CN111366509A - 基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法及控制系统，依次通过1)利用激光雷达获取堆场全区域消光系数，利用相同位置下测得的粉尘浓度数据与消光系数进行对标获得二者的比例关系，反推得到全区域粉尘浓度分布；2)以每个喷淋头的控制范围为一个网格单位将雷达扫描平面划分为N个网格，并计算出各网格内的平均粉尘浓度；3)设定平均粉尘浓度临界值和起尘量贡献率临界值，判断需要启动喷淋头的网格；4)重复1)～3)实现对散货堆场粉尘进行持续的精细化控制；该控制方法及其控制系统不仅提高抑尘效率，还可减少喷洒水量，实现提高环保效果效率，减轻工人劳动强度的目的，在有效除尘的同时使水资源利用率达到最大化。

Description

基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及粉尘控制方法技术领域，特别涉及一种基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法及控制系统。

背景技术

国内外在堆场粉尘控制方面开展了大量的研究工作。由彭士涛等研发的“煤炭堆场智能洒水决策系统运行方法”通过监测气象参数和煤炭含水率判定对煤炭堆场进行合理洒水。由黄震等发明的“一种基于视频技术的堆场扬尘实时检测和智能洒水降尘装置及方法”是通过视频监控装置记录堆场扬尘的实时视频数据，并结合风速风向等进行校准，最终确定起尘区域及坐标，从而控制喷洒装置实施分区域洒水降尘。候贵宾等发明的“一种堆场环保监测及洒水降尘预控系统”是通过安装在堆场边界四个角处的粉尘浓度监测装置结合风速风向仪来判断堆场起尘区域，控制洒水设备是否洒水。

但是，无论是通过煤炭含水率监测还是通过视频数据监测，都是通过间接的监测参数判断是否需要进行洒水控制，而非把粉尘浓度这一直观数据作为判断依据；而现有的通过粉尘浓度判断起尘区域的方法，由于监测设备安装在堆场边界处，无法实时反映场界内粉尘的时空分布，因此其控制达不到智能和精准的效果。因此，研发一种依据堆场全区域粉尘浓度时空分布来判定是否发布洒水控制指令的全堆场粉尘智能控制方法是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决传统技术中粉尘控制精准度不高的问题的基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法。

本发明的另一目的是提供一种实现上述基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法的控制系统。

为此，本发明技术方案如下：

一种基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法，步骤如下：

S1、利用安装高度为H处的激光雷达对堆场进行全区域进行水平扫描，以获取均布于堆场内N个点位的消光系数E＝{E₁,E₂,…,E_i,…,E_N}，同时，利用均布安装在堆场内的多台粉尘在线监测仪获取堆场内M个点位的粉尘浓度数据TSP/PM10/PM2.5的质量浓度P＝{P₁,P₂,…,P_i,…,P_M}，N＞＞M；通过用相同位置的粉尘浓度数据P_i与激光雷达在该点位的消光系数E_i进行对标，获得Pi和Ei的比例关系k，计算k与E乘积，获得高度为H的平面上粉尘浓度的全域时空分布A＝k×E＝{kE₁,kE ₂,,…,kE_i,…,kE_N}；

其中，激光雷达安装在场界内/外制高点处；粉尘在线监测仪的安装高度与激光雷达的安装高度的高度差≤10m；

在上述步骤S1中，激光雷达全场扫描后不仅能够获取全场的消光系数E，也能获取全场的粉尘浓度数据结果P_ld，但是根据经验，E的准确性为100％，但P_ld的准确性不到80％；而单独使用粉尘在线监测仪只能获得场内有限个点位的粉尘浓度P，无法获得全场的粉尘浓度分布；因此，基于同一个点位的消光系数Ei和粉尘浓度Pi具有相关性的规律，本申请采用激光雷达全场扫描后获取的全场消光系数E，再利用粉尘在线监测仪测得场内有限数量点的Pi，将该点的Pi和Ei进行对标，获得Pi和Ei的比例关系k，进而通过计算全场的消光系数E与k的乘积得到全场高准确性的P，即全场的粉尘浓度分布；

S2、在堆场内安装喷淋系统使喷淋系统内的喷淋头均布在堆场内，并按照每个喷淋头的控制范围作为一个网格单位的原则，将高度为H的平面划分为N个网格，并用1～N为每个网格编号，每个网格内的喷淋头具有与网格一致的编号；根据每个网格内若干个点位处的粉尘浓度数据(TSP、PM10或PM2.5)的质量浓度计算出各网格的平均粉尘浓度C＝{C₁,C₂,…,C_j,…,C_N}；

