原料煤與煤矸石自動實時配料系統的設計與應用

王 斌 黃治兵 王 沖 王永剛

（內蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責任公司）

在煤化工行業中， 保證氣化爐穩定運行是整個系統的關鍵。 原料煤是氣化爐制造合成氣的主要原料， 其特性的優劣直接影響氣化爐的穩定運行。 若使用的是灰分低、灰熔點低、氣化反應活性低的原料煤， 則無法對氣化爐運行工況條件實現精準控制， 從而影響裝置穩定運行。 如果要改變原料煤的特性， 則可以在原料煤皮帶上增加一套自動實時配料系統， 按照設定配比控制煤矸石的下料， 達到原料煤和煤矸石的自動、聯鎖、精準、穩定配比，實現生產過程的自動化和智能化， 從而滿足企業穩定生產的要求。

1 自動實時配料系統的總體設計

1.1 工藝原理

以一套皮帶秤組成的自動實時配料系統為例，其結構示意圖如圖1 所示，主要由煤矸石配料秤、高精度電子皮帶秤和自動調整配比軟件組成。 在原料煤皮帶秤上增加8 個高精度稱重傳感器，采用數字傳輸技術將原料煤的實時數據傳送至集控室內的自動調整配比軟件上，該軟件以原料煤瞬時數量為基數，計算、控制煤矸石下料，從而實現原料煤和煤矸石的自動實時聯鎖配料。 在原料煤皮帶上， 選擇一個煤矸石添加的最佳點，增加一套煤矸石皮帶秤聯鎖下料系統，為氣化爐穩定運行提供原料保障。

圖1 自動實時配料系統結構示意圖

1.2 主要功能

自動實時配料系統的主要功能包括：

a. 可以實現就地啟動和遠程電腦啟動功能；

b. 可以在集控室自動調整配比軟件上查看原料煤和煤矸石的實時計量數據與配料實時曲線圖；

c. 可以在集控室自動調整配比軟件上手動調整原料煤與煤矸石的配比比例，實現原料煤與煤矸石的實時流量自動調節；

d. 小矸石倉可實現缺料時的自動報警和自動補料。

2 硬件部分

2.1 煤矸石配料秤

2.1.1 結構

煤矸石配料秤為連續式配料系統，適用于動態連續多料種配比工藝條件。 煤矸石配料秤（圖2）主要由上位機、配料皮帶機、秤架、稱重傳感器、 測速傳感器及LC200 稱重顯示控制器等構成。

圖2 煤矸石配料秤結構示意圖

2.1.2 性能參數

煤矸石配料秤的性能參數如下：

計量精度 ±0.5%

配料精度 ±1%

皮帶寬度 650mm

流量范圍 3～30t/h

電機功率 1.5kW

儀表給變頻器調整電流信號 4～20mA

儀表與秤架之間的距離（電纜長） 20m

2.1.3 主要功能

煤矸石配料秤的主要功能包括：

a. 手動配料和自動配料功能。手動配料是將自動/手動配料開關打到手動配料，通過調整控制柜上的電位器控制變頻器的輸出頻率，達到控制給煤機給煤量的目的；自動配料是將自動/手動配料開關打到自動配料，在稱重給煤機控制儀表上輸入所需要的配煤量。 稱重給煤機控制儀表按照實際流量和需要的配煤量進行處理，經過PID 調節后將調節信號送至變頻器，達到控制給煤機給煤量的目的。

b. 斷料停機功能。 由于某種原因（結料、卡料）導致皮帶秤出現斷料（流量為零）的情況后，系統將立即發出斷料報警， 同時配料秤停機，以避免出現長時間配料失調的現象。

c. 斷料后敲打倉壁，自動恢復給料功能。 料倉壁上安裝有振動器， 當某臺秤出現斷料情況后，儀表發出倉壁敲打信號，振動器啟動，自動恢復給料，節省了大量的人力。

2.1.4 關鍵備件

秤架（圖3）主要由皮帶拉緊裝置、腰鼓形尾輪、支架、機架、稱量通道（一）、稱量通道（二）、測速傳感器、裙邊（或普通皮帶）和主動滾筒組成。皮帶秤秤架、秤體選用C 形梁結構，具有剛性高、積塵面積小、線性高及回零好等優點。 采用主動滾筒，確保輸送帶無打滑現象；采用腰鼓形尾輪，減少皮帶跑偏現象； 采用合理的皮帶拉緊裝置，保證皮帶具有恒定的張力。

