国家能源集团专业化煤炭码头智慧化建设发展_宋郁珉.pdf

第2期宋郁珉1，李长安2（1.国能（天津）港务有限责任公司，天津300452；2.国家能源集团技术经济研究院，北京102211）摘要：煤炭运输在国民经济发展中占有重要地位，煤炭码头作为铁海联运、水陆交汇枢纽极为重要。本文以煤炭码头输送装备自动化发展、无人化实践、智能化进阶为脉络分享了建设实践，围绕打造智慧港口对实施路径展开研究，为煤炭码头、电厂料场等应用煤炭输送装备工矿企业提供参考。关键词：煤炭运输；煤炭码头；智慧港口中图分类号：F552文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）02-08-04作者简介：宋郁珉（1981），男，硕士，高级工程师、经济师，现任职于国能（天津）港务有限责任公司，主要从事智慧港口研究应用、战略规划研究。Tel：18920962320，E-mail：引用格式：宋郁珉，李长安.国家能源集团专业化煤炭码头智慧化建设发展 J.能源科技，2023，21（2）：8-11，16.0引言以煤为主的能源结构，是由我国的资源禀赋与能源需求共同决定的。煤炭对全国的民生用电、工业运转非常重要。地理上产区集中明显，产煤重心晋蒙陕三地分别占比27%、26%、17%，煤炭消费主要集中在东南沿海、沿江地区。由于我国煤炭产地与消费地相距较远，单一的运输方式难以满足最优化运输的要求，因此需要多种运输方式组合（即多式联运）1。研究表明，从西部地区至沿海地区煤炭铁海联运是最适合的运输组织方式。铁海联运较单一运输方式最多可减少77.4%的碳排放和43.48%的燃油，大力发展铁海联运可以有效减少煤炭运输中的碳排放，缓解煤炭物流对环境的污染2。重点区域煤炭集港全部改由铁路和水路运输，为畅通我国“双循环”战略提供强大的新引擎和新动能。1国家能源集团煤炭码头输送装备智能化建设实践2022年，全球新冠疫情冲击持续等不利因素造成世界经济持续面临较大的下行压力。全年沿海港口吞吐量预计将历史性超过100 亿 t，同比增长1.7%，低于原预期3%的增速。港口煤炭运输总体低迷，内外贸分化。预计2022年沿海港口煤炭及其制品吞吐量将达到18.2 亿 t，同比下降0.5%，占沿海港口货物吞吐量的比重由2021年的18.4%下降至18.0%左右，但规模继续保持沿海港口第一货类位置。国家能源集团黄骅港务、天津港务、珠海港务依托集团一体化运营、产运销协同，2022年装船2.5 亿 t。集团一体化优势明显，成为我国唯一一个能够独立提供从矿到路、路到港或路到厂，以及港到港或港到厂等覆盖生产供应链条的完整产品供应商，依靠自有铁路、港口、码头和船队，运输网络已覆盖全国沿海各地区及中西部主要省区3。产运协同是提升产运销一体化效率的核心手段，做好产运协同，一方面是计划协同编制，兼顾各方需求，削弱冲突；另一方面是异常情况下，保障运行平稳，构建计划协同调整策略，提升一体化产业链资源优化配置的科学性和高效性4。集团铁路以包神铁路、大准铁路、神朔铁路、朔黄铁路为主要通路干线，配合相关配套集疏运铁路，由蒙西至渤海湾港口构成国家能源集团煤炭运输的主线，主要承担煤炭装车、发运、卸车作业5。集团三港作为大型专业化业主码头，信息技术广泛应用，路港航上下游物流链整体进入竞争等具有显著的第二代、第三代、第四代港口特点6，正在向第五代港口绿色低碳化探索实践高质量可持续发展之路7。1.1煤炭码头输送装备自动化发展专业化煤炭码头充分依托科学技术进步，主动适应社会经济由规模数量型向质量效益型转变发展进程。以斗轮取料机为例，20世纪初，由斗轮挖掘机第21卷 第2期Vol.21 No.22023年4月Apr.2023国家能源集团专业化煤炭码头智慧化建设发展第2期演变而来的散装物料装卸机械在国外开始投入使用。经过40 余年的发展，国内斗轮取料机的设计制造水平取得长足进步，生产能力普遍提高。伴随运输散料船只的载货量越来越大，港口斗轮取料机的生产能力由过去的1 5003 000 t/h发展到现在的3 0006 700 t/h。