S3、设定平均粉尘浓度临界值P₀和起尘量贡献率临界值T₀，并依此判断每个网格的平均粉尘浓度是否达到启动相应网格内喷淋头实施喷水的阈值：

S301、当各个网格的平均粉尘浓度C_j均不超过平均粉尘浓度临界值P₀时，不启动该网格内喷淋头，并进入步骤S4；而当任一网格的平均粉尘浓度C_j超过平均粉尘浓度临界值P₀时，则进入步骤S302；

S302、根据公式：

计算各个网格起尘量贡献率T_j，并进入步骤S303；其中，在上述公式中，Q表示单个网格内的起尘量，g/s，Q＝{Q₁,Q₂,…,Q_j,…,Q_N}；每个网格内的起尘量Q _j通过以下方程组求解得到：

在方程组中，K为粉尘浓度系数，

其中，α_i为粉尘的地面反射系数，u为堆场平均风速m/s，H为激光雷达高度m，σ_y为粉尘在水平方向上的扩散系数，σ_z为粉尘在垂直方向上的扩散系数，y为平均风向轴线在水平面上两个网格中心点的垂直距离，m；在上述参数中，α_i、σ_y和σ_z均采用《环境影响评价技术导则——大气环境》(HJ/T 2.2-93)规定的计算方法获得；

S303、当各个网格的起尘量贡献率T_j均不超过起尘量贡献率临界值T₀时，不启动该网格内喷淋头，并进入步骤S4；而当任一网格的起尘量贡献率T_j超过起尘量贡献率临界值T₀时，则启动超过起尘量贡献率临界值T₀的对应网格内的喷淋头对其网格区域进行喷淋降尘；

S4、按照预设的间隔时间T，重复步骤S1～S3，实现对散货堆场粉尘进行持续的精细化控制。

优选，在步骤S1中，激光雷达安装在堆场场界内/外制高点。

优选，在步骤S1中，N≥100，M≥1

优选，在步骤S3中，P₀取值范围为0.50～1.00mg/m³，T₀取值范围为25％～100％。P₀和T₀取值不同对应不同精度，具体可以根据堆场所处地理环境和气象环境进行调整，以达到有效控尘和节水的双重目的；其中，P₀越接近1.00，控制精度越低；T₀越接近100％，控制精度越低。

优选，在步骤S302中，每次启动网格内喷淋头对网格对应区域进行喷淋降尘的时间为1～5min。

优选，在步骤S302中，当某网格起尘量贡献率T_j＞起尘量贡献率临界值T₀时，调用安装在堆场内的气象仪的实时气象采集数据；当气象仪的实时监测结果为雨/雪天气时，不启动该网格内喷淋头；当气象仪的实时气象采集数据为非雨/雪天气时，启动该网格内喷淋头对网格对应区域进行喷淋降尘。

优选，在步骤S4中，间隔时间T为5min～120min。

一种实现上述散货堆场粉尘精细化控制方法的控制系统，包括：

一台激光雷达，其安装在堆场场界内/外制高点处，以实现对堆场进行全区域监测扫描；

多台粉尘在线监测仪，其均布安装在堆场内，获取堆场全区域的粉尘浓度数据；

一台气象参数仪，其设置在堆场内且位于来流不受干扰位置处，获取堆场内包括风向、风速、温度、湿度和气压的气象参数；

一套喷淋系统，其包括均布分散于堆场内的多个喷淋头，实现堆场全区域的喷淋降尘；

和一台处理器，其采用有线或无线的传输方式分别与激光雷达、每台粉尘在线监测仪、气象参数仪和喷淋系统相连接，对激光雷达、每台粉尘在线监测仪和气象参数仪采集的数据进行接收和处理，并根据数据处理结果控制喷淋系统的各喷淋头的开启和关闭。

与现有技术相比，该基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法及其控制系统能够根据散货堆场内气象参数、粉尘浓度和地理位置信息智能判断堆场内起尘位置，自动启动相关区域喷淋设施，实现堆场粉尘污染精准控制，解决现有技术中盲目洒水抑尘、除尘效率低下、物料品质降低等问题，不仅可以提高抑尘效率，还可减少喷洒水量，实现提高环保效果和环保效率，减轻工人劳动强度的目的，在有效除尘的同时使水资源利用率达到最大化。

附图说明

图1为本发明的实现基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法的控制系统的结构示意图；

图2为本发明的实施例2的基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法的堆场网格化布局示意图；

图3为本发明的实施例3的基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法的堆场网格化布局示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