圖3 配料秤秤架結構示意圖

LC200 稱重顯示控制器具有：圖形化人機界面；320×240 高分辨率的LCD； 全中文人機界面，顯示直觀，操作方便，可切換選擇多種語種；數字化傳感方式；多計量工作模式；完善的通信接口；合理的外觀結構；齊全的校準功能；運行操作記錄；歷史產量查詢功能。

稱重傳感器采用CZL-6F 單點式稱重傳感器。 激勵電壓10～12V（DC）；靈敏度2.0mV/V±0.002mV/V；綜合誤差±0.02%F.S.；蠕變小于額定輸出的0.02%；適應溫度-30～70℃；絕緣電阻大于5 000MΩ；稱重傳感器屏蔽接地；極限過載能力為傳感器容量的300%；安全過載為150%。

速度傳感器采用齒輪測速傳感器， 安裝在電機軸上，具有測速分辨率高的優點，即使在帶速很低的情況下， 也能夠保證測速的精度。

E380 變頻器采用的是工業控制高檔變頻器。該產品特性包括：新型、快速、安全、無憂的方法，無需加電； 具有創新特性的無傳感器矢量控制；用于保護的控制盤蓋板為標配；助手型控制盤具有清晰的字母數字動態菜單、實時時鐘，并提供14 種語言；封裝式即插型現場總線適配器；保護傳動、 使用無憂且質量最佳的最新解決方案；電機輸出和I/O 保護可防止誤接線。

現場控制柜具有防塵防護等級設計，柜內裝有集中/就地轉換開關，啟動、停止、急停按鈕和指示燈，自動/手動配料轉換開關，手動調速電位器及插排等低壓電氣元件和變頻器。

2.2 高精度電子皮帶秤

利用現有的原料煤皮帶并增加高精度電子皮帶秤， 給中控系統反饋原煤實時輸送數量，然后通過自動調整配比軟件來調節煤矸石數量，達到自動實時精確配比的目的。

2.2.1 高精度電子皮帶秤與通用皮帶秤對比

高精度電子皮帶秤與通用皮帶秤對比情況見表1。

表1 高精度電子皮帶秤與通用皮帶秤對比

2.2.2 技術參數

高精度電子皮帶秤的技術參數如下：

皮帶秤數量 1 臺

帶寬B 800mm

使用精度 ±1%

2.2.3 主要優勢

高精度電子皮帶秤的主要優勢包括：

a. 模塊化結構。模塊化結構為用戶提供了自由的使用方式，任一模塊均可單獨安裝、維護、更換，從而縮短故障恢復時間，降低維護維修成本。積算器現場完成信號的處理和流量累計、存儲功能，實現了皮帶秤數據處理的前移，其小巧密封的結構可安裝在皮帶秤的任意位置。 遠程顯示器完成瞬時流量、各種累計量、日期時間、儀表設置參數及運行參數等的顯示、修改和打印，并可隨時開關、維護或更換而不影響現場正在工作的積算器。 電源模塊單獨設置，為現場安裝取電提供了極大的方便。

b. 總線式連接。顯示器與積算器之間為多主結構，即可用一根線帶多組顯示器和積算器。

c. 抗惡劣環境。所有模塊全部采用全密封的不銹鋼結構外殼和防水接線孔，整體達到了IP65防護等級，在工業現場安裝使用時，具有良好的防塵、防水效果。

2.2.4 關鍵備件

BL1000 皮帶秤稱重儀表采用5.6 寸真彩顯示屏，全中文圖形化人機界面。 多種計量模式，可適用于單通道、雙通道、多通道皮帶秤。 具有位置調零功能，對狀況差的皮帶適應性強，計量精度高。 內置打印機，結構更簡潔。

稱重傳感器為合金鋼材質， 鍍鎳，S 形結構，膠封，拉向或壓向承載；防護等級IP67；適用于皮帶 秤；OIML 認 證， 證 書 號R60/2000-CN-00.01；OIML 測試， 證書號D09-03.18 Revision 2；NTEP認證，證書號06-099A1。

