激光盘煤仪在火电厂储煤场管理中的应用

0引言

煤场盘点,即盘煤,是火力发电厂储煤场管理的重要组成部分。储煤场存煤通常是极不规则的,传统上采用人工丈量法,即将煤堆整理成规范的立体形状,再用米尺或经纬仪、水准仪等工具测量有关参数,计算煤堆体积^[1]。应用传统方法丈量煤堆体积,存在工作量大、费时费力、准确性差等问题,因此, 目前我国很多电厂采用激光盘煤仪来测定煤堆体积。该仪器利用激光系统快速测量整个煤场的各特征点,并能自动记录其空间坐标,然后采用数字内插拟合技术建立数字地面模型,从而计算出煤场煤堆的体积^[2]。

1 原理方法

1.1标准依据

依据国家标准GB/T31091—2014《煤场管理通用技术要求》、MT/T739—2011《煤炭堆密度小容器测定方法》。

1.2 仪器要求

激光盘煤仪由激光测距仪、水平角编码器、三脚架、专用计算机及处理软件组成。盘煤精度要求小于等于0.5%,适用于任何大小的煤场,对煤场的长、宽、高及煤堆形状无限制,并且不受外界磁场干扰。此外,仪器满足IP67防水、防尘、防振要求,使用环境温度-30~+60℃。

1.3 基本原理

激光盘煤仪是在储煤场建立测量控制网和空间坐标系,利用激光测距仪与角度测量装置的组合系统,对被测煤堆进行扫描,获取激光点所接触表面到观测网各个测量站点的距离和水平、垂直方向方位角度信息,计算出扫描点的三维空间坐标。通过计算机专用软件处理,给出煤堆三维立体图形和煤堆体积。

1.4 测量步骤

1)设备校验与工具准备:确保计量器具(如激光盘煤仪、皮带秤等)经过校准,误差控制在允许范围内(如激光盘煤仪误差≤0.5%)。对于人工盘点,须准备卷尺、密度测试容器等工具,并按规范进行堆密度模拟测试。

2)煤堆归整与密度测定:通过斗轮机或推土机将煤堆整形成规则几何体(如梯形、矩形),以减少测量盲区。根据煤种、水分及堆放方式分类测定堆密度,可采用容器模拟法(如0.5 m³金属容器加压实验)或参考行业标准(如MT/T 739)。

3)体积测量与质量计算:使用便携式激光盘煤仪,以每秒1 800点的高频采集煤堆表面数据(图1),通过德洛内三角网建模生成3D轮廓,误差可控制在0.5%以内。根据体积与堆密度的乘积得出煤量,公式为:质量=体积×堆密度。堆密度须按煤种实测,例如某焦煤的加压堆密度可能达1.2 t/m3,而未加压仅0.9 t/m³。

4)数据对比与分析:将实测数据与账面库存对比,计算账货相符率。账货相符率=(账面货物重量/煤场盘点货物重量)× 100%。其中,账面货物重量是指账面库存的货物重量,煤场盘点货物重量是指煤场实际盘点库存货物重量。

2数据处理

激光盘煤仪的数据处理是一个系统化的过程,涵盖了从数据采集到最终分析展示的多个环节。

2.1 数据采集

根据煤堆测量结果、仪器高度和控制点的坐标,将各测站扫描点按照一定的数学模型转换为当前控制网所设坐标系下的坐标,得到拼接后的煤堆表面点云数据(图2)。这些数据包含了煤堆表面每个测量点的三维坐标信息(X,Y,Z)以及反射强度等其他相关信息。数据采集的过程通常是在预设的时间间隔内自动进行,以确保数据的时效性和准确性。

2.2 数据预处理

1)数据清洗:剔除异常值和噪声数据,裁剪个别冗余数据,对齐并插补多视点云数据等,确保数据的准确性和可靠性。这一步骤对于后续的数据分析至关重要,因为噪声数据可能会影响最终的分析结果。

