浅议智能数字化煤场管理系统在火电厂燃料管理中的应用

山西大唐国际云冈热电有限责任公司 杨利涛

在火电厂运行成本中，燃料成本占据70%以上，所以需要通过科学管理实现煤炭资源的高效利用，有效降低发电成本和落实清洁生产要求。但燃煤的散货特性，决定了进入煤场煤种的复杂性，单靠人力管理煤场，经历接卸、堆放等环节后煤种的煤质无法得到有效保障，将给后续实现配煤掺烧带来困难，难以保证锅炉运行经济性和安全性。

1 项目概况

某火电厂总装机容量930MW，包含两台165 MW 机组和两台300MW 机组，年耗煤量达300万t，年发电量约43亿kWh。火电厂建设有煤场专门负责燃料管理，可以通过计算机网络实现燃煤资料统计管理。但目前煤场设备相对分散，具有布置点多、面广等特点，采煤、取煤等环节尚未对接，难以实现数据共享，因此设立煤场智能改造项目，希望实现火电厂燃料数字化管理。

火电厂的煤场管理主要依靠人工，需要人员登记来往车辆信息，容易出现数据反馈不及时、不准确等问题，导致煤场制定的配煤计划不准，燃煤采购量和实际需求不匹配，给燃料管理带来负面影响。

火电厂储煤场早期经过气膜封闭改造后，配备1台悬臂式斗轮机堆取料。斗轮机作为主要接卸煤设备，由于电气设备老旧，故障率较高，在缺少保护元器件的情况下存在一定安全隐患。目前设备依靠人员就地手动操作，需要司机通过电话方式反馈斗轮机状态和接收输煤集控人员作业指令，作业劳动强度较大，容易出现堆垛不规则、取煤流量波动大等问题，无法保证稳定上煤；煤场封闭后内部有毒气体、粉尘浓度超标，环境恶劣，只依靠人工管理煤场，需要长时间在煤场值守，无法保证人员职业健康。

2 智能数字化煤场管理系统应用分析

2.1 应用方案

为确保煤场安全、高效和可靠运行，某火电厂决定引进智能数字化煤场管理系统实现斗轮机自动堆取控制，编制涵盖煤场各流程的信息化方案，改变煤场管理现状，在彻底解放人力的同时，为火电厂燃料管理提供精准、可靠的数据信息。

建立可视管控平台。应用数字化煤场管理系统，建立3D 可视化料场管控平台，通过工业以太网、现场总线通信等技术自动采集储煤场设备数据，实时掌握料场信息[1]。借助平台综合运用激光测距、三维建模、视频监控等技术，打造智慧料场。借助各种智能硬件实现斗轮机定位，获取接卸、堆煤等信息，能够完成智能堆取料、在线盘煤、智能配煤等各种智慧应用开发，为燃料采购、配煤需求决策等各种生产经营管理策略的制定提供依据。在统一开放平台将空间数据、实时数据等进行融合共享，通过智能一体化操控平台实现料场可视化管理，如设备监测、单机选择、料垛扫描、自动作业等。

做到无人精准堆取。建立堆取料无人值守系统，通过激光扫描、数据建模等技术生成料场三维图形，控制斗轮机实现自动精准堆取料。系统由中央控制站、动态测控系统等构成，能够实现煤场网格化管理，完成不同煤种分类、分堆、分层堆放。使用高精度定位传感器，斗轮机通过动态建模提取物料轮廓特征点，精准确定取料作业区。在斗轮机实现精确定位和防碰撞控制的情况下，可以高效、精确取料或堆料，并记录和追溯存取煤轨迹，将结果反馈至控制系统[2]。经过系统分析生成新的煤量、堆放位置、堆形轨迹等数据，分析数据并发送精准控制指令使斗轮机可靠作业，减少输料单耗，提升料场库存利用率，为企业带来更多的经济效益。