斗轮取料机控制系统、调速系统、工业网络等基础技术不断升级，为无人化操控的发展奠定了坚实基础。1.2煤炭码头输送装备无人化实践德国、荷兰、挪威等国家港口中的取料机充分依托GPS技术、声呐技术和3D扫描技术已实现无人化全自动运行。以荷兰鹿特丹港为例，在控制中心 1人便可实现6台724全天候无人操控，并且作业效率不低于人工效率。但是，堆、取料机无人化操控工艺技术对国内用户技术封锁，仅提供操作端，不提供原始设计和系统算法8。宝钢集团马迹山料场于2006年在国内首创无人化系统，实现远程无人化。但是，作业过程流量较小，取料换层需要人工操作，没有实现与生产调度系统的无缝连接，效率仅为人工效率的80%左右9。同年，天津港务建成堆料机无人值守系统10。操作员在工控机上对4台堆料机进行遥控操作，在进行简单的参数设置后，堆料机自动进行全自动堆料。以自动堆取料和翻车机远程集控自动给料为核心的天津港务首个关键项目“智能化堆取料技术研究与应用”于2016年建成并投入使用，在国内同行业中第一个实现全码头14 台大型港机无人作业。在集控室远程操作堆、取料机作业基础上，翻车机远程集控及自动给料能够在集控室内实现翻车机的自动给料控制。通过检测翻车机皮带每个振动给料机的给料频率，在确保正常翻车的条件下，达到设定流量并保持稳定。在发生漏斗堵料等特殊情况下，程序自动进行识别处理并报警通知操作人员11。1.3煤炭码头输送装备智能化进阶在工业互联网、无人机、北斗定位和物联网智能传感器快速发展的时代背景下，天津港务开启了无人化输送装备向智能化“钢铁机器人”进阶之路。成功研制基于统一坐标下的单机高精度定位系统。发挥编码器数据稳定和差分定位精确的优势，开发编码器、RFID 与差分定位数据实时融合校验功能，实现10 台单机在一个系统平台下厘米级（1 cm）稳定精确定位，如图1所示。图1多传感器融合校验的定位系统成功研制基于雷达的数学模拟计算和激光扫描相结合的三维建模系统并指导优化自动堆取料作业，如图 2 所示。数学模拟计算解决了恶劣天气的干扰和工作位置的限制，实现了全天候、实时建模。在天气良好、大机有空余时间时，通过机上或无人机激光扫描进行模型修正，提升模型精度和作业精准度。现场雷达探测计算服务器高频雷达探测图2全天候高效建模方式成功研制斗轮流量精确控制系统，如图3所示。基于取料机几何尺寸建模的前馈控制和基于卡尔曼滤波的斗轮电流反馈PI调节相结合的流量控制方法，统一细分料流区间，采取虚拟流量与实际流量循环校验对比，对各个区间采取专项控制方法，实现对料流流量稳定控制，做到提前预测，实时跟踪。皮带秤电流取料量延迟非线性图3非线性流量控制算法流程宋郁珉等：国家能源集团专业化煤炭码头智慧化建设发展 9第2期成功研制翻堆取一体化远程集中控制方法。翻堆取一体化基于整体设计分模块开发的理念，以统一互联的工业互联网为数字化基础设施，逐项攻克翻车机自动给料闭环控制，堆、取料机远程集中控制，料场物料及单机统一坐标系，堆、取料机共享物料数据模型等一系列技术难题，进一步优化了UI设计，提升料堆三维展示人机交互体验，实现设备信号状态监控、生产计划制定与任务下达。最终实现一个平台完成翻车机、堆料机、取料机全天候高效率的智能化生产作业和通岗一体的远程实时监控机制，见表1表3。表3应用效果比较国内外行业国内大部分企业少部分企业澳洲港口欧洲港口本技术操作模式机上手动机上半自动远程半自动全自动全自动全自动煤堆模型无无二维激光扫描二维数学模型三维激光扫描三维数学模型煤堆防碰撞拉绳拉绳拉绳及激光二重防护二重防护三重防护空间防碰撞初级初级初级精密防碰撞中级防碰撞精密防碰撞配煤控制稳定性差稳定性中半自动，稳定性中自动控制，稳定性好自动控制，稳定性好自动控制，稳定性好全天候是是否是否是作业效率起伏高低高高高环境恶劣恶劣好好好好安全性差差差中中高人均控制台数/台0.51112363636表1关键性能指标指标名称定位精度三维建模精度三维建模时间取料流量控制煤堆防碰撞全自动作业率操作员减员数量技术实现编码器+GNSS+RFID数学模拟计算+激光修正数学模拟计算几何模型前馈+卡尔曼滤波器电流反馈PI控制激光雷达+微波开关+拉绳开关全天候实时建模+全天候自动作业全自动作业，集中控制研究目标行走2 