华阳后石电厂落煤系统智能化建设研究

吴 涛

（华阳电业有限公司漳州后石电厂，福建 漳州 363099）

0 引言

华阳电业有限公司漳州后石发电厂位于中国福建省漳州市龙海区港尾镇后石村，地处九龙江入海口的南侧，占地约132 hm2。后石电厂于1996年动工建设，1999年11月28日首台机组并网，2008年9月11日第7台机组商转运营。电厂总装机容量为420万kW，是中国大陆规模最大的台资BOT（Build-Operate-Transfer，建设-经营-转让）企业，曾一度是国内第一大火电厂。后石电厂的7×60万kW的超临界燃煤机组，均属国际上技术最先进的发电机组，其自动化程度在中国各电厂中位居前列。电厂燃用的煤炭为海运方式，主要来自国内北方港口及印尼、澳大利亚等地。在环保方面除了脱硫设备和电除尘设备，还加装了脱硝设备，特别是在20世纪90年代实现整个燃煤传输系统全封闭化，系国内首创，曾获中国首届“国家环境友好工程奖”荣誉。作为一个20世纪90年代末期至21世纪初因国内经济高速发展而投运的大型典型主力发电机组的电厂，在燃料输送系统中出现了设备老化、跑冒漏粉、系统内部扬尘日益增大等问题，虽然经过电厂管理层与专业人员的维护与设备更新已有所改善，但是仍不能从根本上解决问题。本文提出的建设研究，是基于现有问题的技术革新，对于同类电厂亦有借鉴意义。

1 落料系统智能化国内外发展现状

落料系统的优化可以有效地减少环境污染物，延长设备使用寿命，提高输煤效率，提升火电行业经济效益，降低亏损。智能化在输煤系统中相对来说起步晚、发展慢，大部分电厂的落煤系统针对某些具体问题做过相应的优化与改善，例如针对堵煤问题设计了流线型落煤管，针对煤流下落不规律设计了弹簧感应锁气器，针对落煤管磨损问题安装了耐磨衬板，针对皮带跑偏问题设计了纠偏托辊，针对扬尘问题设计了水雾喷淋设备。这些措施只是停留在对现有问题的解决上，缺乏系统的预防、预警、分析与应对方法，可视化、自动化等智能化技术利用程度不高。落料系统智能化在食品生产、原料转运等现代制造工业中已十分成熟，具有高度智能化和设备一体化。但是，输煤系统设备技术与设计方案比较传统且更新换代速度慢，以及大宗运输和煤原料本身问题，影响智能设备的使用效果，设备老化损坏等问题也比较突出，阻碍了落煤系统智能化的发展。

2 华阳后石电厂落煤系统现状分析

2.1 落煤管道积煤与堵煤

落料系统的主体是落煤管，目前电厂中的大部分落煤管为传统的普通落煤管，煤流在管道中下落过程中经过拐角时速度急速变化而冲击管壁，煤炭颗粒特别是湿度大的煤炭颗粒容易黏附在落煤管的内壁上，久而久之，落煤管流通面积不断缩小而造成冲积性堵煤。此外，落煤管底部及两侧直角处容易形成挂料，若煤灰多含水量大，时间一长则容易发生挂料性堵煤。

针对电厂中的积料堵煤情况，目前主流的处理方式为人工清堵，但这种方式安全性低，费时费力且成本高，有些落煤管道积煤部位需要高空作业，作业风险较大，再者敲击过程中工人近距离暴露在粉尘环境中会对人的健康造成伤害，而且在光线暗淡的狭长落煤管道不方便确定积煤堵煤部位，增大了落煤管道清理成本。

电厂内部分转运站采用特定形状的落煤管，以TT-4转运站C7通C10曲线落煤管为例，这些后期的落煤管改造项目中应用了曲线落煤管技术，通过对煤流的动态模拟仿真设计了适应性流线型曲线落煤管，能够有效控制煤流速率，减少了拐角挂煤风险，有效地降低堵煤现象发生概率[1]。但是，曲线落煤管技术只能在一定程度上缓解堵煤问题，不可避免地产生积煤与挂料，时间一长导致内部依然有被煤灰堵塞的风险。

2.2 落料系统扬尘问题显著

后石电厂目前在室外室内输煤皮带接头处都设有落煤管道，用于降低因煤粉落差而引起的粉尘扬散，但煤运输过程中产生的扬尘依然比较大，即便是有防尘除尘措施，但效果有限，粉尘能够轻易穿过管道间隙扩散在管道外面，对输煤现场工作人员的身体健康产生了非常不好的影响。该厂输煤系统也采用了有动力除尘器，但因年久失修，大多设备已处于失效状态，不仅耗时耗力，而且除尘效果稳定性欠佳，现场粉尘污染问题依然严重。

