封閉煤場條件下斗輪機智能無人安全運行研究

楊勇，江學文

（1.浙江浙能溫州發電有限公司設備管理部，浙江 溫州 325602；2.杭州集益科技有限公司，浙江 杭州 311200）

1 背景

目前，我國燃煤電廠普遍采用露天煤場方式，少量采用穹頂式的半封閉方式、圓筒倉并列群倉、圓形煤場等方式。露天煤場投資成本低，但占地面積大，受氣候影響大，特別是在大風天氣，煤場周圍經常是煤粉彌漫，不僅危害身心健康，同時還會造成煤炭資源的浪費。過去多數電廠采用煤場周圍設置防風抑塵網的方式進行控制。隨著工業生產的快速發展，我國區域性大氣問題日趨嚴峻，如何控制PM2.5逐漸成為公眾關注的焦點。

近年來，國家越來越重視環境保護工作，為打贏藍天保衛戰制定多項政策和措施。《國家電力發展十三五規劃》制定了“統籌兼顧，協調發展；清潔低碳，綠色發展；優化布局，安全發；智能高效，創新發展，深化改革，開放發展；保障民生，共享發展”的基本原則，并明確指出“發展智能發電技術，開展發電過程智能化檢測”。

2016年1月實施的《中華人民共和國大氣污染防治法》第七十二條明確規定：“貯存煤炭、煤矸石、煤灰、水泥、石灰、石膏、砂土等易產生揚塵的物料應當密閉，不能密閉的應當設置不低于堆放物高度的嚴密圍擋，并采取有效覆蓋措施防治揚塵污染。”

2018年5月，浙江省環保廳牽頭發布浙江省地方標準《燃煤電廠大氣污染物排放標準》（DB332147—2018），文中對煤場做了更嚴格的要求：“儲煤場應采用封閉、半封閉料場（倉、庫、棚）。半封閉料場應至少2面有圍墻（圍擋）及屋頂，并對物料采取覆蓋、噴淋（霧）等抑塵措施。”

2018年6月27日，國務院發布了《國務院關于印發打贏藍天保衛戰三年行動計劃的通知》（國發（2018）22號文），通知明確了“進一步明顯降低細顆粒物（PM2.5）濃度”的目標，并要求“強化工業企業無組織排放管控。開展火電等重點行業及燃煤鍋爐無組織排放排查，建立管理臺賬，對物料（含廢渣）運輸、裝卸、儲存、轉移和工藝過程等無組織排放實施深度治理”。

隨著環保政策的逐漸縮緊，各大發電集團也逐漸增加投入，加強了對露天煤場進行全封閉改造的進度。浙江能源集團2018年先后兩次組織下屬電廠技術和管理人員分赴多家發電廠實地調研全封閉煤場的施工和使用情況，并就全封閉煤場改造的可行性進行了研究。

浙能集團下屬電廠的儲煤場，基本上是露天條形煤場，部分配有干煤棚。對于煤場上的關鍵設備——斗輪機，部分電廠已經實現了全場斗輪機智能無人控制系統改造，這為露天煤場的全封閉改造奠定了堅實的技術基礎。

由于大多數電廠的煤種來源復雜，很多煤種如褐煤，揮發分很高，煤層內部溫度可控性差，隨著煤溫度的升高，極易自燃。煤陰燃產生的一氧化碳、甲烷、二氧化硫等有毒有害氣體對工人的健康和煤場安全產生很大威脅，還可能引發火災。因此，露天煤場全封閉改造后，除了對煤場環境必須進行實時監測外，煤場設備的運行及安全監測還必須做到自動化和智能化，以實現煤場管理現場無人化和安全運行。

