封閉煤場數字化管理系統研究與應用

山西國際能源裕光煤電有限責任公司 郝永全

1 引言

改革開放以來，我國電力事業蓬勃發展，封閉或半封閉煤場得到了廣泛的應用，隨著對環保要求的逐漸嚴格，環保部門提出大型煤場需進行封閉煤場的建設[1]。目前，我國對于大型電廠封閉煤場的建設及改進也進行了大量研究，部分學者針對封閉煤場的結構建設進行研究，提出了大跨度鋼結構封閉煤場的施工技術及方法[2]。部分學者對封閉煤場中的設備進行了研究，對堆取料機的主要結構及主要構件進行分析，提升了堆取料機以及斗輪機的工作效率[3]。為了對煤場內存煤的合理搭配供給，提升燃煤效率，王紀剛等[4]設計了智能燃料管控系統，實現了燃料的合理搭配供給。

由于封閉煤場內工作環境惡劣，部分學者對封閉煤場內的空氣流動進行研究[5]，為煤場降塵除塵提供了理論依據。封閉煤場的建立雖然保證了粉塵不外泄，保護了外界環境，但是由于完全封閉，存煤后煤場內部粉塵彌漫，能見度極低，工作環境差，且在操作過程中易導致危險的發生。對煤場實現無人化管理及操控系統，是提升電廠儲煤場安全高效管理的重點和難點。

裕光煤電煤場位于山西牛村鎮溫池村，來自盂縣當地煤礦的原煤通過公路運輸至溫池煤場后，再由帶式輸送機輸送至電廠，煤種以貧煤為主，極易發生自燃。鑒于此，以裕光煤電儲煤場為工程背景，基于多點激光掃描3D 點云模型成像技術、紅外測溫技術以及精準人員定位技術，建立了數字化煤場管理系統，系統包括煤場盤點系統、安全檢測系統以及燃煤出場管理系統。通過現場實踐證明，該系統實現了煤炭儲量的精準盤點，有效實現了對煤場內溫度、可燃氣體及煙霧粉塵的實時監測，在滿足生產需求的前提下，提出最佳堆取煤方案，保證了煤場的安全、高效的前提下，實現了煤場無人化、智能化管理。

2 封閉煤場數字化管理系統結構

2.1 工程概況

裕光煤電溫池煤場設置兩座條形封閉煤場，1號煤場寬110m，長214m，煤堆高度為16m，煤場貯量為15.25×104t。2號煤場寬110m，長133m，煤堆高度為16m，煤場貯量為9.48×104t。煤場原始盤煤方式為人工盤點，由于煤場內部粉塵彌漫，工作人員無法長時間進行煤儲量盤點，故盤煤精度較低，另外每座煤場內布置一臺堆料出力1500t/h，取料出力1500t/h，懸臂長度為35m 的懸臂式斗輪堆取料機，斗輪機為人工操作方式，值班人員工作環境惡劣，勞動強度大且作業效率低。并且，由于溫池煤場存煤自然發火期較短，易發生煤體自燃現象，加之粉塵濃度大，一旦產生明火，極易發生煤塵爆炸，嚴重威脅著煤場的安全，為了解決上述問題，本文對數字化煤場管理系統進行研究，保證工作人員健康和安全的前提下，提升煤場的盤煤精度，保證設備的穩定運行，保證煤場的安全，實現了煤場的減員增效。

2.2 封閉煤場數字化管理系統組成

為了解決溫池煤場堆在生產過程中存在的上述問題，設計了封閉煤場數字化管理系統，數字化煤場管理系統包含：三維煤場管理、燃煤入場管理、配煤摻燒管理、封閉煤場安全監測系統、斗輪機無人值守系統、煤場盤點管理、煤場分區管理、燃煤出場管理、煤場預警管理等。

圖1 裕光電廠數字化料場系統框架圖

該系統包括機上部分、通信網絡及控制器部分三部分，機上部分包括安全防護裝置、設備定位裝置、激光掃描裝置、紅外測溫裝置以及視頻監控裝置，上述裝置將采集的信息匯總至控制交換機以視頻交換機，通過轉運站無線及光纖控制箱，傳遞至中控交換機，通過控制客戶端及視頻客戶端對信息進行辨析，并通過中控大屏進行展示。系統拓撲圖如圖2所示。

圖2 封閉煤場數字化管理系統結構拓撲圖

3 封閉煤場數字化管理系統工作原理

由于封閉煤場數字化管理系統包含的子系統較多，本文主要對激光盤煤系統及安全監測系統進行詳細介紹。

3.1 激光盤煤系統

該系統在兩煤場頂部各安裝一套軌道式盤煤儀，位置為煤場正上方煤棚網架檢修平臺處，既可以滿足對煤場無死角掃描，又能實現實時將數據與燃煤管理系統進行對接，系統可實現在每次自動盤煤結束后，得到三維坐標數據，采點過程如圖3所示，將三維坐標數據進行渲染后，采用基于GPU 技術的三維圖像重建算法，利用GPU 的高速浮點運算能力和幾何運算能力對渲染的三維圖像進行重新采樣、歸一化、邊界劃分等處理，及時快速生成煤場立體圖，還原被測料場的真實面貌，如圖4所示。