实施例1

如图1所示，该堆场粉尘精细化控制系统包括一台激光雷达、多台粉尘在线监测仪、一台气象参数仪、一套喷淋系统和一台处理器；其中，激光雷达安装在堆场场界内/外制高点处，以实现对堆场进行全区域监测扫描；多台粉尘在线监测仪均布安装在堆场内，获取堆场全区域的粉尘浓度数据；粉尘在线监测仪的数量与堆场的区域面积以及其有效监测范围相匹配；其中，粉尘在线监测仪的安装高度与激光雷达的安装高度应尽量保持一致，二者高度差≤10m；气象参数仪设置在堆场内且位于来流不受干扰位置处，获取堆场内包括风向、风速、温度、湿度和气压的气象参数；喷淋系统，其包括均布分散于堆场内的多个喷淋头，实现堆场全区域的喷淋降尘；处理器设置在堆场控制室内，其采用有线或无线的传输方式分别与激光雷达、每台粉尘在线监测仪、气象参数仪和喷淋系统相连接，对激光雷达、每台粉尘在线监测仪和气象参数仪采集的数据进行接收和处理，并根据数据处理结果控制喷淋系统的各喷淋头的开启和关闭。

实施例2

采用实施例1的堆场粉尘精细化控制系统对某港口散货堆场进行堆场粉尘精细化控制；具体地，如图2所示为在某港口散货堆场安装堆场粉尘精细化控制系统以实现散货堆场粉尘精细化控制方法的堆场网格化布局示意图。图中，符号“○”表示激光雷达，符号“□”表示粉尘在线监测仪，符号“×”表示喷淋系统的喷淋头，符号“※”表示气象参数仪。

在本实施例中，激光雷达安装在散货码头堆场的中心位置处，安装高度为30m；该激光雷达的激光波长为532nm，空间分辨率≤10m，时间分辨率优于30s，探测距离不低于4km，探测盲区≤50m，扫描周期优于40min，扫描周期为1h，精度为1°，范围为360°。粉尘在线监测仪的安装数量为5台，平均分布在堆场内，安装高度25m±5m；粉尘在线监测仪采用光散射法，监测指标为TSP，采样周期为1h。气象参数仪安装在激光雷达邻测，其采样气象参数包括风向、风速、温度、湿度和气压。喷淋系统包括12个喷淋头，均匀分布在堆场内。

采用上述堆场粉尘精细化控制系统实现基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法的具体步骤如下：

S1、利用激光雷达对堆场进行全区域进行水平扫描，获取均布于堆场内1400个点位的消光系数E＝{E₁,E₂,…,E₁₄₀₀}，同时，利用均布安装在堆场内的五台粉尘在线监测仪获取堆场内5个点位的粉尘浓度数据TSP的质量浓度P＝{P₁,P₂,P₃,P₄,P₅}，通过用相同位置的粉尘浓度数据P_i与激光雷达在该点位的消光系数E_i进行对标，获得P_i和E_i的比例关系k，利用k乘以E即可得到高度为30m的平面上粉尘浓度的全域时空分布A＝{kE₁,kE₂,…,kE₁₄₀₀}；另外，根据气象参数仪采集的本周期监测数据：风速3m/s，风向为东北风，温度20℃，湿度50％，无雨雪；

S2、按照喷淋头的控制范围作为一个网格单位的原则，将激光雷达的扫描平面划分为12个网格并用阿拉伯数字1～12对12个网格进行编号；根据每个网格内若干个点位处的粉尘浓度数据TSP的质量浓度计算出各网格的平均粉尘浓度：C₁＝0.20，C₂＝0.10，C₃＝0.30，C₄＝0.15，C₅＝0.33，C₆＝0.86，C₇＝0.42，C₈＝0.32，C₉＝0.11，C₁₀＝0.24，C₁₁＝0.26，C₁₂＝0.13；

S3、设置P₀＝0.50，T₀＝60％，由处理器通过计算判断每个网格的平均粉尘浓度是否达到启动相应网格内喷淋头实施喷水的临界值；具体地，

在12个网格的平均粉尘浓度计算结果中，C₁～C₅，以及C₇～C₁₂均小于0.50，而C₆＞0.50，因此需要进一步计算各网格的起尘量贡献率T；

根据公式：

和每个网格内的起尘量Q_j通过以下方程组：

计算出：T₁＝62％,T₂＝13％,T₃＝0％,T₄＝0％,T₅＝13％,T₆＝12％,T₇＝0％,T₈＝0％,T₉＝0％,T₁₀＝0％,T₁₁＝0％,T₁₂＝0％；