本文以封閉煤場改造為背景，研究了斗輪機智能無人控制、設備智能巡檢及運行安全智能檢測等技術的應用。

2 封閉煤場簡述

相比較露天條形開放式煤場，封閉式煤場具有外形美觀、環保條件好、占地面積小、場地利用率高、煤炭損失少的特點，同時入爐煤的水分穩定，雨季煤料輸送時的堵料現象明顯減少，自動化程度高，能夠實現減員增效。目前常見的封閉式貯煤場有：球形煤倉、封閉式條形煤場、圓型煤場、筒倉并列群倉。

對于跨度為80m以上的大型條形儲煤場，封閉形式主要有鋼結構煤場與膜結構煤場，其中鋼結構煤場又可細分為拱形網架結構、管桁架結構、管桁架＋輕型網架結構等，膜結構煤場又分為骨架膜與充氣膜等結構形式。

2.1 拱形鋼網架結構

拱形鋼網架結構封閉儲煤場用鋼結構網架作為主體骨架，外覆彩鋼板作為圍護，網架和網殼是常用的空間結構形式，空間網格結構采用大致相同的網格組成空間交匯的桿件體系，承重結構與支撐體系合二為一，從而有效地改變了桁架結構的受力狀態。

2.2 管桁架結構

目前大跨度空間結構（120m以上跨距）常用管桁架結構形式，管桁架結構能夠滿足大跨度的要求，但現場需要提供大面積的拼裝及焊接場地，需要多種噸位吊車協同作業，且在安裝過程中需要大量非常精確的高空焊接作業，人工成本較高，總的來說，管桁架結構用鋼量指標和單位造價均較高。

2.3 管桁架＋輕型網架結構

管桁架＋輕型網架基于網架結構，與網架結構相比具有獨特的優越性和實用性，結構用鋼量也較經濟。煤場封閉上部采用拱形桁架加輕型網架結構，桁架結構采用三心圓柱面，山墻結構采用鋼桁架形式，山墻桁架頂部與主結構邊跨拱形弦桿連接，輕型網架能夠顯著減少結構自重和用鋼量。輕型網架與鋼桁架連接容易、受力明確、自重輕、能夠最大限度地節省用鋼量，且每榀桁架均可焊接拼接成形，施工速度快，節省施工周期。

2.4 骨架膜結構

骨架膜結構是用鋼結構（拱形網架或管桁架）搭建整體結構骨架，表面覆蓋現代建筑膜材。國內已經逐步在煤炭領域應用骨架膜結構的儲煤場，如山西榆次瑞光電廠104m跨度骨架式膜結構儲煤棚、鄭州裕中能源有限責任公司120m跨度骨架膜結構封閉煤場等。

2.5 充氣膜結構

充氣膜結構在北美、歐洲和日本已有50多年的發展歷史，但是在國內還處于起步階段。充氣膜結構上加設加勁索，即在充氣膜外面布置一定數量的纖維或者鋼絲繩，用以傳遞部分膜面拉力。加勁索的布置有局部布置、縱橫網格布置和斜交網格布置等不同類型，斜向正交索網加勁結構因其優越的剛性特性和受力性能得到了廣泛的認可和使用，能適應風、霜、雨和雪等惡劣天氣，并得到了諸多實際工程的驗證，目前在國內已建成運行的有神華巴彥淖爾能源有限公司110m跨氣膜結構原煤棚、神華寧夏煤業集團有限責任公司太西、大武口洗煤廠煤棚90m跨氣膜結構原煤棚等。

2.6 封閉煤場安全監測系統

封閉煤場改造時，需要安裝一套綜合安全監控系統，由（紅外）測溫子系統，可燃氣體監測子系統、壁溫監測子系統、全自動激光盤煤子系統、水炮控制子系統、噴淋控制子系統、通風照明控制子系統等組成。每個煤場可根據自身的實際情況選配全套或其中幾套子系統。

3 斗輪機智能無人控制系統簡述

系統采用精確定位、三維測控、自動控制、圖像監控等多項專利技術，實現斗輪堆取料機智能無人控制，極大地提高了斗輪堆取料機的作業效率，大幅降低輸煤單耗，降低司機勞動強度和改善作業環境，經濟效益和社會效益顯著。同時，系統也是電廠燃料智能化和智慧電廠建設的基礎。

