楊勇，江學(xué)文

（1.浙江浙能溫州發(fā)電有限公司設(shè)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(fēng)天氣，煤場周圍經(jīng)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(shù)電廠采用煤場周圍設(shè)置防風(fēng)抑塵網(wǎng)的方式進(jìn)行控制。隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，我國區(qū)域性大氣問題日趨嚴(yán)峻，如何控制PM2.5逐漸成為公眾關(guān)注的焦點。

近年來，國家越來越重視環(huán)境保護工作，為打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)制定多項政策和措施?！秶译娏Πl(fā)展十三五規(guī)劃》制定了“統(tǒng)籌兼顧，協(xié)調(diào)發(fā)展；清潔低碳，綠色發(fā)展；優(yōu)化布局，安全發(fā)；智能高效，創(chuàng)新發(fā)展，深化改革，開放發(fā)展；保障民生，共享發(fā)展”的基本原則，并明確指出“發(fā)展智能發(fā)電技術(shù)，開展發(fā)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(guī)定：“貯存煤炭、煤矸石、煤灰、水泥、石灰、石膏、砂土等易產(chǎn)生揚塵的物料應(yīng)當(dāng)密閉，不能密閉的應(yīng)當(dāng)設(shè)置不低于堆放物高度的嚴(yán)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(huán)保廳牽頭發(fā)布浙江省地方標(biāo)準(zhǔn)《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB332147—2018），文中對煤場做了更嚴(yán)格的要求：“儲煤場應(yīng)采用封閉、半封閉料場（倉、庫、棚）。半封閉料場應(yīng)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?！?/p>

2018年6月27日，國務(wù)院發(fā)布了《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃的通知》（國發(fā)（2018）22號文），通知明確了“進(jìn)一步明顯降低細(xì)顆粒物（PM2.5）濃度”的目標(biāo)，并要求“強化工業(yè)企業(yè)無組織排放管控。開展火電等重點行業(yè)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(zhuǎn)移和工藝過程等無組織排放實施深度治理”。

隨著環(huán)保政策的逐漸縮緊，各大發(fā)電集團也逐漸增加投入，加強了對露天煤場進(jìn)行全封閉改造的進(jìn)度。浙江能源集團2018年先后兩次組織下屬電廠技術(shù)和管理人員分赴多家發(fā)電廠實地調(diào)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(jìn)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(guān)鍵設(shè)備——斗輪機，部分電廠已經(jīng)實現(xiàn)了全場斗輪機智能無人控制系統(tǒng)改造，這為露天煤場的全封閉改造奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

由于大多數(shù)電廠的煤種來源復(fù)雜，很多煤種如褐煤，揮發(fā)分很高，煤層內(nèi)部溫度可控性差，隨著煤溫度的升高，極易自燃。煤陰燃產(chǎn)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(chǎn)生很大威脅，還可能引發(fā)火災(zāi)。因此，露天煤場全封閉改造后，除了對煤場環(huán)境必須進(jìn)行實時監(jiān)測外，煤場設(shè)備的運行及安全監(jiān)測還必須做到自動化和智能化，以實現(xiàn)煤場管理現(xiàn)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(shè)備智能巡檢及運行安全智能檢測等技術(shù)的應(yīng)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(huán)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(wěn)定，雨季煤料輸送時的堵料現(xiàn)象明顯減少，自動化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)構(gòu)煤場與膜結(jié)構(gòu)煤場，其中鋼結(jié)構(gòu)煤場又可細(xì)分為拱形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、管桁架結(jié)構(gòu)、管桁架＋輕型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等，膜結(jié)構(gòu)煤場又分為骨架膜與充氣膜等結(jié)構(gòu)形式。

2.1 拱形鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

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

2.2 管桁架結(jié)構(gòu)

目前大跨度空間結(jié)構(gòu)（120m以上跨距）常用管桁架結(jié)構(gòu)形式，管桁架結(jié)構(gòu)能夠滿足大跨度的要求，但現(xiàn)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(xié)同作業(yè)，且在安裝過程中需要大量非常精確的高空焊接作業(yè)，人工成本較高，總的來說，管桁架結(jié)構(gòu)用鋼量指標(biāo)和單位造價均較高。