在12个网格的起尘量贡献率计算结果中，T₂～T₁₂均小于60％，仅T₁＞60％，因此处理器将洒水指令输出到喷淋系统控制泵处，由控制泵启动编号为1的网格内的喷淋头对网格对应区域进行喷淋降尘；喷淋时间设定为1min。

S4、按照设定间隔时间60min，重复上述步骤S1～S3，实现对散货堆场粉尘进行持续的精细化控制。

实施例3

采用实施例1的堆场粉尘精细化控制系统对某港口散货堆场进行堆场粉尘精细化控制；具体地，如图3所示为在某港口散货堆场安装堆场粉尘精细化控制系统以实现散货堆场粉尘精细化控制方法的堆场网格化布局示意图。图中，符号“○”表示激光雷达，符号“□”表示粉尘在线监测仪，符号“×”表示喷淋系统的喷淋头，符号“※”表示气象参数仪。

在本实施例中，激光雷达安装在散货码头堆场厂界处，安装高度为42m；该激光雷达的激光波长为532nm，空间分辨率≤7.5m，时间分辨率优于30s，探测距离不低于8km，探测盲区≤30m，扫描周期优于60min。

扫描周期为0.5h，精度为2°，范围为180°。粉尘在线监测仪的安装数量为8台，平均分布在堆场内的各敏感点，安装高度39m±3m；粉尘在线监测仪采用光散射法，监测指标为PM₁₀，采样周期为1h。气象参数仪安装在激光雷达邻测，其采样气象参数包括风向、风速、温度、湿度和气压。喷淋系统包括10个喷淋头，均匀分布在堆场内。

采用上述堆场粉尘精细化控制系统实现基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法的具体步骤如下：

S1、利用激光雷达对堆场进行全区域进行水平扫描，获取均布于堆场内600个点位的消光系数E＝{E₁,E₂,…,E_i,…,E₆₀₀}，同时，利用平均分布在堆场内的8台粉尘在线监测仪获取堆场内8个点位的粉尘浓度数据PM₁₀的质量浓度P＝{P₁，P₂，P₃，P₄，P₅，P₆，P₇，P₈}，通过用相同位置的粉尘浓度数据P_i与激光雷达在该点位的消光系数E_i进行对标，获得P_i和E_i的比例关系k，利用k乘以E即可得到高度为42m的平面上粉尘浓度的全域时空分布A＝k×E＝{kE₁,kE₂,…,kE₆₀₀}；另外，根据气象参数仪采集的本周期监测数据：风速2m/s，风向为东北风，温度10℃，湿度40％，无雨雪；

S2、按照喷淋头的控制范围作为一个网格单位的原则，将激光雷达的扫描平面划分为10个网格并用阿拉伯数字1～10对10个网格进行编号；根据每个网格内若干个点位处的粉尘浓度数据PM10的质量浓度A计算出各网格的平均粉尘浓度：C₁＝0.41，C₂＝0.37，C₃＝0.26，C₄＝0.19，C₅＝0.64，C₆＝0.66，C₇＝0.22，C₈＝0.38，C₉＝0.25，C₁₀＝0.12；

S3、设置P₀＝0.40，T₀＝25％，由处理器通过计算判断每个网格的平均粉尘浓度是否达到启动相应网格内喷淋头实施喷水的临界值；具体地，

在10个网格的平均粉尘浓度计算结果中，C₁＞0.40，C₅＞0.40，C₆＞0.40，因此需要进一步计算各网格的起尘量贡献率T；

根据公式：

和每个网格内的起尘量Q _j通过以下方程组：

计算出：T₁＝3％，T₂＝30％，T₃＝5％，T₄＝7％，T₅＝10％，T₆＝32％，T₇＝3％，T₈＝5％，T₉＝3％，T₁₀＝2％；

在10个网格的起尘量贡献率计算结果中，T₂＞25％，T₆＞25％，因此处理器将洒水指令输出到喷淋系统控制泵处，由控制泵启动编号为2的网格内喷淋头以及编号为6的网格内的喷淋头对其网格内区域进行喷淋降尘；喷淋时间设定为3min。

S4、按照设定的间隔时间30min，重复上述步骤S1～S3，实现对散货堆场粉尘进行持续的精细化控制。

Claims (8)

1.一种基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法，其特征在于，步骤如下：

S1、利用安装高度为H处的激光雷达对堆场进行全区域进行水平扫描，以获取均布于堆场内N个点位的消光系数E＝{E₁,E₂,…,E_i,…,E_N}，同时，利用均布安装在堆场内的多台粉尘在线监测仪获取堆场内M个点位的粉尘浓度数据TSP/PM10/PM2.5的质量浓度P＝{P₁,P₂,…,P_i,…,P_M}，N＞＞M；通过用相同位置的粉尘浓度数据P_i与激光雷达在该点位的消光系数E_i进行对标，获得Pi和Ei的比例关系k，计算k与E乘积，获得高度为H的平面上粉尘浓度的全域时空分布A＝k×E＝{kE₁,kE₂,,…,kE_i,…,kE_N}；