3.1 系統組成及功能

（1）精確定位系統。通過工業級北斗實時定位技術，實現斗輪堆取料機大車及斗輪位置的三維空間定位（定位精度達到厘米級）。

（2）精準測繪系統。通過激光掃描煤垛外輪廓，建立實時的煤垛三維模型，作為智能無人控制系統及實時盤煤的基礎。

（3）智能控制系統。通過智能控制技術，對煤位、煤垛、流量、空間位置等信息進行智能分析和計算，實現斗輪堆取料機一鍵式啟停控制，無須通過手柄和按鈕操作，全過程無須人員干預。斗輪堆取料機各執行機構按順序自動啟停，實現全自動定位、全自動堆取料、手動/自動雙向無擾動切換，取料過程流量恒定(圖1）。

圖1 斗輪機智能無人控制系統

（4）實時盤煤系統。斗輪機懸臂動作時，安裝于斗輪左右側的激光掃描儀對煤垛進行實時掃描，具備多次回波功能（雨霧天氣、高濃度粉塵情況下不受影響）。后臺程序根據斗輪機當前的工作模式、激光掃描儀數據及煤場三維模型信息自動創建煤垛對象或者實時修正作業煤垛模型。在上位機上可對斗輪機和煤堆進行實時3D展示，每個煤堆還可顯示堆取煤時間、煤種、煤量等實時信息。

（5）安全防護系統。通過行人和障礙物防撞檢測、煤流高溫檢測、智能圖像識別、高清視頻監控等技術，實現極限、防撞、跨場、泄壓、過載、拖鏈、煤溫、皮帶、人員等斗輪堆取料機運行安全檢測和保護。關鍵裝置采用冗余配置，確保系統可靠運行。

（6）高清圖像系統。采用海康威視工業級高清網絡攝像機，支持POE供電、H.265最新編碼技術，全方位監視斗輪堆取料機運行狀態及煤場環境。基于SDK開發包開發視頻報警聯動功能，提高系統安全性。

