ASM 550智能制樣系統的設計及應用

蘭勇波， 李 波， 馮 奎， 閔 雄

(1.重慶恒泰發電有限公司，重慶 400000；2.國電科學技術研究院有限公司，江蘇 南京 210000;3.遠光共創智能科技股份有限公司，廣東 珠海 519000)

1 背景概述

燃料占據火力電廠70%以上的運營成本，因而加強燃料精細化科學管理是火力發電企業挖潛增效的重要手段之一。結合目前智能制樣系統研發及使用現狀[1-10]，重慶恒泰發電有限公司(以下簡稱恒泰公司)燃料智能化管理項目的定位主要管理目標之一即對樣品的全流程、全生命周期進行數字化的信息管理。該項目可實現計量、采樣、制樣、存樣、取樣、化驗等工作流程全程無人值守、無縫銜接、即時監控，改變以人為主導、設備分散、信息孤立的傳統燃料管理弊端，進而實現入廠計量過程自動化、采制過程自動化、化驗管理網絡化、燃料管理全過程信息化四大目標。自該系統投運以來，在企業降本增效等方面成效顯著。

煤樣的制備是樣品的生產環節，其為管理的重點之一，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《煤炭機械化采樣 第2部分:煤樣的制備》等相關規定。恒泰公司的來煤情況復雜，煤種數量多，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生黏缽現象，常見黏于制粉機的研磨塊，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的較大偏倚。②留樣量大。通常入廠入爐采樣機的留樣量在保證代表性的前提下根據來料量調整，以滿足制樣機來料量不大于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300 kg，此來料量已遠超自動制樣機的最大處理量，無法直接處理。

2 系統主要需求分析

(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，在采制樣連接時需設計前置初級縮分并能自動在線調節縮分比，完成100 kg～300 kg的大質量縮分以符合制樣機的來料要求。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象。

(2)全水偏倚需求。據測算，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，系統設計的全水取樣點應盡量前置以減少煤流的轉運距離及次數。該系統來煤粒度為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險。

(3)破碎過篩率需求。根據國標要求，破碎機轉速≤950 r/min。破碎機應有自動清掃防堵能力，防止煤樣交叉污染。一級破碎機出料粒度≤6 mm，采用方孔篩進行篩分試驗，要求過篩率≥95%。二級破碎機能保證破碎機出料粒度≤3 mm，采用3 mm圓孔篩進行篩分試驗，要求過篩率100%。

(4)縮分量調節需求。系統實現定質量縮分，制備的煤樣應滿足: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。煤樣質量變化不得超過規定質量的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 ℃。干燥單元采用多點測溫，溫度傳感器不低于3組，干燥溫度控制可實現50 ℃以下可調，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，進入研磨裝置研磨后棄掉；另1份做為留樣，研磨后進行收集。

(7)6 mm緩存樣及棄樣需求。為防止在制樣過程中發生異常情況而導致制樣失敗，縮分環節需有主煤樣和緩存樣互備設計，確保任何環節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《中國國電集團公司全自動制樣機制備煤樣封裝、標識、傳輸及存儲技術標準》所規定的煤樣瓶。在整個工藝流程中，煤樣一瓶一標識，不出現重復隨機碼。煤樣寫碼后應有驗碼措施，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 工藝路線設計

根據系統主要需求分析，ASM 550制樣系統主要設計由A區(入料區)、B區(制樣區)及C區(封裝區)組成。A區(入料區)的主要結構包括:1.人工上料膠帶線；2.100 mm～6 mm破碎機；3.6 mm整流膠帶機；4.集成斗提機；5.100 kg稱重料斗；6.全水樣縮分膠帶機，主要用于人工及采樣機來煤對接。接駁的20 kg～100 kg來煤樣全部進入100 mm～6 mm破碎機破碎至6 mm后經6 mm整流膠帶機和集成斗提機輸送至100 kg稱重料斗；稱重后即進入全水縮分膠帶機完成全水樣的收集。其他剩余煤樣全部進入下一工作區。B區(制樣區)的主要結構包括:7.Z型提升機；8.定質量縮分系統；9.存查樣破碎系統；10.負壓烘干系統；11.分析樣制備系統。A區完成的煤樣經Z型提升機進入定質量縮分系統，完成7.5 kg定質量縮分。1份3.75 kg作為緩存樣，1份3.75 kg進入存查樣破碎系統完成3 mm破碎。存查樣取完后進入400 g烘干樣縮分,其他作為棄樣處理。400 g烘干樣經提升機進入負壓烘干系統，一定時間后得到約350 g烘干的煤樣進入分析樣制備系統。1份175 g暫存，另1份175 g二分后進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(封裝區)主要結構包括:12.理瓶機；13.樣瓶輸送線；14.封蓋機，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 系統性能實驗

