ASM 550智能制樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

蘭勇波， 李 波， 馮 奎， 閔 雄

(1.重慶恒泰發(fā)電有限公司，重慶 400000；2.國電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210000;3.遠(yuǎn)光共創(chuàng)智能科技股份有限公司，廣東 珠海 519000)

1 背景概述

燃料占據(jù)火力電廠70%以上的運(yùn)營成本，因而加強(qiáng)燃料精細(xì)化科學(xué)管理是火力發(fā)電企業(yè)挖潛增效的重要手段之一。結(jié)合目前智能制樣系統(tǒng)研發(fā)及使用現(xiàn)狀[1-10]，重慶恒泰發(fā)電有限公司(以下簡稱恒泰公司)燃料智能化管理項(xiàng)目的定位主要管理目標(biāo)之一即對樣品的全流程、全生命周期進(jìn)行數(shù)字化的信息管理。該項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)計(jì)量、采樣、制樣、存樣、取樣、化驗(yàn)等工作流程全程無人值守、無縫銜接、即時監(jiān)控，改變以人為主導(dǎo)、設(shè)備分散、信息孤立的傳統(tǒng)燃料管理弊端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)入廠計(jì)量過程自動化、采制過程自動化、化驗(yàn)管理網(wǎng)絡(luò)化、燃料管理全過程信息化四大目標(biāo)。自該系統(tǒng)投運(yùn)以來，在企業(yè)降本增效等方面成效顯著。

煤樣的制備是樣品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其為管理的重點(diǎn)之一，且要求其制樣過程必須符合GB 474—2008《煤樣的制備方法》、GB/T 19494.2—2004《煤炭機(jī)械化采樣 第2部分:煤樣的制備》等相關(guān)規(guī)定。恒泰公司的來煤情況復(fù)雜，煤種數(shù)量多，水分大及黏性均大。來煤主要有南桐水洗煤、松澡貧瘦煤和陜西煤，目前面臨兩大問題困擾:①易堵煤。在以往的制樣過程中極易發(fā)生堵煤情況，特別以南桐高灰煤為尤，且在人工研磨制樣時易發(fā)生黏缽現(xiàn)象，常見黏于制粉機(jī)的研磨塊，用毛刷都不能完全清除干凈，須使用刀片用力刮試才能將其去除干凈。黏煤易造成全自動制樣機(jī)的較大偏倚。②留樣量大。通常入廠入爐采樣機(jī)的留樣量在保證代表性的前提下根據(jù)來料量調(diào)整，以滿足制樣機(jī)來料量不大于100 kg的要求。但恒泰公司為充分確保采樣的代表性，留樣量一般都在100 kg以上；最大留樣量可達(dá)300 kg，此來料量已遠(yuǎn)超自動制樣機(jī)的最大處理量，無法直接處理。

2 系統(tǒng)主要需求分析

(1)來樣量及煤流通道需求。針對恒泰公司來煤的黏煤易堵、采樣留樣量大等特點(diǎn)，在采制樣連接時需設(shè)計(jì)前置初級縮分并能自動在線調(diào)節(jié)縮分比，完成100 kg～300 kg的大質(zhì)量縮分以符合制樣機(jī)的來料要求。其他棄樣則手動切換選擇自動回傳至輸煤膠帶或人工在需要時收集。另外，如此大的煤樣量對縮分器及前后裝置的煤流通道需求較高，前后吞吐量不匹配則會造成堵煤現(xiàn)象。

(2)全水偏倚需求。據(jù)測算，輸送全水分30%左右的褐煤煤樣，每延長1 m水分損失約為0.03%。所以為避免水分的損失，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全水取樣點(diǎn)應(yīng)盡量前置以減少煤流的轉(zhuǎn)運(yùn)距離及次數(shù)。該系統(tǒng)來煤粒度為13 mm，需制備6 mm的全水樣1.25 kg；全水取樣的最佳位置在煤樣6 mm破碎完成后即取樣，最大限度減少水分損失的風(fēng)險。

