封闭煤场数字化管理系统研究与应用

山西国际能源裕光煤电有限责任公司 郝永全

1 引言

改革开放以来，我国电力事业蓬勃发展，封闭或半封闭煤场得到了广泛的应用，随着对环保要求的逐渐严格，环保部门提出大型煤场需进行封闭煤场的建设[1]。目前，我国对于大型电厂封闭煤场的建设及改进也进行了大量研究，部分学者针对封闭煤场的结构建设进行研究，提出了大跨度钢结构封闭煤场的施工技术及方法[2]。部分学者对封闭煤场中的设备进行了研究，对堆取料机的主要结构及主要构件进行分析，提升了堆取料机以及斗轮机的工作效率[3]。为了对煤场内存煤的合理搭配供给，提升燃煤效率，王纪刚等[4]设计了智能燃料管控系统，实现了燃料的合理搭配供给。

由于封闭煤场内工作环境恶劣，部分学者对封闭煤场内的空气流动进行研究[5]，为煤场降尘除尘提供了理论依据。封闭煤场的建立虽然保证了粉尘不外泄，保护了外界环境，但是由于完全封闭，存煤后煤场内部粉尘弥漫，能见度极低，工作环境差，且在操作过程中易导致危险的发生。对煤场实现无人化管理及操控系统，是提升电厂储煤场安全高效管理的重点和难点。

裕光煤电煤场位于山西牛村镇温池村，来自盂县当地煤矿的原煤通过公路运输至温池煤场后，再由带式输送机输送至电厂，煤种以贫煤为主，极易发生自燃。鉴于此，以裕光煤电储煤场为工程背景，基于多点激光扫描3D 点云模型成像技术、红外测温技术以及精准人员定位技术，建立了数字化煤场管理系统，系统包括煤场盘点系统、安全检测系统以及燃煤出场管理系统。通过现场实践证明，该系统实现了煤炭储量的精准盘点，有效实现了对煤场内温度、可燃气体及烟雾粉尘的实时监测，在满足生产需求的前提下，提出最佳堆取煤方案，保证了煤场的安全、高效的前提下，实现了煤场无人化、智能化管理。

2 封闭煤场数字化管理系统结构

2.1 工程概况

裕光煤电温池煤场设置两座条形封闭煤场，1号煤场宽110m，长214m，煤堆高度为16m，煤场贮量为15.25×104t。2号煤场宽110m，长133m，煤堆高度为16m，煤场贮量为9.48×104t。煤场原始盘煤方式为人工盘点，由于煤场内部粉尘弥漫，工作人员无法长时间进行煤储量盘点，故盘煤精度较低，另外每座煤场内布置一台堆料出力1500t/h，取料出力1500t/h，悬臂长度为35m 的悬臂式斗轮堆取料机，斗轮机为人工操作方式，值班人员工作环境恶劣，劳动强度大且作业效率低。并且，由于温池煤场存煤自然发火期较短，易发生煤体自燃现象，加之粉尘浓度大，一旦产生明火，极易发生煤尘爆炸，严重威胁着煤场的安全，为了解决上述问题，本文对数字化煤场管理系统进行研究，保证工作人员健康和安全的前提下，提升煤场的盘煤精度，保证设备的稳定运行，保证煤场的安全，实现了煤场的减员增效。

2.2 封闭煤场数字化管理系统组成

为了解决温池煤场堆在生产过程中存在的上述问题，设计了封闭煤场数字化管理系统，数字化煤场管理系统包含：三维煤场管理、燃煤入场管理、配煤掺烧管理、封闭煤场安全监测系统、斗轮机无人值守系统、煤场盘点管理、煤场分区管理、燃煤出场管理、煤场预警管理等。

图1 裕光电厂数字化料场系统框架图

该系统包括机上部分、通信网络及控制器部分三部分，机上部分包括安全防护装置、设备定位装置、激光扫描装置、红外测温装置以及视频监控装置，上述装置将采集的信息汇总至控制交换机以视频交换机，通过转运站无线及光纤控制箱，传递至中控交换机，通过控制客户端及视频客户端对信息进行辨析，并通过中控大屏进行展示。系统拓扑图如图2所示。

图2 封闭煤场数字化管理系统结构拓扑图

3 封闭煤场数字化管理系统工作原理

由于封闭煤场数字化管理系统包含的子系统较多，本文主要对激光盘煤系统及安全监测系统进行详细介绍。

3.1 激光盘煤系统

该系统在两煤场顶部各安装一套轨道式盘煤仪，位置为煤场正上方煤棚网架检修平台处，既可以满足对煤场无死角扫描，又能实现实时将数据与燃煤管理系统进行对接，系统可实现在每次自动盘煤结束后，得到三维坐标数据，采点过程如图3所示，将三维坐标数据进行渲染后，采用基于GPU 技术的三维图像重建算法，利用GPU 的高速浮点运算能力和几何运算能力对渲染的三维图像进行重新采样、归一化、边界划分等处理，及时快速生成煤场立体图，还原被测料场的真实面貌，如图4所示。