2.3 管桁架＋輕型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

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

2.4 骨架膜結(jié)構(gòu)

骨架膜結(jié)構(gòu)是用鋼結(jié)構(gòu)（拱形網(wǎng)架或管桁架）搭建整體結(jié)構(gòu)骨架，表面覆蓋現(xiàn)代建筑膜材。國內(nèi)已經(jīng)逐步在煤炭領(lǐng)域應(yīng)用骨架膜結(jié)構(gòu)的儲煤場，如山西榆次瑞光電廠104m跨度骨架式膜結(jié)構(gòu)儲煤棚、鄭州裕中能源有限責(zé)任公司120m跨度骨架膜結(jié)構(gòu)封閉煤場等。

2.5 充氣膜結(jié)構(gòu)

充氣膜結(jié)構(gòu)在北美、歐洲和日本已有50多年的發(fā)展歷史，但是在國內(nèi)還處于起步階段。充氣膜結(jié)構(gòu)上加設(shè)加勁索，即在充氣膜外面布置一定數(shù)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(wǎng)格布置和斜交網(wǎng)格布置等不同類型，斜向正交索網(wǎng)加勁結(jié)構(gòu)因其優(yōu)越的剛性特性和受力性能得到了廣泛的認(rèn)可和使用，能適應(yīng)風(fēng)、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(nèi)已建成運行的有神華巴彥淖爾能源有限公司110m跨氣膜結(jié)構(gòu)原煤棚、神華寧夏煤業(yè)集團有限責(zé)任公司太西、大武口洗煤廠煤棚90m跨氣膜結(jié)構(gòu)原煤棚等。

2.6 封閉煤場安全監(jiān)測系統(tǒng)

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

3 斗輪機智能無人控制系統(tǒng)簡述

系統(tǒng)采用精確定位、三維測控、自動控制、圖像監(jiān)控等多項專利技術(shù)，實現(xiàn)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(yè)效率，大幅降低輸煤單耗，降低司機勞動強度和改善作業(yè)環(huán)境，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。同時，系統(tǒng)也是電廠燃料智能化和智慧電廠建設(shè)的基礎(chǔ)。

3.1 系統(tǒng)組成及功能

（1）精確定位系統(tǒng)。通過工業(yè)級北斗實時定位技術(shù)，實現(xiàn)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(dá)到厘米級）。

（2）精準(zhǔn)測繪系統(tǒng)。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(tǒng)及實時盤煤的基礎(chǔ)。

（3）智能控制系統(tǒng)。通過智能控制技術(shù)，對煤位、煤垛、流量、空間位置等信息進(jìn)行智能分析和計算，實現(xiàn)斗輪堆取料機一鍵式啟?？刂疲瑹o須通過手柄和按鈕操作，全過程無須人員干預(yù)。斗輪堆取料機各執(zhí)行機構(gòu)按順序自動啟停，實現(xiàn)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(tǒng)

（4）實時盤煤系統(tǒng)。斗輪機懸臂動作時，安裝于斗輪左右側(cè)的激光掃描儀對煤垛進(jìn)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(jù)斗輪機當(dāng)前的工作模式、激光掃描儀數(shù)據(jù)及煤場三維模型信息自動創(chuàng)建煤垛對象或者實時修正作業(yè)煤垛模型。在上位機上可對斗輪機和煤堆進(jìn)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(tǒng)。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(jiān)控等技術(shù)，實現(xiàn)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(guān)鍵裝置采用冗余配置，確保系統(tǒng)可靠運行。

（6）高清圖像系統(tǒng)。采用?？低暪I(yè)級高清網(wǎng)絡(luò)攝像機，支持POE供電、H.265最新編碼技術(shù)，全方位監(jiān)視斗輪堆取料機運行狀態(tài)及煤場環(huán)境。基于SDK開發(fā)包開發(fā)視頻報警聯(lián)動功能，提高系統(tǒng)安全性。