2)坐标转换:将扫描仪采集到的斜距、方位角、垂直角等信息转换为实际的三维坐标。这需要使用特定的坐标转换公式,以确保数据的精确性。

3)数据拼接:编辑点云数据,进行曲线拟合和曲面重构,建立煤堆数字高程模型和三维立体模型。若使用多台扫描仪进行扫描,需将不同扫描仪采集到的数据进行拼接和融合,形成完整的煤堆三维点云数据。这一步骤确保了数据的完整性和连续性^[3]。

2.3数据分析与建模

1)三维建模:利用数字内插拟合技术和三维建模算法,根据点云数据生成煤堆的三维立体图形。这一步骤能直观地展示煤堆的形状和分布,为后续的体积和重量计算提供基础。

2)体积计算:通过体积积分算法或三维模型的几何分析,计算煤堆的体积。若基准面上存在非煤物体或建筑,应扣除其预先测定的体积。这一步骤需要精确的算法支持,以确保计算结果的准确性。

2.4数据可视化与展示

1)三维可视化:生成煤堆的三维立体图形,支持放大、缩小、平移、旋转等操作,方便用户从不同角度查看煤堆信息。这一步骤对于直观理解煤堆的分布和形状非常有帮助。

2)多维度展示:可以生成煤堆的高度图、剖面图等,从不同维度展示煤堆的信息,满足不同用户的需求。

2.5报表生成与输出

1)数据报表:根据计算结果,生成包含煤堆体积、重量、分区信息等的报表。这些报表可以用于煤场管理、库存盘点等目的。

2)自定义模板:支持自定义Excel模板,方便用户根据需求输出数据。用户可以根据自己的管理需求定制报表的格式和内容。

2.6数据管理与存储

1)数据存储:将采集和处理后的数据存储在服务器或数据库中,便于历史数据的查询和分析,更有助于长期跟踪煤场的变化情况。

2)数据更新:支持定期或实时更新数据,确保煤场管理的动态性和实时性,这对于及时调整煤场管理策略非常重要。

通过以上步骤,激光盘煤仪能够高效、准确地处理煤堆数据,为煤炭管理和决策提供有力支持。这一系统化的过程不仅提高了数据处理的效率,还确保了数据的准确性和可靠性,对于现代化煤场管理具有重要意义。

3结果计算

根据特征曲线,将所测煤堆切割为若干个四方柱体进行数学积分计算,四方柱体上端不受形状限制,均可以计算出实际体积,因而可以根据实际煤堆计算出实际体积(图3)。

库存煤量盘点结果采用标准煤表示,按以下公式计算,结果保留小数点后两位:

式中:Grc为库存原煤量(t);Gce为库存原煤折算的标准煤量(tce);D为库存煤堆积密度(t/m³);V为库存煤堆积体积(m³);Qnet,ar为库存煤收到基低位发热量(MJ/kg);29.271为1kg标准煤的低位发热量(MJ/kgce)。

注:GB/T 2589建议1 kg标准煤的低位发热量为29.307 MJ。

如果一个煤场分区存放不同类别的煤,应分区域给出煤量盘点结果。储煤场库存总煤量为各区域盘点的标准煤量之和。

4 误差分析

4.1 人为误差

1)特征点选择不当:在便携式激光盘煤仪使用中,操作人员需手动选择煤堆表面特征点进行测量。若特征点分布不均匀(如遗漏凹陷区域或过度集中于平整区域),会导致三维建模时内插算法拟合表面形状失真。例如,某电厂实测表明,特征点密度从2 500个减少至1000个时,体积误差可扩大至3%以上。

2)姿态控制误差:手持设备在移动过程中可能因抖动或倾斜导致激光测距仪姿态偏移。研究表明,姿态角(俯仰、横滚、偏航)误差超过1°时,体积误差可达1.2%。例如,某电厂实测表明,因操作者行走时未保持设备水平,导致煤堆高度数据系统性偏低,最终体积计算偏差达0.8%。

3)定位数据同步问题:当设备依赖GPS或斗轮机行程轮定位时,操作人员若未校准定位系统或忽略轨道积煤影响,可能引入坐标偏差。例如,某电厂实测发现,轨道积煤导致行程轮轨迹误差0.1 m,角度偏差0.3°,最终体积误差达0.5%。