图3 盘煤采点过程图

图4 盘煤效果图

同时，盘煤完成后系统自动将煤场数据及三维图形上传到燃煤监管平台，利用WebGL 技术，程序会根据当前盘煤图形与历史图形进行对比，从而得出不同盘煤时间点煤场的变化，再结合相应煤质数据，支持按照煤矿、热值、硫分、存煤时间、温度等指标查看分属不同指标区间的存煤分布情况，通过对煤场三维图形进行数据解剖，得到每一点的热值、硫分、存放时间等参数，并加以颜色进行区分，最终可衍生出煤场热值三维图形、硫分三维图形、时间三维图形、煤场温度三维图形等众多内容，为后续的掺烧精准化提供技术支持，有效实现了在无人或少人情况下的精准盘煤。

3.2 封闭煤场安全监测系统

封闭煤场安全监测装置管理系统作为数字化煤场管理系统的一个子模块，该系统可以通过数据接口与红外扫描测温系统、可燃气体监测系统以及粉尘、烟气浓度检测系统进行命令交互和数据传输，并在后台实现温度数据的报表统计、分析及辅助决策。

煤场安全监测装置必须具备随小车运行状态提供温度状态可视、异常报警、系统用户管理、历史记录、统计报表和查询等主要功能。热成像仪通过空间定位控制机构安装在条形料场钢结构上，在不影响条形煤场堆取料机正常工作的情况下，实现全自主、全天候、无盲点连续监测条形煤场的温度变化。

每个煤场的红外扫描测温系统采用两台远红外热成像仪安装在轨道小车上，每侧各1台，全厂共有4台。实现整个条形煤场无盲点连续测温。红外扫描测温系统主要采用远红外热成像仪作为温度传感器，当温度达到预设的温度阀值时通过条形煤场安全监测装置软件发出预警信息，并通过系统软件显示报警温度和出现高温的空间位置，确保条形煤场的安全得到有效预防。红外测温装置要求接入数字化煤场管理系统，能够实时监视煤场煤堆温度。上位机的CRT 上实时以列表或曲线形式显示各个测量参数。当被测量参数的数据超过报警限时，就地和控制室内均能同时发出报警信号，打印输出报表，可以进行事故追忆。

并且沿煤场两侧约每60m 安装1组可燃气体/有害气体检测探头（两侧布置，1号大煤场数量为2×3组，2号小煤场数量为2×2组），每组包含CO、CH4各1只，并配置相应的可燃/有害气体控制器，探头安装附件固定在框架结构上，距地面高度按不小于20m。实时监测信号及报警信号要求，传送至燃煤管控楼控制室内的数字化煤场管理系统上位机工程师站，进行报警和监视。

封闭煤场安全监测系统对煤场进行实时监测，保证了煤场的安全运行，提升了煤场的安全指数。

4 封闭煤场数字化管理系统应用效果分析

通过在裕光煤电温池煤场数字化管理系统的实际工程应用，实现了封闭煤场自动定时及人为手动操作盘点，提高了盘煤效率以及盘煤的精度，提高了封闭煤场智能化水平，促进了封闭煤场的无人化管理，保证了封闭煤场的安全运行，提高了能源利用率。

储煤场中数据均由激光扫描设备及红外温感设备进行自动的采集及处理，并将数据进行快速建模，整个盘点到建模完成时间小于10min，实时更新煤场内的图形，自动生成三维模型，设计了分层分堆计算管理功能，盘点误差小于0.5%，系统对任意分区的煤堆进行计算及种类查询，并且自动生成带煤场立体图形、存煤量、盘煤时间等多功能的报表，方便人员查阅和记录，对煤场的智能化建设提供了新技术和新方向。

另外，根据计算，封闭煤场数字化管理系统的建设有效节约了人力成本。其中，常规封闭煤场管理方法中，根据该封闭式煤场的现场情况，每个煤场需要3人进行现场盘煤工作，耗时3.5h，且盘煤精度较低，需要3人进行设备操控，以及两人进行安全监测，按照300元/（d·人）人力成本进行计算，每年工作天数记为240d，每个煤场可节约57.6万元/a 人力成本，并且在保证工作人员的健康及安全的前提下，提高了盘煤精度，提升了煤场的安全系数。综上所述，封闭煤场数字化管理系既满足高效精准的盘煤任务，又节约大量的人力成本，保证了储煤场的安全，促进了企业的智能化建设，为我国智能化煤场的建设提供了理论及实际意义。