(3)破碎過篩率需求。根據(jù)國標(biāo)要求，破碎機(jī)轉(zhuǎn)速≤950 r/min。破碎機(jī)應(yīng)有自動清掃防堵能力，防止煤樣交叉污染。一級破碎機(jī)出料粒度≤6 mm，采用方孔篩進(jìn)行篩分試驗(yàn)，要求過篩率≥95%。二級破碎機(jī)能保證破碎機(jī)出料粒度≤3 mm，采用3 mm圓孔篩進(jìn)行篩分試驗(yàn)，要求過篩率100%。

(4)縮分量調(diào)節(jié)需求。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定質(zhì)量縮分，制備的煤樣應(yīng)滿足:6mm共用煤樣≥7.5 kg，或6 mm全水分煤樣≥1.25 kg，3 mm存查煤樣≥700 g，0.2 mm分析煤樣≥60 g。煤樣質(zhì)量變化不得超過規(guī)定質(zhì)量的10%。

(5)烘干效率需求。煤樣須在采取全水樣后干燥，褐煤烘干溫度不超過40 ℃。干燥單元采用多點(diǎn)測溫，溫度傳感器不低于3組，干燥溫度控制可實(shí)現(xiàn)50 ℃以下可調(diào)，控溫精度在0.5 ℃。

(6)研磨樣清洗需求。研磨缽具有沖洗流程，烘干后的3 mm煤樣二分出2個樣；其中1份作為清洗樣，進(jìn)入研磨裝置研磨后棄掉；另1份做為留樣，研磨后進(jìn)行收集。

(7)6 mm緩存樣及棄樣需求。為防止在制樣過程中發(fā)生異常情況而導(dǎo)致制樣失敗，縮分環(huán)節(jié)需有主煤樣和緩存樣互備設(shè)計(jì)，確保任何環(huán)節(jié)制樣失敗后的樣品重制功能。棄樣自動回傳至采樣的棄樣提升斗，同時保留人工收集口；需要人工收集棄樣時，手動切換。

(8)成品樣封裝。煤樣封裝使用《中國國電集團(tuán)公司全自動制樣機(jī)制備煤樣封裝、標(biāo)識、傳輸及存儲技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》所規(guī)定的煤樣瓶。在整個工藝流程中，煤樣一瓶一標(biāo)識，不出現(xiàn)重復(fù)隨機(jī)碼。煤樣寫碼后應(yīng)有驗(yàn)碼措施，確保正確讀取。能自動識別無效的電子芯片并自動剔出，保證電子芯片的有效性。

3 工藝路線設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)主要需求分析，ASM 550制樣系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)由A區(qū)(入料區(qū))、B區(qū)(制樣區(qū))及C區(qū)(封裝區(qū))組成。A區(qū)(入料區(qū))的主要結(jié)構(gòu)包括:1.人工上料膠帶線；2.100 mm～6 mm破碎機(jī)；3.6 mm整流膠帶機(jī)；4.集成斗提機(jī)；5.100 kg稱重料斗；6.全水樣縮分膠帶機(jī)，主要用于人工及采樣機(jī)來煤對接。接駁的20 kg～100 kg來煤樣全部進(jìn)入100 mm～6 mm破碎機(jī)破碎至6 mm后經(jīng)6 mm整流膠帶機(jī)和集成斗提機(jī)輸送至100 kg稱重料斗；稱重后即進(jìn)入全水縮分膠帶機(jī)完成全水樣的收集。其他剩余煤樣全部進(jìn)入下一工作區(qū)。B區(qū)(制樣區(qū))的主要結(jié)構(gòu)包括:7.Z型提升機(jī)；8.定質(zhì)量縮分系統(tǒng)；9.存查樣破碎系統(tǒng)；10.負(fù)壓烘干系統(tǒng)；11.分析樣制備系統(tǒng)。A區(qū)完成的煤樣經(jīng)Z型提升機(jī)進(jìn)入定質(zhì)量縮分系統(tǒng)，完成7.5 kg定質(zhì)量縮分。1份3.75 kg作為緩存樣，1份3.75 kg進(jìn)入存查樣破碎系統(tǒng)完成3 mm破碎。存查樣取完后進(jìn)入400 g烘干樣縮分,其他作為棄樣處理。400 g烘干樣經(jīng)提升機(jī)進(jìn)入負(fù)壓烘干系統(tǒng)，一定時間后得到約350 g烘干的煤樣進(jìn)入分析樣制備系統(tǒng)。1份175 g暫存，另1份175 g二分后進(jìn)入研磨缽作為清洗樣完成制粉后直接棄樣處理，暫存的175 g二分研磨后作為留樣收集。C區(qū)(封裝區(qū))主要結(jié)構(gòu)包括:12.理瓶機(jī)；13.樣瓶輸送線；14.封蓋機(jī)，主要完成成品樣的給瓶、輸送及封蓋工作。采制樣工藝布局圖、連接布局分別如圖1、圖2所示。

