不規律設計了彈簧感應鎖氣器，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計了糾偏托輥，針對揚塵問題設計了水霧噴淋設備。這些措施只是停留在對現有問題的解決上，缺乏系統的預防、預警、分析與應對方法，可視化、自動化等智能化技術利用程度不高。落料系統智能化在食品生產、原料轉運等現代制造工業中已十分成熟，具有高度智能化和設備一體化。但是，輸煤系統設備技術與設計方案比較傳統且更新換代速度慢，以及大宗運輸和煤原料本身問題，影響智能設備的使用效果，設備老化損壞等問題也比較突出，阻礙了落煤系統智能化的發展。

2 華陽后石電廠落煤系統現狀分析

2.1 落煤管道積煤與堵煤

落料系統的主體是落煤管，目前電廠中的大部分落煤管為傳統的普通落煤管，煤流在管道中下落過程中經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，費時費力且成本高，有些落煤管道積煤部位需要高空作業，作業風險較大，再者敲擊過程中工人近距離暴露在粉塵環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。

電廠內部分轉運站采用特定形狀的落煤管，以TT-4轉運站C7通C10曲線落煤管為例，這些后期的落煤管改造項目中應用了曲線落煤管技術，通過對煤流的動態模擬仿真設計了適應性流線型曲線落煤管，能夠有效控制煤流速率，減少了拐角掛煤風險，有效地降低堵煤現象發生概率[1]。但是，曲線落煤管技術只能在一定程度上緩解堵煤問題，不可避免地產生積煤與掛料，時間一長導致內部依然有被煤灰堵塞的風險。

2.2 落料系統揚塵問題顯著

后石電廠目前在室外室內輸煤皮帶接頭處都設有落煤管道，用于降低因煤粉落差而引起的粉塵揚散，但煤運輸過程中產生的揚塵依然比較大，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散在管道外面，對輸煤現場工作人員的身體健康產生了非常不好的影響。該廠輸煤系統也采用了有動力除塵器，但因年久失修，大多設備已處于失效狀態，不僅耗時耗力，而且除塵效果穩定性欠佳，現場粉塵污染問題依然嚴重。

粉塵污染是當今大部分電廠輸煤系統普遍存在的問題，很多電廠也開發并開始嘗試應用新的技術，如無動力抑塵技術、生物納膜抑塵技術及電除塵技術等[2]。但從當前行業的發展狀況來看，輸煤系統防塵抑塵技術還相對薄弱，缺乏系統且全面的綜合防治措施。為了能夠實現更好的防治效果，還需要對粉塵進行全面而深入的研究，設計高效及合理的輸煤系統粉塵綜合治理方案，是當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

后石電廠輸煤系統投產至今，轉運系統大部分還是沿用傳統的設計方案，轉運設備也沒有大改過。系統運行期間，頭部皮帶將煤流送入落煤管道內，會直接沖擊漏斗內壁，下落過程中也以近似自由落體運動沖擊在管道內異徑短節部位，煤流中的煤塊、雜質等會加速沖擊部位的磨損。目前，電廠采用的傳統頭部漏斗、落煤管沖擊部位襯板磨損掉落、本體穿孔漏粉，雖經多次翻修，但已嚴重影響本體強度及安全性和可靠性。現場所有緩沖鎖氣器鎖氣翻板長期受沖擊，出現磨損掉落現象，失去鎖氣作用，沖擊部位落煤管已出現磨穿漏粉現象。TT-4轉運站內C-7皮帶機頭部通C-10皮帶機尾部高落差落煤管項目改造之前，此類設備磨損老化現象尤為突出。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。可見，在落料系統設計中調整落煤管走向、節距以控制煤流流量、下落速度對于設備沖擊損壞是可行的，可以進一步完善。

2.4 煤流問題造成皮帶機跑偏與磨損

煤運輸過程中造成皮帶機跑偏的因素比較多，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。由于落煤管的設計、布置及下料速度與總量的控制等方面存在一定的問題，導致煤流下落時偏移落點不正，從側向沖擊皮帶，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，甚至與機架發生摩擦，加劇皮帶損壞速度。而且由于輸煤轉運系統中的落煤管是垂直設計，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，給安全文明生產和設備運行維護帶來了巨大危害。

設備制造方面原因可以在設計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象，就是此番基于落煤管主體研究的智能落料系統需要解決的問題。廠區內有煤料轉運需要，所以皮帶端部垂直相交是難以避免的，需要從落煤管設計入手，從根源上解決這一問題；輔助以自動糾偏裝置，也能夠起到預防和自動糾正皮帶跑偏問題。