圖3 盤煤采點過程圖

圖4 盤煤效果圖

同時，盤煤完成后系統自動將煤場數據及三維圖形上傳到燃煤監管平臺，利用WebGL 技術，程序會根據當前盤煤圖形與歷史圖形進行對比，從而得出不同盤煤時間點煤場的變化，再結合相應煤質數據，支持按照煤礦、熱值、硫分、存煤時間、溫度等指標查看分屬不同指標區間的存煤分布情況，通過對煤場三維圖形進行數據解剖，得到每一點的熱值、硫分、存放時間等參數，并加以顏色進行區分，最終可衍生出煤場熱值三維圖形、硫分三維圖形、時間三維圖形、煤場溫度三維圖形等眾多內容，為后續的摻燒精準化提供技術支持，有效實現了在無人或少人情況下的精準盤煤。

3.2 封閉煤場安全監測系統

封閉煤場安全監測裝置管理系統作為數字化煤場管理系統的一個子模塊，該系統可以通過數據接口與紅外掃描測溫系統、可燃氣體監測系統以及粉塵、煙氣濃度檢測系統進行命令交互和數據傳輸，并在后臺實現溫度數據的報表統計、分析及輔助決策。

煤場安全監測裝置必須具備隨小車運行狀態提供溫度狀態可視、異常報警、系統用戶管理、歷史記錄、統計報表和查詢等主要功能。熱成像儀通過空間定位控制機構安裝在條形料場鋼結構上，在不影響條形煤場堆取料機正常工作的情況下，實現全自主、全天候、無盲點連續監測條形煤場的溫度變化。

每個煤場的紅外掃描測溫系統采用兩臺遠紅外熱成像儀安裝在軌道小車上，每側各1臺，全廠共有4臺。實現整個條形煤場無盲點連續測溫。紅外掃描測溫系統主要采用遠紅外熱成像儀作為溫度傳感器，當溫度達到預設的溫度閥值時通過條形煤場安全監測裝置軟件發出預警信息，并通過系統軟件顯示報警溫度和出現高溫的空間位置，確保條形煤場的安全得到有效預防。紅外測溫裝置要求接入數字化煤場管理系統，能夠實時監視煤場煤堆溫度。上位機的CRT 上實時以列表或曲線形式顯示各個測量參數。當被測量參數的數據超過報警限時，就地和控制室內均能同時發出報警信號，打印輸出報表，可以進行事故追憶。

并且沿煤場兩側約每60m 安裝1組可燃氣體/有害氣體檢測探頭（兩側布置，1號大煤場數量為2×3組，2號小煤場數量為2×2組），每組包含CO、CH4各1只，并配置相應的可燃/有害氣體控制器，探頭安裝附件固定在框架結構上，距地面高度按不小于20m。實時監測信號及報警信號要求，傳送至燃煤管控樓控制室內的數字化煤場管理系統上位機工程師站，進行報警和監視。

封閉煤場安全監測系統對煤場進行實時監測，保證了煤場的安全運行，提升了煤場的安全指數。

4 封閉煤場數字化管理系統應用效果分析

通過在裕光煤電溫池煤場數字化管理系統的實際工程應用，實現了封閉煤場自動定時及人為手動操作盤點，提高了盤煤效率以及盤煤的精度，提高了封閉煤場智能化水平，促進了封閉煤場的無人化管理，保證了封閉煤場的安全運行，提高了能源利用率。

儲煤場中數據均由激光掃描設備及紅外溫感設備進行自動的采集及處理，并將數據進行快速建模，整個盤點到建模完成時間小于10min，實時更新煤場內的圖形，自動生成三維模型，設計了分層分堆計算管理功能，盤點誤差小于0.5%，系統對任意分區的煤堆進行計算及種類查詢，并且自動生成帶煤場立體圖形、存煤量、盤煤時間等多功能的報表，方便人員查閱和記錄，對煤場的智能化建設提供了新技術和新方向。

另外，根據計算，封閉煤場數字化管理系統的建設有效節約了人力成本。其中，常規封閉煤場管理方法中，根據該封閉式煤場的現場情況，每個煤場需要3人進行現場盤煤工作，耗時3.5h，且盤煤精度較低，需要3人進行設備操控，以及兩人進行安全監測，按照300元/（d·人）人力成本進行計算，每年工作天數記為240d，每個煤場可節約57.6萬元/a 人力成本，并且在保證工作人員的健康及安全的前提下，提高了盤煤精度，提升了煤場的安全系數。綜上所述，封閉煤場數字化管理系既滿足高效精準的盤煤任務，又節約大量的人力成本，保證了儲煤場的安全，促進了企業的智能化建設，為我國智能化煤場的建設提供了理論及實際意義。