火電廠入爐煤智能采制化系統設計與優化改造

王永斌

（山西陽光發電有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

目前我國發電廠仍然以燃煤火力發電為主，燃煤費用約占發電成本的75%以上[1-2]，煤質的好壞直接影響火力發電機組的安全經濟運行。煤質主要依賴于煤的采制化結果，有關數據表明，在整個采制化過程中，煤質誤差約有80%來自采樣過程，約有16%來自制樣過程，其余均為化驗過程[3]。而現在許多電廠仍然采用人工或半自動化的采制化方式，需要投入大量人員去操作，數據滯后，入爐煤數據誤差大，無法反映真實的煤質參數。由此可見，燃煤的采制化過程是控制發電成本和反映真實煤耗的重要一環，而煤的采制化系統智能化建設是火電企業提高管理水平、降本增效的有效途徑[4]。

本次以山西某4×300 MW燃煤電廠為例，深入分析該廠現有入爐煤采制化過程現狀，提出一套入爐煤智能采制方案，并進行了現場改造實施。

1 現狀分析

目前，該公司入爐煤采樣采用皮帶中部刮板機械化采樣系統，往往一次采樣僅1～2 kg樣品，在皮帶低負荷運行時，常常出現煤層太薄導致不能采集到樣品的情況，采樣系統投運率低。制樣過程主要由人工手動完成，樣品由人員送至化驗室，煤樣化驗數據由人工手動填寫，送樣過程無有效監控措施，制樣、化驗環節存在不可避免的人為因素。煤的采制化各個環節較為分散，沒有一個有效的集中管控模式，相互之間協調統一性差。

此外，人工制樣環境惡劣，設施簡陋；化驗室設施陳舊，布局雜亂，存樣管理不嚴謹，不符合標準化管理要求；設備用電負荷分配不合理，存在安全隱患，高溫區與精密測量室設計不合理，存在交叉干擾因素。

因此，隨著發電企業現代化、數字化進程的加快，切實為燃煤結算、煤耗分析提供公平公正、準確的數據，避免人為因素影響，將采制化設備進行系統集成，改造為智能一體化系統，實現采制化過程智能化、標準化、無人化的目標，為公司精細化管理，成本管控工作打好扎實的基礎。

2 入爐煤智能采制化方案

火電廠入爐煤智能采制化系統方案主要由現場作業、智能設備、信息管理平臺三個層次構成。從煤樣的采樣、制樣、化驗及存查樣實現全過程數字化集中管理，盡可能降低人為因素對煤質數據的影響，保證數據的實時更新。功能架構如圖1所示。

圖1 智能采制化系統設計方案

采樣管理：通過全自動采樣機對輸煤皮帶來煤進行遠程自動采樣，并通過集樣器對樣品進行分裝編碼，確保取樣具有代表性。

制樣管理：通過智能制樣系統對采集樣品進行制樣，包括縮分、破碎、干燥、包裝及編碼等過程。

存查樣管理：存查樣管理主要是對過往煤樣的存、取、銷毀進行管理，通過信息化技術手段實現樣品一樣一柜，存取全程可追溯，保證存查樣的安全。

化驗管理：實現化驗室各個功能區設備的檢測數據在線采集、分析及自動上傳。

門禁及視頻管理：用于實現對不同權限人員進出工作區域的監控管理，同時用于煤質采制化的全過程監控。

3 改造實施方案

根據該公司實際情況，智能采制化系統采用立體化分層布置方式，如圖2所示。

以汽機房固端樓梯間為中心，上下三層布置，上層采樣器位于10號皮帶尾部，中層制樣裝置位于機房固定端22 m樓梯間，下層化驗室位于機房固定端6.3 m，所有設備的監控通過網絡來實現。具體改造方案如下：

圖2 智能采制化系統改造方案

3.1 采樣系統

3.1.1 采樣機程序改造

通過對下位機程序的升級，使得采樣機的工作能夠與制樣設備進行對接。優化采樣機的采樣頻率、縮分比例等參數，使得采樣和制樣能夠協調工作。

3.1.2 采樣機設備改造

1）將原有皮帶中部刮板取裝置換為皮帶端部取樣裝置，此裝置具有以下特點：采樣頭動作間隔時間短，自然采樣精密度高，采集的子樣能夠覆蓋皮帶全斷面及煤層厚度，系統誤差極小，所采樣品具有很好的代表性。

2）對原自動采樣機的集樣器進行重新改造，增加電動下閘門，通過不銹鋼落料管直接到達制樣系統進料口。預留旁路系統，方便系統故障時人工制樣，原人工制樣設備位置保持不變。