4 系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)

該智能制樣系統(tǒng)的性能試驗(yàn)按照GB/T 19494.3—2004《煤炭機(jī)械化采樣 第3部分:精密度測定與偏倚試驗(yàn)》完成，其中精密度核驗(yàn)試驗(yàn)用煤的標(biāo)稱最大粒度約13 mm，干燥基灰分約 35.00%；灰分偏倚試驗(yàn)用煤的標(biāo)稱最大粒度約 50 mm，干燥基灰分約 15.00%；全水分偏倚試驗(yàn)用煤的標(biāo)稱最大粒度約 13 mm，全水分約 10.0%。全水分偏倚和精密度偏倚實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表1～表2，灰分偏倚實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表3～表5。

圖1 采制樣工藝布局圖

圖2 采制樣連接布局圖

表1 全水分偏倚試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

表2 留樣1、留樣2的精密度核驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

樣品序號樣品系列號留樣3AdL3/%留樣5AdL5/%d=AdL3-AdL5/%d 21A-0133.8033.620.180.032 42A-0233.5933.72-0.130.016 93A-0333.9433.810.130.016 94A-0432.7733.08-0.310.096 15A-0532.8532.88-0.030.000 96A-0633.2532.320.930.864 97A-0733.0333.26-0.230.052 98A-0832.0032.39-0.390.152 19A-0932.6833.10-0.420.176 410A-1033.0433.21-0.170.028 9留樣111A-1132.3532.80-0.450.202 512A-1232.1632.44-0.280.078 413A-1333.0933.25-0.160.025 614A-1433.3033.110.190.036 115A-1533.1232.810.310.096 116A-1631.9331.810.120.014 417A-1732.2232.200.020.000 418A-1832.4932.440.050.002 519A-1931.9531.720.230.052 920A-2032.0232.27-0.250.062 5∑d21=1.438 4∑d22=0.571 41A-0133.9833.920.060.003 62A-0233.6433.89-0.250.062 5留樣23A-0334.3634.52-0.160.025 64A-0434.0833.350.730.532 95A-0533.5833.180.400.160 0

(續(xù)表)

表3 “留樣1”灰分偏倚試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

序號樣品系列號留樣1AdL1/%參比樣AdC/%d=AdL1-AdC/%d 21A-0116.0815.800.280.078 42A-0215.3215.54-0.220.048 43A-0315.2915.180.110.012 14A-0415.2515.92-0.670.448 95A-0515.9115.700.210.044 16A-0614.6915.31-0.620.384 47A-0715.3715.080.290.084 18A-0815.1215.33-0.210.044 19A-0915.5614.700.860.739 610A-1015.3315.260.070.004 911A-1114.2915.08-0.790.624 112A-1215.5715.480.090.008 113A-1316.4816.63-0.150.022 514A-1416.5416.300.240.057 615A-1515.8715.790.080.006 416A-1616.9616.400.560.313 617A-1716.0515.470.580.336 418A-1816.2616.47-0.210.044 119A-1916.5716.110.460.211 620A-2015.3315.64-0.310.096 121A-2114.8315.23-0.400.160 022A-2214.5715.28-0.710.504 123A-2315.8415.800.040.001 624A-2415.0615.51-0.450.202 525A-2515.3414.880.460.211 6d=-0.016 4sd=0.441 7∑d2=4.689 3