該智能制樣系統的性能試驗按照GB/T 19494.3—2004《煤炭機械化采樣 第3部分:精密度測定與偏倚試驗》完成，其中精密度核驗試驗用煤的標稱最大粒度約13 mm，干燥基灰分約 35.00%；灰分偏倚試驗用煤的標稱最大粒度約 50 mm，干燥基灰分約 15.00%；全水分偏倚試驗用煤的標稱最大粒度約 13 mm，全水分約 10.0%。全水分偏倚和精密度偏倚實驗數據詳見表1～表2，灰分偏倚實驗數據詳見表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 全水分偏倚試驗數據及處理

表2 留樣1、留樣2的精密度核驗數據及處理

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

(續表)

表3 “留樣1”灰分偏倚試驗數據及處理

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”灰分偏倚試驗數據及處理

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”灰分偏倚試驗數據及處理

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 實驗結論

根據上述恒泰公司使用的煤炭全自動制樣系統經性能試驗及其數據分析可得出如下結論:

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

(2)灰分偏倚。當以留樣1作為系統留樣時，相對于Ad最大允許偏倚B =0.40%， 該全自動制樣系統不存在灰分實質性偏倚；對于該試驗煤種，全自動制樣系統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%,該全自動制樣系統可接受為無灰分偏倚。

當以留樣2作為系統留樣時，相對于Ad最大允許偏倚B=0.40%， 該全自動制樣系統不存在灰分實質性偏倚；對于該試驗煤種，全自動制樣系統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%， 該全自動制樣系統存查樣不存在灰分實質性偏倚；對于該試驗煤種，全自動制樣系統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%， 該全自動制樣系統不存在全水分實質性偏倚；對于該試驗煤種，全自動制樣系統存在的最大全水分偏倚在 95%概率下為 0.33%；機制樣與參比樣全水分的差值平均值(d)為-0.284 0%，該全自動制樣系統存在小于B的全水分偏倚。

6 應用總結

經過數月的投運使用，系統基本達到項目預期的安裝簡單、不堵煤、穩定運行、制樣效率高效快捷的目標要求。該系統采用全新研發設計的全腔破碎機、活目研磨、無級縮分等多項專利技術，有效地解決了行業面臨的破碎殘留、過篩率超標、縮分不準等傳統問題，不僅結構簡潔流暢、占地面積小、外觀整齊大方且樣品處理適應性強。系統主要具有以下優點:①全腔破碎。打破傳統進料方式，設計在軸端進料，可使煤料進行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無級縮分采用獨特的全煤流切割采樣設計，具備多段在線自動調節能力，實現精準定量縮分，并能適應大煤量處理。③低溫變頻負壓烘干高效快捷，并設置有除濕機加快烘干效率，干燥熱氣流環繞煤樣，及時有效帶走煤樣產生的濕氣，達到快速烘干的目的。④特殊設計的雙縫活目篩環，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環依靠研磨時的振動實現自身的振動，達到自清潔功能，使研磨體內無殘留。

整個制樣系統在安裝實施及調試過程中發現一些不足之處，如立式柜體過高從而超過常規物流車運輸高度，需放平運輸，因而給裝卸作業帶來了一定困難。同時，內部密封設計需進一步優化以改善隨著使用的時間加長所導致的煤粉跑、冒、撒、漏現象。目前自動來料對接方式不夠靈活，造成來煤輸送膠帶機過長，可能造成水分丟失的風險。輸送膠帶機的清潔處理不夠方便、系統內部除塵點設置及相關工藝問題均需后續進一步優化解決。