3）在制樣的余料返回中，加裝余料斗提裝置。通過斗提裝置，把制樣過程的余樣全部返回到皮帶，減少勞動者的勞動強度（采樣機設備改造如圖3所示）。

3.2 制樣部分

本次制樣部分采用機器人智能制樣系統，以機器人操作手臂為中心，由混勻模塊、縮分模塊、破碎模塊、二分模塊、烘干模塊、制粉模塊、稱重模塊、封裝模塊、機器人搬運系統、棄料模塊和環保除塵系統等構成，各模塊之間的物料傳輸通過機械手完成。各模塊采用密封柜體結構，機體頂部設計有接料倉，機體底部設計有出料口。

圖3 采樣系統改造

在輸煤系統#10皮帶尾部的下一層空間，即機房固定端22 m樓梯間位置放置一套智能制樣系統。該樓層面積約為99 m2，呈“L”型布置。智能制樣間功能劃分圖如圖4所示。

圖4 智能化制樣間功能劃分

各區域功能說明如下：

1）標號1區域為斗提提升裝置位置。所有余料都通過皮帶傳輸到該位置，進入斗提機，提升至輸煤#10皮帶；

2）標號2區域為智能制樣系統的除塵設備，保證現場環保潔凈；

3）標號3區域為全自動制樣設備擺放區域。制樣設備以機械手為中心依次擺放；

4）標號4為全自動制樣機進料區域。全自動制樣機樣品收集口直接連接采樣機溜料管，采樣機所采集的樣品通過溜管進入全自動制樣機進行制樣，制樣機制樣完成后，封裝標識好的樣品瓶通過管道傳輸至化驗室收樣間。

5）標號5為控制系統和人員辦公區域。

智能化制樣系統工作流程如圖5。

圖5 智能化制樣系統流程圖

具體各制樣流程如下：

1）獲取煤樣信息。制樣系統通過智能管控系統發送來的煤樣粒度信息、批次煤樣信息，判斷煤樣是否需要預先進行6 mm破碎處理、計算確定并調節縮分單元的縮分比。

2）制備6 mm共用樣。當來煤粒度＞6 mm時，機器人先將煤樣倒入6 mm破碎機破碎至6 mm，然后倒進縮分單元進行縮分制取5.5 kg共用樣（當來煤粒度≤6 mm時，煤樣直接進縮分單元）?？s分單元的縮分比在縮分工作進行前根據該批次煤樣信息確定并調整好，以滿足制備出5.5 kg（如需要2份水分樣則增加到6.75 kg）恒定重量的6 mm共用樣。棄料暫時留存等判斷該批次制得的樣品合符預定要求后再行丟棄。

3）制取水分樣。將上面制得的5.5 kg共用樣取出再次倒入縮分單元，制備1.25 kg水分樣及4.25 kg共用樣。將合格的水分樣送達樣品封裝及發送模塊進行封裝、寫碼后送出。共用樣供后續使用。

4）制備3 mm共用樣。將上步中制得的4.25 kg共用樣再次投到3 mm破碎單元，制得4.25 kg粒度3 mm共用樣。

5）制取存查樣、3 mm分析樣。將上步中制得的4.25 kg粒度3 mm共用樣再次投到縮分單元，縮分出700 g存查樣及400 g分析樣，其余丟棄。

6）3 mm分析樣烘干。將上步中制得的400 g粒度3 mm分析樣倒入干燥箱的淺盤中，攤平后烘干。

7）分析樣制取。將經干燥處理的400 g粒度3 mm的分析樣倒入縮分研磨單元，該單元首先通過二分器分得2份各200 g樣品，然后一份進入研磨機進行研磨清洗，清洗完后將清洗樣丟棄；另一份200 g粒度3 mm樣品再次倒入二分器分得2份各100 g，依次分別投放到研磨機中研磨制得2份各100 g粒度為0.2 mm的分析樣。將合格的0.2 mm分析樣送達樣品封裝及發送模塊進行封裝、寫碼后送出。

樣品封裝采用旋蓋式，系統將制樣系統制得的煤樣瓶（含6 mm全水分樣、3 mm存查樣、0.2 mm分析樣）進行加蓋封裝，煤樣信息寫入，然后傳送到輸送系統的發送站，輸到化驗室。