表4 “留樣2”灰分偏倚試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

序號樣品系列號留樣2AdL2/%參比樣AdC/%d=AdL2-AdC/%d 21A-0116.2315.800.430.184 92A-0215.6915.540.150.022 53A-0315.1915.180.010.000 14A-0416.1115.920.190.036 15A-0515.7215.700.020.000 46A-0615.3815.310.070.004 97A-0715.1615.080.080.006 48A-0815.3215.33-0.010.000 19A-0914.8714.700.170.028 910A-1015.3515.260.090.008 1??????17A-1715.5815.470.110.012 118A-1816.7216.470.250.062 519A-1916.3116.110.200.040 020A-2015.7315.640.090.008 121A-2115.3415.230.110.012 122A-2215.3315.280.050.002 523A-2316.0915.800.290.084 124A-2415.6815.510.170.028 925A-2515.1214.880.240.057 6d=0.118 8sd=0.118 9∑d2=0.692 1

表5 “存查樣”灰分偏倚試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

序號樣品系列號存查樣BAdB/%參比樣CAdC/%d=AdB-AdC/%d21A-0116.0315.800.230.052 92A-0215.4015.54-0.140.019 63A-0315.2815.180.100.010 04A-0415.5615.92-0.360.129 65A-0515.7315.700.030.000 96A-0615.1715.31-0.140.019 67A-0715.3915.080.310.096 18A-0815.5215.330.190.036 19A-0914.9714.700.270.072 910A-1015.5615.260.300.090 011A-1114.9615.08-0.120.014 412A-1215.5115.480.030.000 913A-1316.6516.630.020.000 414A-1416.2716.30-0.030.000 915A-1515.6715.79-0.120.014 416A-1616.2616.40-0.140.019 617A-1715.5015.470.030.000 918A-1816.3716.47-0.100.010 019A-1916.1416.110.030.000 920A-2015.9715.640.330.108 921A-2115.2915.230.060.003 622A-2215.4415.280.160.025 623A-2316.1315.800.330.108 924A-2415.5215.510.010.000 125A-2514.8514.88-0.030.000 9d=0.050 0sd=0.179 8∑d2=0.838 1

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述恒泰公司使用的煤炭全自動制樣系統(tǒng)經(jīng)性能試驗(yàn)及其數(shù)據(jù)分析可得出如下結(jié)論:

(1)制樣和化驗(yàn)精密度。對于該試驗(yàn)煤種， 全自動制樣系統(tǒng)留樣 1 和留樣 2 的制樣和化驗(yàn)精密度均符合要求。

(2)灰分偏倚。當(dāng)以留樣1作為系統(tǒng)留樣時，相對于Ad最大允許偏倚B =0.40%， 該全自動制樣系統(tǒng)不存在灰分實(shí)質(zhì)性偏倚；對于該試驗(yàn)煤種，全自動制樣系統(tǒng)存在的最大灰分偏倚在 95%概率下為 0.33%；留樣與參比樣干基灰分的差值平均值(d)為-0.016 4%,該全自動制樣系統(tǒng)可接受為無灰分偏倚。

當(dāng)以留樣2作為系統(tǒng)留樣時，相對于Ad最大允許偏倚B=0.40%， 該全自動制樣系統(tǒng)不存在灰分實(shí)質(zhì)性偏倚；對于該試驗(yàn)煤種，全自動制樣系統(tǒng)存在的最大灰分偏倚在 95%概率下為 0.16%；留樣與參比樣干基灰分的差值平均值(d)為 0.118 8%， 該全自動制樣系統(tǒng)存在小于B的灰分偏倚。