3 后石電廠落料系統智能化建設建議

針對后石電廠落料系統中存在的管道堵煤、揚塵污染、管道破損、皮帶跑偏等問題，經過后石電廠和設計院有關人員多次到現場進行考察和分析，召開了多次研討會，確定了國內外各種先進技術與經驗在后石電廠應用的可行性。鑒于此，本文試提出了一種落料系統智能化的理論并論述其優點與可行性。落料系統智能化從設備本身改良優化出發，結合現代視覺識別、3D仿真、工程機器人、納米技術及智慧系統等先進技術，針對落料系統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，借助顆粒學仿真技術，通過三維設計和立體建模技術對料流進行仿真模擬，在設計階段進行測試和優化，具有普遍適應性。

落煤管頭部設計有弧形集流導流裝置，料流從皮帶落下后可以以較小的沖擊角度與導流擋板漸變接觸，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計，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，降低了粉塵揚散。落煤管的曲線設計與皮帶輸煤速度吻合，使皮帶上煤流拋落初動能與管道內煤流下落勢能疊加，克服了煤流與管道內壁的部分摩擦力，降低了沖擊性堵煤和掛料性堵煤的可能性。落煤管在設計中通過模擬控制煤流落點，保證了落點不至偏移皮帶中心，使皮帶受力均勻不跑偏[3]。落煤管內尤其是沖擊點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度。

3.2 落煤管防堵識別與自動清理系統

在3D曲線落煤管的基礎上，針對落煤管中可能出現的積料、堵煤情況，在落煤管頭部漏斗設置溜槽，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點處開孔，通過輸氣管將空氣吹入，控制閥設置開關時間，定時吹掃清理積煤掛煤部位，防止煤料長時間堆積、結板造成堵煤；在三通、底部等極易發生堵煤的位置處設置防堵報警與清理組件，發生堵煤后煤料擠壓報警組件限位開關，報警提示并驅動敲擊桿，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，采集皮帶上煤料表面數據，系統平臺融合速度傳感器采集的信息并計算上下兩皮帶煤料流量。當底部皮帶所過煤料總和小于頭部皮帶落下煤料總和時，會有堵煤風險，平臺會發出預警，提示巡檢人員關注該落煤管。平臺還可向清理組件發送遠程數據，驅動敲擊桿擊打可能產生的堵煤部位。若堵煤問題解決，報警提示和敲擊桿自動停止，若發生嚴重堵煤問題且一段時間內未解決，平臺會發出指令使皮帶機停止工作，并提示管理人員。

3.3 智能粉塵綜合治理系統

在3D曲線落煤管的基礎上，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，接入統一的平臺系統，可實現定時噴灑、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而降落，從粉塵產生源頭抑塵；在落煤管附近及皮帶機沿線安裝粉塵傳感器及高清網絡攝像頭，傳感器通過激光散射檢測顆粒物產生的散光，設備分析得到不同直徑顆粒物濃度，并將檢測的粉塵濃度統計記錄，如果粉塵濃度超標，設備發出提示并向系統平臺發送數據，平臺自動處理；在頭部外側及落煤管出口處安裝超聲霧化裝置，該裝置接入平臺系統，接收平臺發送的信息請求，能夠實現連續或間斷地自動噴灑云狀離子云霧，實現揚塵團聚自動降塵。粉塵傳感裝置始終檢測落煤管周圍的粉塵濃度，高清網絡攝像頭將檢測記錄拍照并上傳到系統平臺，平臺可以控制生物納膜噴灑裝置定時向落煤管內噴灑生物納膜混液，處理傳感器信號，當落煤管周圍粉塵濃度超標時，會接收來自傳感器的信號并發送指令信號啟動超聲波霧化降塵。

3.4 皮帶跑偏報警與自動糾偏系統

在3D曲線落煤管的基礎上，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。AI利用圖像識別技術對皮帶跑偏進行診斷，實現膠帶跑偏的無損監測、報警和緊急停機；在各條皮帶的頭部、尾部、導料槽出口前段和垂拉張緊位置處安裝液壓糾偏裝置[4]。當跑偏檢測裝置檢測到皮帶跑偏現象后，AI系統發出電信號控制電機運轉，驅動液壓糾偏裝置進行實時調整，使皮帶回歸正常運行范圍，從而避免皮帶跑偏造成散料問題，防止皮帶與機架摩擦而導致皮帶撕裂，能夠保護皮帶輸送機正常運作。

4 結語

傳統落料系統的設計安裝沒有解決運行過程中出現的堵煤、揚塵等系列問題，不符合可持續發展要求，本文從后石電廠落料系統運作過程中存在的問題出發，分析了問題產生來源、電廠現有處理措施及國內外相關的技術手段，從落料系統智能化出發提出了針對當前系統問題的改進方案，針對堵煤、磨損、揚塵、皮帶跑偏等現象采取相應措施，提升了整的落料系統的綜合性能，該理念更加符合環境友好型社會的發展趨勢。