（7）集中監控平臺。在集控室設立集中監控上位機，在同一上位機操作界面可對整廠多臺斗輪堆取料機進行遠程集中式智能無人控制，實現單人同時操作多臺斗輪堆取料機功能。

（8）精確配煤系統。利用精確定位和實時盤煤系統，建立數字化煤場基本信息。根據配煤煤質指標，生成配煤方案，由多臺斗輪堆取料機全自動取煤，實現廠內皮帶精確混配煤。

3.2 系統效果（圖2）

3.3 顯著效益

（1）降低輸煤單耗。恒流取煤大幅提高取煤效率，降低整個輸煤系統單耗至少20%。

（2）降低維護成本。轉動部件、托輥、皮帶等運行減少時間，降低設備和人工維護費用至少20%。

（3）減少人工成本。實現多臺斗輪機遠程集中式控制，減少斗輪機司機人員配置，降低人工成本。

（4）提高安全性。系統在原有基礎上增加了多重保護，包括極限位、跨場、行走、拖鏈、防撞、坍塌、過載、慣性沖擊、皮帶、人員、煤溫等檢測和保護。

（5）提高可靠性。主要設備冗余配置，智能診斷、自修復、免維護、安全可靠。

圖2

（6）提高環保性。堆煤過程中自動調節懸臂高度，減少揚塵；取煤流量恒定，減少皮帶撒煤。

（7）煤場全封閉改造后，斗輪堆取料機智能無人控制改造成為輸煤系統安全可靠運行及運行人員職業健康安全的必然需求。

4 封閉煤場條件下斗輪機智能無人控制系統的應用

在煤場進行全封閉改造后，由于北斗衛星信號變弱或被屏蔽，斗輪機智能無人控制系統中的精確定位系統技術方案需做改變。通過2套冗余配置的工業級高精度編碼器及自動多點RFID（含地址碼）校準技術消除大車移動累積偏差，實現斗輪機大車及斗輪位置的三維空間定位（定位精度達到厘米級）。在封閉煤場條件下，斗輪機仍可實現全部斗輪機智能無人控制功能。為滿足燃料管理每月煤場存煤的盤點要求，增設1套固定式一鍵啟停全自動盤煤系統。在斗輪機頂部安裝帶云平臺的高精度高速激光掃描裝置，利用斗輪機智能無人控制系統，在每月底的非作業時間，自動控制斗輪機在煤場上的來回移動和激光掃描角度，實現對大車軌道二側煤堆的三維掃描，掃描數據實時回傳至后臺，進行三維建模和煤量分析，實現存煤盤點。

5 封閉煤場條件下智能監控和診斷技術的應用

在煤場進行全封閉改造后，為減少人工巡檢頻率，提高系統運行安全性，應建設1套系統實現對斗輪機設備狀態的智能診斷、智能巡檢以及對斗輪機安全運行的智能實時監控。所有智能診斷和實時監控信號應接入斗輪機智能無人控制系統，真正實現在封閉煤場條件下斗輪機的智能無人運行和管理。相關技術可推廣應用到整個輸煤系統。

5.1 圖像智能識別技術

利用斗輪機智能無人控制系統配置的視頻監控設備，同時增加部分視頻監控設備，開發圖像智能識別軟件模塊，并結合大數據技術，對運行區域人員闖入、機上人員數量、懸臂和尾車皮帶異物、煤場大型異物（如推耙機）、斗輪機動力電纜卷盤異常形態、斗輪機頂部懸纜異常形態、懸臂和尾車皮帶跑偏等實現智能識別，并報告至控制系統，提出告警及控制斗輪機動作。

5.2 工作電流智能分析技術

采集回轉電機力矩電流及工作電流信號，報告至控制系統，后者進行大數據分析，智能檢測斗輪機回轉驅動機構打滑、左右出力不平衡、取料懸臂回轉/懸臂碰撞過力矩、大車行走過力矩及左右出力不平衡、取料煤垛坍塌和取料大塊異物等運行異常情況。

5.3 振動檢測技術

利用振動傳感器，實時檢測皮帶電機、斗輪油泵、俯仰油泵等電機運行狀況，并報告至控制系統，后者進行大數據分析，對異常情況實時報警。

5.4 聲音智能分析和IP廣播技術

利用視頻監控采集現場運行的聲音，并進行音頻信號大數據分析，當有異常聲響時實現報警和視頻聯動。利用聲音傳感器，采集斗輪機懸臂和尾車落煤筒底部的音頻信號，并進行信號分析及大數據分析。當有異常數據時，智能判斷堵煤現象是否發生。

在斗輪機和煤場分布式安裝IP廣播設備，提供集控室對煤場內定點廣播功能，實現煤場內緊急情況下逃生、救援等的處置管理。

5.5 其他技術應用

利用激光檢測技術，實現懸臂防撞檢測。通過晃動幅度、頻率檢測以及三軸加速度傳感器，可對懸臂頭部的晃動情況實時監測，防止頭部異常晃動。利用紅外測溫技術，對斗輪取煤作業面的煤進行實時煤溫檢測，防止取出高溫煤損壞懸臂皮帶。通過對俯仰角度的變化速度分析，實時分析俯仰油缸的油壓是否異常。利用粉塵濃度檢測技術，對落煤筒、斗輪溜料板等位置進行粉塵濃度監測，并與噴淋系統聯動。

6 結語

隨著環保政策的步步推進，燃煤電廠露天煤場的全封閉改造已逐漸進入大規模建設階段。斗輪機智能無人控制系統的建設，以及斗輪機設備診斷、巡檢和安全運行監控的智能化，使封閉煤場實現智能無人巡檢和智能無人安全運行成為可能。