存查樣相對于Ad最大允許偏倚B =0.40%， 該全自動制樣系統(tǒng)存查樣不存在灰分實(shí)質(zhì)性偏倚；對于該試驗(yàn)煤種，全自動制樣系統(tǒng)存查樣存在的最大灰分偏倚在 95%的概率下為 0.14%；存查樣與參比樣干基灰分的差值平均值(d)為 0.050 0%，該全自動制樣系統(tǒng)存查樣可接受為無灰分偏倚。

(3)全水分偏倚。相對于Mt最大允許偏倚B=0.40%， 該全自動制樣系統(tǒng)不存在全水分實(shí)質(zhì)性偏倚；對于該試驗(yàn)煤種，全自動制樣系統(tǒng)存在的最大全水分偏倚在 95%概率下為 0.33%；機(jī)制樣與參比樣全水分的差值平均值(d)為-0.284 0%，該全自動制樣系統(tǒng)存在小于B的全水分偏倚。

6 應(yīng)用總結(jié)

經(jīng)過數(shù)月的投運(yùn)使用，系統(tǒng)基本達(dá)到項(xiàng)目預(yù)期的安裝簡單、不堵煤、穩(wěn)定運(yùn)行、制樣效率高效快捷的目標(biāo)要求。該系統(tǒng)采用全新研發(fā)設(shè)計(jì)的全腔破碎機(jī)、活目研磨、無級縮分等多項(xiàng)專利技術(shù)，有效地解決了行業(yè)面臨的破碎殘留、過篩率超標(biāo)、縮分不準(zhǔn)等傳統(tǒng)問題，不僅結(jié)構(gòu)簡潔流暢、占地面積小、外觀整齊大方且樣品處理適應(yīng)性強(qiáng)。系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)點(diǎn):①全腔破碎。打破傳統(tǒng)進(jìn)料方式，設(shè)計(jì)在軸端進(jìn)料，可使煤料進(jìn)行360度全圓周、全腔無死角、無殘留地破碎，密閉性更好，水分損失更小。全活目自清式出料篩提供出料粒度的可靠保證。②無級縮分采用獨(dú)特的全煤流切割采樣設(shè)計(jì)，具備多段在線自動調(diào)節(jié)能力，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定量縮分，并能適應(yīng)大煤量處理。③低溫變頻負(fù)壓烘干高效快捷，并設(shè)置有除濕機(jī)加快烘干效率，干燥熱氣流環(huán)繞煤樣，及時有效帶走煤樣產(chǎn)生的濕氣，達(dá)到快速烘干的目的。④特殊設(shè)計(jì)的雙縫活目篩環(huán)，確保研磨合格的煤樣及時出粉，既保證過篩率又同時防止過度研磨?；顒拥暮Y環(huán)依靠研磨時的振動實(shí)現(xiàn)自身的振動，達(dá)到自清潔功能，使研磨體內(nèi)無殘留。

整個制樣系統(tǒng)在安裝實(shí)施及調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)一些不足之處，如立式柜體過高從而超過常規(guī)物流車運(yùn)輸高度，需放平運(yùn)輸，因而給裝卸作業(yè)帶來了一定困難。同時，內(nèi)部密封設(shè)計(jì)需進(jìn)一步優(yōu)化以改善隨著使用的時間加長所導(dǎo)致的煤粉跑、冒、撒、漏現(xiàn)象。目前自動來料對接方式不夠靈活，造成來煤輸送膠帶機(jī)過長，可能造成水分丟失的風(fēng)險。輸送膠帶機(jī)的清潔處理不夠方便、系統(tǒng)內(nèi)部除塵點(diǎn)設(shè)置及相關(guān)工藝問題均需后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化解決。