GS-150 型速度傳感器采用先進的光電轉換技術，能夠可靠、準確地將測得的皮帶速度轉換為脈沖頻率信號輸出。 其主要特點為：雙輪測速能夠保證與皮帶的可靠接觸， 消除皮帶打滑現象；光電轉換技術輸出信號強，抗干擾性好；全密封結構防潮、防水，可在惡劣環境下工作，使用壽命長。

3 軟件部分

在自動調整配比軟件上設定原料煤和煤矸石的比例，通過RS485 通信總線將原料煤皮帶高精度電子皮帶秤傳送的流量傳送至稱重控制儀表上，配料秤計量后得到瞬時流量，然后根據實測流量與給定流量進行PID 運算，將得到的結果轉換為4～20mA 控制輸出量后傳送至變頻器，由變頻器控制配料秤的電機轉速，從而調節配料秤電機的瞬時流量，達到自動配料的目的。 配料秤與上位機之間的數據訪問采用先進的現場總線技術（Modbus-RTU 國際標準協議），方便數據通信，實現配料秤數據（如給定流量、實測流量及累計量等）在配料秤控制器與上位機之間的零誤差傳輸。

自動調整配比軟件具有以下功能特點：顯示料倉、皮帶機等設備的運行狀況，顯示各料倉的料種、設定流量、實際流量、配比及累計量等；歷史事件記錄和故障記錄功能，可以查看以前的配方記錄和故障記錄；配方下載功能；可以查看配料歷史曲線；班報、日報、月報、年報表的查詢和打印功能；在集中控制下可對各配料秤進行啟停控制；聯鎖自動配料功能；斷料停機功能。

4 自動實時配料系統的應用

內蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責任公司采用的是φ3200/3800 型航天粉煤氣化爐， 原料煤為巴彥高勒煤礦所生產的煤種，該煤種具有“三低”的特點，即灰分低、灰熔點低和氣化反應活性低。 自開車以來在較長的一段時間內現場氣化性能不佳，主要表現為：氣泡蒸汽產量高，氣化爐盤管水氣密度低，氣化爐掛渣效果差；合成氣中CH4含量偏高，表明氣化爐溫度偏低；粗細渣殘碳高（粗渣殘碳平均34.18%， 細渣殘碳平均65.42%）；氣化爐爐壁測溫點超溫且頻繁波動，導致操作難度增加，氣化爐溫度無法提高。

為解決以上問題，提出氣化燃料煤添加煤矸石的方案，并于2017 年10 月開始實施。 添加煤矸石后CH4含量、氣泡蒸汽產量、氣化爐盤管水氣密度和氣化爐爐壁溫度有較為明顯的改善，氣化爐運行工況有所好轉， 粗渣殘碳比之前降低5.060%，細渣殘碳降低2.882%。 但由于煤矸石添加量較小， 現場添加煤矸石設備簡陋且無法計量，導致煤矸石添加量一直不穩定，氣化爐盤管水氣密度和爐溫仍存在經常波動的現象。

為徹底解決煤矸石添加量不穩定的問題，該公司于2020 年6 月8 日采納了筆者所設計的自動實時配料系統方案。 通過調試運行發現，煤矸石添加量穩定，氣化爐爐溫和盤管水氣密度明顯好轉，且CH4含量與粗細渣殘碳明顯降低，改造后截止到目前的數據與2019 年平均值相比，CH4含量平均值降低63.36ppm（1ppm=10-6），粗渣殘碳平均值降低5.05%， 細渣殘碳平均值降低2.42%，氣化爐運行工況穩定。

5 結束語

原料煤與煤矸石自動實時配料系統采用當前運用廣泛、技術成熟的先進PID 控制和數字傳輸技術， 有效解決了以往配料系統存在的誤差大、動態特征不理想的問題，提高了系統控制的準確性和可靠性。 筆者設計的自動實時配料系統成本低、精準度高，可代替陳舊的配料工藝設備，能夠極大地降低人員的勞動強度，提高生產效率和產品質量，為企業帶來可觀的經濟效益。