4.2 系统误差

1)设备硬件固有误差。

(1)激光测距精度:激光发射器与接收器的校准偏差、设备老化等因素导致测距误差。例如,部分设备在10%反射率条件下最大测距误差可达±3 cm。

(2)姿态传感器误差:手持或移动式设备的俯仰角、横滚角测量偏差(如±0.5°误差可能导致高度计算误差达1.5%)。

(3)编码器定位误差:轨道移动式设备的编码器数据漂移,导致位置坐标偏移,直接影响三维模型构建精度。

2)安装与定位偏差。

(1)扫描盲区:早期设备安装在堆取料机臂上时,受机械臂回转角度限制(如堆料机有效扫描角度仅203°),导致煤堆边缘数据缺失。

(2)GPS定位偏差:露天煤场中GPS信号受天气干扰,定位误差可达米级,影响坐标标定。

3)环境干扰因素。

(1)温湿度与粉尘:高湿度或煤场粉尘导致激光

散射,测距精度下降(实测湿度>80%时误差增加约0.5%)。

(2)煤堆表面特性:煤堆密度分布不均(如压实区与松散区密度差异达10%以上),导致体积-重量换算误差。

4)算法模型局限性。

(1)插值算法误差:传统数字内插技术对复杂煤堆表面拟合不足,实测显示煤堆顶部凹陷区域的体积计算误差可达2%。

(2)阴影补偿不足:煤堆遮挡区域的补偿算法未考虑煤堆倾角,导致补偿体积偏差(如补偿误差达0.8m³/m)。

为验证系统测量准确性,以某电厂每月最后一天盘煤为例,取3个月所得数据进行系统误差分析。误差由下列公式计算,所得数据如表1所示。

由表1可以看出,测量值是2024年1月至3月间每月煤场盘点时所测得的存煤量。由于是双煤棚煤场,每次测量分别在1A、1B、2A、2B(即南北双向)四个区域进行,并根据每月进煤量、出煤量、剩余煤量得出煤场实际存煤量,即真实值,再通过误差计算公式得出误差。根据误差列的数据,得出测量的最大误差为0.48%,最小误差为-0.18%,系统测量误差约为±0.48%,小于0.5%。激光扫描盘煤精度较高,测量稳定,达到预期目标^[4]。

5 结束语

在火力发电厂中,煤场存煤量的精准管理直接影响发电成本核算和燃料调度效率。经过理论研究、实际操作及结果分析,激光盘煤仪通过以下功能提升了管理效能。

1)测量精度不受外界磁场干扰:盘煤系统中的水平角编码器采用光电数码技术测量水平角度,不受发电机所产生的磁场以及斗轮机、推土机、皮带机钢铁支架等铁磁性物质的影响。

2)现场计算和绘图功能:可在现场完成数据采集、体积计算和图形绘制工作。这不仅省去了数据传输等工作,而且在煤场就能即时取得盘煤结果,可以现场检验盘煤的正确性。

3)具有观测点的平面现场显示功能:此功能不但使观测情况一 目了然,还可以从图形中立即发现测量中出现的错误并现场改正,提高了观测数据的质量和盘煤成果的精度。

4)应用场景广:适用于不同物料、不同堆形的大宗商品,涵盖冶金石化、水泥建材、港口物流、环保监测等行业。

基于以上特点,激光盘煤仪将工业级测距技术与智能算法深度融合,解决了传统盘煤效率低、误差大、安全性差的痛点。随着三维建模算法和边缘计算技术的迭代,激光盘煤仪在复杂工业场景中实现了亚米级空间分辨率和千分级体积测量精度,成为当前燃煤库存管理的首选方案。

[参考文献]

[1]符植,杨永.盘煤技术在第三方检验中的应用[J].中国口岸科学技术,2023,5(8):28-33.

[2] 陈玉芳,沈涛.火力发电厂燃料监督与管理浅谈[J].内蒙古煤炭经济,2014(4):36.

[3] 张茜.火电厂斗轮堆取料机智能化无人值守系统的设计与应用[D].镇江:江苏大学,2022.

[4]杨青青.基于激光扫描仪的盘煤系统设计与开发[D].北京:北京林业大学,2018.

《机电信息》2025年第14期第18篇