4.3 化驗部分

在機房固定端6.3 m樓梯間旁新建標準煤質化驗室（化驗室功能區域劃分見圖6），化驗室的環境達標，具有防火、防噪、防腐、防潮、防塵、防有害氣體侵入的功能，室溫盡可能保持恒定。選用國內先進的化驗設備，化驗設備擺放整齊規范，功能區域劃分明確。具有信息數據自動上傳和打印功能，無需人工填寫化驗數據。

圖6 新建化驗室功能區劃分

標準化化驗室設計應滿足以下要求：

所有化驗設備選型應符合煤化驗各國標標準規定要求，滿足公司煤質化驗實際需求。

化驗室共分為工業水分析室、高溫室、樣品收集室、天平室、量熱儀室和辦公區等，各房間之間采用鋁結構加玻璃隔斷墻進行隔斷。隔斷墻材料選用高強度斷橋鋁及中空玻璃建設，確保采光、隔熱效果良好。

1）化驗室吊頂采用鋁扣板集成吊頂，燈光及排氣設計根據各功能區的要求設計安裝。

2）化驗室儀器工作臺應選用承重能力較強、結構穩定且具備防火、防水、耐腐蝕等功能。

3）工業水分析室配備生水、除鹽水上水及下水管路，管路布置合理美觀，且考慮防凍處理。

4）天平室、量熱儀室安裝冷暖空調，并設計通風裝置及遮陽簾，確保室內溫、濕度恒定。

5）高溫室布置應考慮房間隔熱功能（隔斷墻、玻璃選型加厚），并設計有強制通風及排煙、氣裝置。

6）所有化驗室均安裝統一軌道式插座（安裝高度在工作臺上方600～800 mm處），每臺設備使用單獨對應插座并設計單獨漏電保護開關，插座額定負荷符合設備用電要求。

7）所有化驗室外墻窗戶均更換為密封、隔熱較好的窗戶（斷橋鋁門窗）。

8）化驗室用瓶裝氧集中安放，加裝匯流排及恒壓調節裝置，預留2個以上氧彈充氧接口。

9）化驗室所有自動測量設備均具備聯網功能，能生成數據報表（與公司信息管理系統兼容），實現數據信息化管理，并能夠與化驗室辦公電腦實現數據聯網。

3.4 存查樣管理

在化驗室配備存查樣柜，采用一樣一柜的方式進行樣品存放。對6 mm全水分煤樣及3 mm備查煤樣、0.2 mm煤樣的管理。系統定制表格通過值班員定期輸入，記錄各類煤樣的交接、存樣、銷毀等情況，形成規范性記錄表格。

1）6 mm全水分煤樣保管七天。3 mm存查樣保管三個月。0.2 mm存查樣保管三個月。達到保存期限但尚未結帳的延長保存時間，直至結帳為止。

2）提取任何粒度的煤樣都必須經主管領導批準后，經門禁系統確認方能提取煤樣。

3）存查樣柜包含80個倉位，滿足標準的存樣要求。

3.5 監控系統及門禁

1）視頻監控系統：在全自動制樣區域、化驗室分別加裝視頻監控系統。所有視頻信號全部接入視頻服務器中。視頻存儲時間為三個月。能將視頻接入廠內系統，通過系統，各有權限領導可以在辦公桌面實時調取、錄像各點位的視頻。

2）門禁控制系統：在制樣和化驗的各個進門處設有門禁管理系統，員工出入各個辦公點，都需要進行指紋驗證或者刷卡驗證。沒有權限的人員無法進入作業范圍。

3）各個區域設計兩道門，其中一套設立門禁系統，門禁鎖選用指紋、密碼、磁卡、鑰匙4合一鎖，并安裝門鈴呼叫裝置。

4 結語

通過此次對某電廠入爐煤采制化系統的優化改造，采用上下立體式分層布置形式，通過同統一的調度指揮，確保功能設備的協調配合，實現公司入爐煤智能化的采制化要求，減輕了員工勞動強度，提高了入爐煤質數據準確性，降低了人為因素對采制化過程的影響，為公司運行成本的精細核算提供了扎實有效的數據支撐。本公司的改造方案可為同類型機組入爐煤采制化設計提供借鑒。

[1]張開峰，李躍，杜志剛.坑口型資源綜合利用電廠個性燃料采制化體系建設的創新與實施[C]//2017中國科協年會論文集，2017.

[2]張小霓，謝星.入爐煤機械采制樣裝置性能檢驗[J].熱力發電，2010，39（1）：42-45.

[3]王彩霞.淺談燃料采制化對電廠熱值差的影響[J].山東工業技術，2014（22）：68-69.

[4]周寧.國華電力入廠煤“采制化”管理[J].煤質技術，2007（1）：13-15.