（7）集中監(jiān)控平臺。在集控室設(shè)立集中監(jiān)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(jìn)行遠(yuǎn)程集中式智能無人控制，實現(xiàn)單人同時操作多臺斗輪堆取料機功能。

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

3.2 系統(tǒng)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(tǒng)單耗至少20%。

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

（3）減少人工成本。實現(xiàn)多臺斗輪機遠(yuǎn)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(tǒng)在原有基礎(chǔ)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(shè)備冗余配置，智能診斷、自修復(fù)、免維護、安全可靠。

圖2

（6）提高環(huán)保性。堆煤過程中自動調(diào)節(jié)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(tǒng)安全可靠運行及運行人員職業(yè)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(tǒng)的應(yīng)用

在煤場進(jìn)行全封閉改造后，由于北斗衛(wèi)星信號變?nèi)趸虮黄帘?，斗輪機智能無人控制系統(tǒng)中的精確定位系統(tǒng)技術(shù)方案需做改變。通過2套冗余配置的工業(yè)級高精度編碼器及自動多點RFID（含地址碼）校準(zhǔn)技術(shù)消除大車移動累積偏差，實現(xiàn)斗輪機大車及斗輪位置的三維空間定位（定位精度達(dá)到厘米級）。在封閉煤場條件下，斗輪機仍可實現(xiàn)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(shè)1套固定式一鍵啟停全自動盤煤系統(tǒng)。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(tǒng)，在每月底的非作業(yè)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(xiàn)對大車軌道二側(cè)煤堆的三維掃描，掃描數(shù)據(jù)實時回傳至后臺，進(jìn)行三維建模和煤量分析，實現(xiàn)存煤盤點。

5 封閉煤場條件下智能監(jiān)控和診斷技術(shù)的應(yīng)用

在煤場進(jìn)行全封閉改造后，為減少人工巡檢頻率，提高系統(tǒng)運行安全性，應(yīng)建設(shè)1套系統(tǒng)實現(xiàn)對斗輪機設(shè)備狀態(tài)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(jiān)控。所有智能診斷和實時監(jiān)控信號應(yīng)接入斗輪機智能無人控制系統(tǒng)，真正實現(xiàn)在封閉煤場條件下斗輪機的智能無人運行和管理。相關(guān)技術(shù)可推廣應(yīng)用到整個輸煤系統(tǒng)。

5.1 圖像智能識別技術(shù)

利用斗輪機智能無人控制系統(tǒng)配置的視頻監(jiān)控設(shè)備，同時增加部分視頻監(jiān)控設(shè)備，開發(fā)圖像智能識別軟件模塊，并結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，對運行區(qū)域人員闖入、機上人員數(shù)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(tài)、斗輪機頂部懸纜異常形態(tài)、懸臂和尾車皮帶跑偏等實現(xiàn)智能識別，并報告至控制系統(tǒng)，提出告警及控制斗輪機動作。

5.2 工作電流智能分析技術(shù)

采集回轉(zhuǎn)電機力矩電流及工作電流信號，報告至控制系統(tǒng)，后者進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，智能檢測斗輪機回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)打滑、左右出力不平衡、取料懸臂回轉(zhuǎn)/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(shù)

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(tǒng)，后者進(jìn)行大數(shù)據(jù)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(shù)

利用視頻監(jiān)控采集現(xiàn)場運行的聲音，并進(jìn)行音頻信號大數(shù)據(jù)分析，當(dāng)有異常聲響時實現(xiàn)報警和視頻聯(lián)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(jìn)行信號分析及大數(shù)據(jù)分析。當(dāng)有異常數(shù)據(jù)時，智能判斷堵煤現(xiàn)象是否發(fā)生。

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

5.5 其他技術(shù)應(yīng)用

利用激光檢測技術(shù)，實現(xiàn)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(jiān)測，防止頭部異?；蝿?。利用紅外測溫技術(shù)，對斗輪取煤作業(yè)面的煤進(jìn)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(shù)，對落煤筒、斗輪溜料板等位置進(jìn)行粉塵濃度監(jiān)測，并與噴淋系統(tǒng)聯(lián)動。

6 結(jié)語

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