粉尘污染是当今大部分电厂输煤系统普遍存在的问题，很多电厂也开发并开始尝试应用新的技术，如无动力抑尘技术、生物纳膜抑尘技术及电除尘技术等[2]。但从当前行业的发展状况来看，输煤系统防尘抑尘技术还相对薄弱，缺乏系统且全面的综合防治措施。为了能够实现更好的防治效果，还需要对粉尘进行全面而深入的研究，设计高效及合理的输煤系统粉尘综合治理方案，是当前电厂亟待解决的主要问题。

2.3 落煤管老化损坏速度过快

后石电厂输煤系统投产至今，转运系统大部分还是沿用传统的设计方案，转运设备也没有大改过。系统运行期间，头部皮带将煤流送入落煤管道内，会直接冲击漏斗内壁，下落过程中也以近似自由落体运动冲击在管道内异径短节部位，煤流中的煤块、杂质等会加速冲击部位的磨损。目前，电厂采用的传统头部漏斗、落煤管冲击部位衬板磨损掉落、本体穿孔漏粉，虽经多次翻修，但已严重影响本体强度及安全性和可靠性。现场所有缓冲锁气器锁气翻板长期受冲击，出现磨损掉落现象，失去锁气作用，冲击部位落煤管已出现磨穿漏粉现象。TT-4转运站内C-7皮带机头部通C-10皮带机尾部高落差落煤管项目改造之前，此类设备磨损老化现象尤为突出。如今采用改造后的曲线落煤管，在一定程度上缓解了这些问题。可见，在落料系统设计中调整落煤管走向、节距以控制煤流流量、下落速度对于设备冲击损坏是可行的，可以进一步完善。

2.4 煤流问题造成皮带机跑偏与磨损

煤运输过程中造成皮带机跑偏的因素比较多，有皮带本身制造原因，也有皮带与托辊安装偏差原因，以及清扫器清扫不干净等原因。由于落煤管的设计、布置及下料速度与总量的控制等方面存在一定的问题，导致煤流下落时偏移落点不正，从侧向冲击皮带，使皮带受力不均匀，造成皮带中心线脱离皮带机中心线，这也是造成皮带跑偏的一个主要原因。皮带边缘与托辊脱离，甚至与机架发生摩擦，加剧皮带损坏速度。而且由于输煤转运系统中的落煤管是垂直设计，煤流会直接冲击皮带，造成皮带划伤和冲击磨损，降低皮带使用寿命，给安全文明生产和设备运行维护带来了巨大危害。

设备制造方面原因可以在设计加工过程通过控制制造尺寸得以解决，安装问题也能够在施工安装过程中通过测量和把控加以改善，皮带清扫不干净的问题则需要针对清扫装置入手，而煤流造成的皮带跑偏现象，就是此番基于落煤管主体研究的智能落料系统需要解决的问题。厂区内有煤料转运需要，所以皮带端部垂直相交是难以避免的，需要从落煤管设计入手，从根源上解决这一问题；辅助以自动纠偏装置，也能够起到预防和自动纠正皮带跑偏问题。

3 后石电厂落料系统智能化建设建议

针对后石电厂落料系统中存在的管道堵煤、扬尘污染、管道破损、皮带跑偏等问题，经过后石电厂和设计院有关人员多次到现场进行考察和分析，召开了多次研讨会，确定了国内外各种先进技术与经验在后石电厂应用的可行性。鉴于此，本文试提出了一种落料系统智能化的理论并论述其优点与可行性。落料系统智能化从设备本身改良优化出发，结合现代视觉识别、3D仿真、工程机器人、纳米技术及智慧系统等先进技术，针对落料系统不同的问题提出针对性的智能化解决方案。

3.1 抑尘防堵3D曲线落煤管

3D曲线抑尘防堵落煤管采用离散元分析方法，借助颗粒学仿真技术，通过三维设计和立体建模技术对料流进行仿真模拟，在设计阶段进行测试和优化，具有普遍适应性。

落煤管头部设计有弧形集流导流装置，料流从皮带落下后可以以较小的冲击角度与导流挡板渐变接触，降低头部漏斗磨损，延长其使用寿命。落煤管采用多边形流线设计，能保证料流的集束式有序滑落，在一定程度上也缓和了料流下落冲击力，同时将煤流出口速度控制与接料皮带一致，缓解了煤流冲击力，降低了粉尘扬散。落煤管的曲线设计与皮带输煤速度吻合，使皮带上煤流抛落初动能与管道内煤流下落势能叠加，克服了煤流与管道内壁的部分摩擦力，降低了冲击性堵煤和挂料性堵煤的可能性。落煤管在设计中通过模拟控制煤流落点，保证了落点不至偏移皮带中心，使皮带受力均匀不跑偏[3]。落煤管内尤其是冲击点衬采用埋伏焊工艺的高铬耐磨合金衬板，落煤管本体与衬板一体堆焊制作，保证了冲击部位的耐磨性与管道本身的强度。