cm俯仰回转0.053%10 s瞬时流量波动率10%平均流量波动率8%全天候防碰撞90%减员28名实际达到行走1 cm俯仰回转0.052%4 s瞬时流量波动率8%平均流量波动率6%全天候防碰撞95%减员28名应用案例国内某矿石码头国内某煤炭码头荷兰鹿特丹港澳洲纽卡斯尔港本技术三维建模方式二维激光扫描二维激光扫描三维激光扫描二维数学计算三维数学模拟计算和激光扫描结合建模精度1%1%1%5%2%建模时间/s600800120104全天候否否否是是流量控制方法皮带秤闭环控制电流闭环控制液压闭环控制液压闭环控制基于斗轮几何前馈和卡尔曼滤波电流反馈的PI闭环控制流量控制精度11%12%9%9%8%生产效率与人工持平与人工持平高于人工2%无人工比较高于人工平均5%表2与国内外同类关键技术比较经天津市科技部门鉴定，该技术成果达到国际先进水平。此外，以该项技术成果为依托实现了跨行业为广西防城港钢铁基地项目提供了设计咨询。2国家能源集团煤炭码头智慧化建设路径研究智慧港口是将物联网、云计算、传感器、决策分析等技术手段结合在一起，在港口生产中加以运算，统筹各项关键信息，从而实现人与人、人与港口、物与物之间的各环节、各资源广泛互通，逐步构建技术密集、高端化、信息化和网络化的现代物流港口12。智慧港口的核心是进行透彻感知、广泛互联以及信息深度挖掘，从而实现港口各类资源要素的无缝连接和各功能模块的协同联动，最终实现港口智能安全、便捷、绿色发展13。国外港口主要侧重对未来发展愿景、发展理念和发展模式的战略性描述，以及成套技术创新体系的建立。例如：德国汉堡港在智慧物流和智慧能源两个方面进行了战略规划，兼顾经济与生态两个方面14。我10第2期国智慧港口建设成果主要集中在集装箱码头，典型代表包括厦门远海码头、上海洋山港、天津港等。2020年，由我国自主研发制造的25台无人驾驶电动集卡在天津港进行全球首次整船作业，达到全球自动化码头领先水平15。国家能源集团智慧港口建设中，树立了对智慧化发展的科学认识，明确了智慧化不是万能的，它只是工具、只是手段，智慧化实施必须有强大的现实基础作支撑，管理的问题要通过管理提升解决16。围绕设备管控智慧化、生产管控智慧化、环境管控智慧化、安全管控智慧化等方面，国家能源集团三港结合各自区域特点，探索出各具特色的智慧港口建设之路。天津港务在不新增岸线、不增土地占用的情况下，以提能提效、服务生产为目标开展智慧港口建设。在提能提效中，研发煤炭高效直装工艺，在国内散料行业首次实现了“翻车机+取料机+装船机+堆料机一体化”无缝切换高效率作业。该工艺根据客户需求煤种，筛选与之相符到港列车，提前规划排产，实现自列车卸煤，经皮带机直接输送到达码头装船机，完成装船作业。通过对物料检测、料流跟踪的研究，迭代开发多路径在线融合技术，实现“翻车机卸车+取料机配煤”6 000 t/h的高效直装作业，有效解决了装船期间卸堆部分与取装部分系统出力不匹配的问题；迭代开发多目标在线智能切换，在装船机换舱过程中将煤炭料流智能切换至堆场堆料作业，换舱完成后智能切换至装船作业，最大限度地保证了火车调车时间与船舶移舱时间的匹配度，实现了效率最大化。据测算，每直装一列火车，可以节约作业能耗1 500 kWh，煤炭在港中转时间平均减少97.9%，增加堆存能力4 300 t，释放设备维修1.5 h。在服务生产中，开发生产管控系统。专业化煤炭码头作为以煤炭装卸为核心业务的运输服务企业，智慧经营平台的重中之重便是生产管控系统。智慧港口生产管控系统研究开发包括基于生产任务理念的柔性生产配置系统、全港人机界面集成可视化和自动化生产执行系统、基于时间模型和事件驱动的历史数据库数据输入及验证系统、智能延误统计及分析系统、基于大数据分析的人工智能辅助排产