实现无人值守目标。对斗轮机进行完全自动化改造，推动煤场管理系统数字化建设，可以实现无人值守目标。为斗轮机增加各种防撞、过载保护等安全防护传感器，并使用视频监控、传感器探测等手段监管设备，系统分析设备状态数据，提前预测设备可能发生的故障，指导人员开展预防性检修、维护等工作，消除影响设备安全运行的各种因素。通过使斗轮机长时间可靠运转，采用恒流量取料方式连续作业，解决人工取料带来的燃料流量不平稳问题，增强配煤掺烧准确性[3]。在无人值守的条件下，煤场管理系统可根据来煤情况、各分区煤质现状等自动生成卸煤方案，减少人员换岗等非必要停机环节，全方位提高煤场生产效率。

2.2 开发可视堆放系统

2.2.1 项目要求

实际开发煤场的可视堆放系统，可知建立可视化平台展示料场三维模型时，要求成像长、宽、高和实际测量误差不超15cm，斗轮机行程误差同样不超15cm，旋转和俯仰精度小于0.1°，可动态、真实反映煤场存煤和斗轮机工作状况。在斗轮机存取料时，系统按照1Hz 频率动态更新3D 模型，确保人员可在3D 图形中的任一点查询位置及远程坐标，通过旋转、平移模型等操作在斗轮方向从多视角观察机械设备运行状态，并能三维动态回放1年内斗轮机作业情况。利用系统软件选择作业区，系统将自动计算目标区域堆取料作业点位和斗轮机切入点，向设备下发包含俯仰位置等信息的作业任务。应用系统建立监控中心，要求实现信息集成化、过程可视化管理，通过平台查询堆取作业类型、区域等信息，提高料场管理自动化水平，保证作业安全性和高效性。

2.2.2 动态展示

明确项目要求后，开发具备煤场分区设置、煤种存煤设置等功能的可视堆放系统，将煤场细分为多个区域，分别设置堆料原则。系统可以实现煤场总体信息三维动态展示，确保管理人员根据图形变化掌握煤场各分区存煤情况，并通过点击图形查看数据量变化。对三维模型进行平移、旋转、缩放等操作，查看断面图形和数据，获取各煤层分布状况。将二维图形和三维模型结合，实时获取存煤信息，与斗轮机PLC 系统接口对接，确定斗轮机位置、堆料臂回转角度、取料臂俯仰角度等数据，与煤场统一坐标系匹配，生成斗轮机三维模型，动态反馈设备状态。

2.2.3 分区展示

煤场将分区存储煤炭燃料，应用可视堆放系统分区展示，将按照煤场长度设置分区，在现场三维图形完成区域划分，提供分区三维信息。在斗轮机堆取料臂两侧固定激光扫描仪和红外探头，配合使用行程编码器、俯仰编码器、回转编码器等盘点煤场，实现无盲区扫描，可通过一次三维建模全面、直观展示煤场图形，分区显示各区域燃料信息，包含煤种库存、煤区温度等，方便人员实时掌握煤场现场作业情况。

2.3 升级无人值守系统

2.3.1 项目要求

升级无人值守系统实现斗轮机自动化改造，根据可视堆放系统提供数据操控斗轮机自动堆取料，要求系统具备自动寻址、堆料、取料等功能。在自动寻址期间，系统结合作业模式和远程操作站输入煤堆编号等信息，将启动相关设备，自动计算作业点位置，选择斗轮机行走和悬臂回转等定点，控制斗轮机完成自动堆取料。在斗轮机作业期间，结合取煤量和实时监测堆料高等信息，将自动调节回转、步进等参数，做到恒流取料。在无人值守系统接入料场系统后，建立远程智能管控平台，展示煤场信息的同时，通过系统配置就地PLC 全自动控制系统、远程集控系统、控制室监控平台，加强斗轮机作业控制，确保达到表1所示的技术指标要求，使斗轮机作业效率至少提高25%。