其中，激光雷达安装在场界内/外制高点处，粉尘在线监测仪的安装高度与激光雷达的安装高度的高度差≤10m；

S2、在堆场内安装喷淋系统使喷淋系统内的喷淋头均布在堆场内，并按照每个喷淋头的控制范围作为一个网格单位的原则，将高度为H的平面划分为N个网格；根据每个网格内若干个点位处的粉尘浓度数据的质量浓度计算出各网格的平均粉尘浓度C＝{C₁,C₂,…,C_j,…,C_N}；

S3、设定平均粉尘浓度临界值P₀和起尘量贡献率临界值T₀，并依此判断每个网格的平均粉尘浓度是否达到启动相应网格内喷淋头实施喷水的阈值：

S301、当各个网格的平均粉尘浓度C_j均不超过平均粉尘浓度临界值P₀时，不启动该网格内喷淋头，并进入步骤S4；而当任一网格的平均粉尘浓度C_j超过平均粉尘浓度临界值P₀时，则进入步骤S302；

S302、根据公式：

计算各个网格起尘量贡献率T_j，并进入步骤S303；其中，在上述公式中，Q表示单个网格内的起尘量，g/s，Q＝{Q₁,Q₂,…,Q_j,…,Q_N}；每个网格内的起尘量Qj通过以下方程组求解得到：

在方程组中，K为粉尘浓度系数，

其中，α_i为粉尘的地面反射系数，u为堆场平均风速m/s，H为激光雷达高度m，σ_y为粉尘在水平方向上的扩散系数，σ_z为粉尘在垂直方向上的扩散系数，y为平均风向轴线在水平面上两个网格中心点的垂直距离，m；

S303、当各个网格的起尘量贡献率T_j均不超过起尘量贡献率临界值T₀时，不启动该网格内喷淋头，并进入步骤S4；而当任一网格的起尘量贡献率T_j超过起尘量贡献率临界值T₀时，则启动超过起尘量贡献率临界值T₀的对应网格内的喷淋头对其网格区域进行喷淋降尘；

S4、按照预设的间隔时间T，重复步骤S1～S3，实现对散货堆场粉尘进行持续的精细化控制。

2.根据权利要求1所述的基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法，其特征在于，在步骤S1中，激光雷达安装在堆场场界内/外制高点。

3.根据权利要求1所述的基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法，其特征在于，在步骤S1中，N≥100，M≥1。

4.根据权利要求1所述的基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法，其特征在于，在步骤S3中，P₀取值范围为0.50～1.00mg/m³，T₀取值范围为25％～100％。

5.根据权利要求1所述的基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法，其特征在于，在步骤S302中，每次启动网格内喷淋头对网格对应区域进行喷淋降尘的时间为1～5min。

6.根据权利要求1所述的基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法，其特征在于，在步骤S302中，当某网格起尘量贡献率T_j＞起尘量贡献率临界值T₀时，调用安装在堆场内的气象仪的实时气象采集数据；当气象仪的实时监测结果为雨/雪天气时，不启动该网格内喷淋头；当气象仪的实时气象采集数据为非雨/雪天气时，启动该网格内喷淋头对网格对应区域进行喷淋降尘。

7.根据权利要求1所述的基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法，其特征在于，在步骤S4中，间隔时间T为5min～120min。

8.一种实现如权利要求1～7所述的基于全场监测的散货堆场粉尘精细化控制方法的控制系统，其特征在于，包括：

一台激光雷达，其安装在堆场场界内/外制高点处，以实现对堆场进行全区域监测扫描；

多台粉尘在线监测仪，其均布安装在堆场内，获取堆场全区域的粉尘浓度数据；

一台气象参数仪，其设置在堆场内且位于来流不受干扰位置处，获取堆场内包括风向、风速、温度、湿度和气压的气象参数；

一套喷淋系统，其包括均布分散于堆场内的多个喷淋头，实现堆场全区域的喷淋降尘；

和一台处理器，其采用有线或无线的传输方式分别与激光雷达、每台粉尘在线监测仪、气象参数仪和喷淋系统相连接，对激光雷达、每台粉尘在线监测仪和气象参数仪采集的数据进行接收和处理，并根据数据处理结果控制喷淋系统的各喷淋头的开启和关闭。

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