3.2 落煤管防堵识别与自动清理系统

在3D曲线落煤管的基础上，针对落煤管中可能出现的积料、堵煤情况，在落煤管头部漏斗设置溜槽，控制给煤量，保证配煤均匀；在落煤管容易积煤或者弯曲度较大的节点处开孔，通过输气管将空气吹入，控制阀设置开关时间，定时吹扫清理积煤挂煤部位，防止煤料长时间堆积、结板造成堵煤；在三通、底部等极易发生堵煤的位置处设置防堵报警与清理组件，发生堵煤后煤料挤压报警组件限位开关，报警提示并驱动敲击杆，通过击打堵煤部位振动清理堵煤；在落煤管头部和底部皮带部位1．5 m高度处安装三维深度相机，采集皮带上煤料表面数据，系统平台融合速度传感器采集的信息并计算上下两皮带煤料流量。当底部皮带所过煤料总和小于头部皮带落下煤料总和时，会有堵煤风险，平台会发出预警，提示巡检人员关注该落煤管。平台还可向清理组件发送远程数据，驱动敲击杆击打可能产生的堵煤部位。若堵煤问题解决，报警提示和敲击杆自动停止，若发生严重堵煤问题且一段时间内未解决，平台会发出指令使皮带机停止工作，并提示管理人员。

3.3 智能粉尘综合治理系统

在3D曲线落煤管的基础上，在粉尘源头处头部漏斗和底部冲击部位安装生物纳膜喷洒装置，接入统一的平台系统，可实现定时喷洒、自动喷洒等功能。喷洒的生物纳膜与煤粉聚合使其自重增加，形成较大的粉尘颗粒团而降落，从粉尘产生源头抑尘；在落煤管附近及皮带机沿线安装粉尘传感器及高清网络摄像头，传感器通过激光散射检测颗粒物产生的散光，设备分析得到不同直径颗粒物浓度，并将检测的粉尘浓度统计记录，如果粉尘浓度超标，设备发出提示并向系统平台发送数据，平台自动处理；在头部外侧及落煤管出口处安装超声雾化装置，该装置接入平台系统，接收平台发送的信息请求，能够实现连续或间断地自动喷洒云状离子云雾，实现扬尘团聚自动降尘。粉尘传感装置始终检测落煤管周围的粉尘浓度，高清网络摄像头将检测记录拍照并上传到系统平台，平台可以控制生物纳膜喷洒装置定时向落煤管内喷洒生物纳膜混液，处理传感器信号，当落煤管周围粉尘浓度超标时，会接收来自传感器的信号并发送指令信号启动超声波雾化降尘。

3.4 皮带跑偏报警与自动纠偏系统

在3D曲线落煤管的基础上，在皮带中心正上方安装可见光摄像头，镜头垂直向下对着皮带，在水平距离处放置一字激光光源，在各条皮带的头部、尾部与垂拉张紧位置分别安装视觉跑偏智能识别AI系统。AI利用图像识别技术对皮带跑偏进行诊断，实现胶带跑偏的无损监测、报警和紧急停机；在各条皮带的头部、尾部、导料槽出口前段和垂拉张紧位置处安装液压纠偏装置[4]。当跑偏检测装置检测到皮带跑偏现象后，AI系统发出电信号控制电机运转，驱动液压纠偏装置进行实时调整，使皮带回归正常运行范围，从而避免皮带跑偏造成散料问题，防止皮带与机架摩擦而导致皮带撕裂，能够保护皮带输送机正常运作。

4 结语

传统落料系统的设计安装没有解决运行过程中出现的堵煤、扬尘等系列问题，不符合可持续发展要求，本文从后石电厂落料系统运作过程中存在的问题出发，分析了问题产生来源、电厂现有处理措施及国内外相关的技术手段，从落料系统智能化出发提出了针对当前系统问题的改进方案，针对堵煤、磨损、扬尘、皮带跑偏等现象采取相应措施，提升了整的落料系统的综合性能，该理念更加符合环境友好型社会的发展趋势。