表1 无人值守平台技术指标

2.3.2 控制系统

根据斗轮机改造要求，面向每台设备在低压电器房内安装由核心PLC 控制器、交换机、信号处理机等构成的全自动控制系统，通过工业总线等通信协议与现场监测、扫描等装置传递信号，处理各类数据后生成控制指令，控制斗轮机作业顺序，实现恒流量取料。系统采用激光三维扫描、格雷母线定位等多种信息技术，将控制系统划分为多个功能模块，各模块间通过数据相互融合和交互实现斗轮机全自动控制。PLC 作为系统控制中心，根据智慧煤场管控系统传递的堆取料任务范围等信息生成逻辑控制指令，并通过实时动态获取煤场表面三维坐标信息制定控制策略，操控斗轮机自动堆取料。

第一，在斗轮机自动寻址功能实现阶段，利用双编码器定位和RFID 定位校准装置，精准获取斗轮机相对煤场行走位置、堆取料臂旋转和俯仰角度等。为每台斗轮机配备格雷母线定位装置，采用纵向编码器检测定位，斗轮机定位精度小于0.05m。在斗轮机正常作业期间，需完成许多回转、摆动等动作，容易与周围煤堆或设备发生碰撞。在斗轮机大臂两侧安装超声波传感器，并在打车前后安装防撞超声波测距机，能够在设备处于全自动无人值守状态后提供安全防护，检测发现斗轮机周围发现障碍物后将发出声光报警信号，提醒监管人员及时处理，直至障碍物排除再恢复正常运行状态，有效提升了斗轮机作业的安全性。

第二，在自动取料期间，可使用大臂头部激光扫描仪动态扫描获取煤场三维轮廓数据，精准测量料堆轮廓，并通过以太网远程传输至系统服务器，支持系统三维建模。使用悬臂皮带靠近斗轮一侧的料量检测装置，实时扫描皮带上瞬时料流量，与设定目标流量值比较，能自动调节斗轮机作业参数，确保实际取料流量和目标值偏差不超5%。

第三，在自动堆料过程中，通过对接智慧煤场管控系统，获取堆煤种类、数量、存放位置等信息，发送至斗轮机PLC 控制器，斗轮机将按照指令要求运行至指定位置，调整俯仰角度等参数到达堆料点。在堆料作业期间，斗轮机将实时测量堆料高度，达到预定高度后按照堆料策略换位。大臂头部落料口位置安装料位计，用于监测堆料高度。

2.3.3 监控系统

新建智能煤场监控系统，布置远程集控网络交换机和服务计算机、网络隔离装置等，通过光纤与全自动控制系统通信，消除数据采集受到的临时断网、人为误操作等因素影响。将采集到的扫描、定位、高清视频等数据集中处理，获取完整监控数据。依托系统建立远程监控平台，应用无人值守控制系统、智能煤场管控系统等实现煤场信息集中监管，通过智慧监控大屏、现场操作员站和后台服务器处理各种数据，系统可结合作业单、斗轮位置等提示作业点位，显示斗轮机堆取料过程状态。

在斗轮机出现过载、脱离指定区域等异常情况时，系统将自动报警，记录相关作业信息。系统有全自动、远程半自动和就地手动三种模式，可结合实际需求自动切换，提高作业效率的同时，保证煤场运行安全性。在全自动模式下，人员确认作业任务单后，关联设备将自动调车，到达指定位置后自动完成取料、堆料等作业。在半自动模式下，人员远程控制设备到达指定位置，调整确认各设备就位，然后输入动作角度等参数控制斗轮机自动作业。遇到设备故障等特殊情况，切换至就地控制模式，人员可在斗轮机室手动控制斗轮机作业。

2.4 无人值守控制室

建设无人值守控制室，配备系统自动化控制服务器、工业控制计算机、1000MB 网络交换机等设备，安装数据库软件和数据交换管理软件，存储煤场地形数据、物料信息参数、作业数据等，实现数据和作业指令交换管理。控制室布置2组工位，每个工位包含2个邻接操作台，配置工业控制计算机、显示屏、视频监控大屏用于监管煤场、斗轮机状态。通过上位机实时获取煤场三维图形和堆取料任务，显示斗轮机空间位置和姿态，可远程调整斗轮机旋转、俯仰角度等，控制设备启闭，建立“下达-执行-监督反馈-记录”的完整管控程序，实现堆取料全过程监管。