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則的，傳統上采用人工丈量法，即將煤堆整理成規范的立體形狀，再用米尺或經緯儀、水準儀等工具測量有關參數，計算煤堆體積[]。應用傳統方法丈量煤堆體積，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，然后采用數字內插擬合技術建立數字地面模型，從而計算出煤場煤堆的體積[2]。

1 原理方法

1.1 標準依據

依據國家標準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，對被測煤堆進行掃描，獲取激光點所接觸表面到觀測網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）經過校準，誤差控制在允許范圍內（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則幾何體（如梯形、矩形），以減少測量盲區。根據煤種、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據（圖1），通過德洛內三角網建模生成3D輪廓，誤差可控制在 0.5% 以內。根據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數據對比與分析：將實測數據與賬面庫存對比，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。

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2 數據處理

激光盤煤儀的數據處理是一個系統化的過程，涵蓋了從數據采集到最終分析展示的多個環節。

2.1 數據采集

根據煤堆測量結果、儀器高度和控制點的坐標，將各測站掃描點按照一定的數學模型轉換為當前控制網所設坐標系下的坐標，得到拼接后的煤堆表面點云數據（圖2）。這些數據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。數據采集的過程通常是在預設的時間間隔內自動進行，以確保數據的時效性和準確性。

2.2 數據預處理

1）數據清洗：剔除異常值和噪聲數據，裁剪個別冗余數據，對齊并插補多視點云數據等，確保數據的準確性和可靠性。這一步驟對于后續的數據分析至關重要，因為噪聲數據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，以確保數據的精確性。

3）數據拼接：編輯點云數據，進行曲線擬合和曲面重構，建立煤堆數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據進行拼接和融合，形成完整的煤堆三維點云數據。這一步驟確保了數據的完整性和連續性[3]。

2.3 數據分析與建模

1）三維建模：利用數字內插擬合技術和三維建模算法，根據點云數據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 數據可視化與展示

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）數據報表：根據計算結果，生成包含煤堆體積、重量、分區信息等的報表。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，方便用戶根據需求輸出數據。用戶可以根據自己的管理需求定制報表的格式和內容。

2.6 數據管理與存儲

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

2）數據更新：支持定期或實時更新數據，確保煤場管理的動態性和實時性，這對于及時調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、準確地處理煤堆數據，為煤炭管理和決策提供有力支持。這一系統化的過程不僅提高了數據處理的效率，還確保了數據的準確性和可靠性，對于現代化煤場管理具有重要意義。

3 結果計算

根據特征曲線，將所測煤堆切割為若干個四方柱體進行數學積分計算，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熱量（MJ/kg）;29.271 為1kg標準煤的低位發熱量（MJ/kgce）。

注：GB/T2589建議 1kg 標準煤的低位發熱量為29.307MJ 。

如果一個煤場分區存放不同類別的煤，應分區域給出煤量盤點結果。儲煤場庫存總煤量為各區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（如遺漏凹陷區域或過度集中于平整區域），會導致三維建模時內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偏移。研究表明，姿態角（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，導致煤堆高度數據系統性偏低，最終體積計算偏差達 0.8% 。

3定位數據同步問題：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，某電廠實測發現，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 系統誤差

1設備硬件固有誤差。

（1）激光測距精度：激光發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據漂移，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：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^° ，導致煤堆邊緣數據缺失。

（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（如壓實區與松散區密度差異達 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：傳統數字內插技術對復雜煤 堆表面擬合不足，實測顯示煤堆頂部凹陷區域的體 積計算誤差可達 2% 0

（2）陰影補償不足：煤堆遮擋區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個月所得數據進行系統誤差分析。誤差由下列公式計算，所得數據如表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）四個區域進行，并根據每月進煤量、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。根據誤差列的數據，得出測量的最大誤差為 0.48% ，最小誤差為 -0.18% ，系統測量誤差約為 ±0.48% ，小于 0.5% 。激光掃描盤煤精度較高，測量穩定，達到預期目標[4]。

5 結束語

在火力發電廠中，煤場存煤量的精準管理直接影響發電成本核算和燃料調度效率。經過理論研究、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：盤煤系統中的水平角編碼器采用光電數碼技術測量水平角度，不受發電機所產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）現場計算和繪圖功能：可在現場完成數據采集、體積計算和圖形繪制工作。這不僅省去了數據傳輸等工作，而且在煤場就能即時取得盤煤結果，可以現場檢驗盤煤的正確性。

3）具有觀測點的平面現場顯示功能：此功能不但使觀測情況一目了然，還可以從圖形中立即發現測量中出現的錯誤并現場改正，提高了觀測數據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、環保監測等行業。

基于以上特點，激光盤煤儀將工業級測距技術與智能算法深度融合，解決了傳統盤煤效率低、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場景中實現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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[2]陳玉芳，沈濤.火力發電廠燃料監督與管理淺談[J].內蒙古煤炭經濟，2014（4）：36.

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

[4]楊青青.基于激光掃描儀的盤煤系統設計與開發[D].北京：北京林業大學，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。