城郊煤礦選煤廠自動化及系統優化研究與應用

徐世輝，郭立欣

河南能源化工集團永煤公司城郊煤礦 河南永城 476600

城 郊煤礦選煤廠隸屬于河南能源化工集團永煤公司，為礦井型選煤廠，現處理能力達到 500萬 t/a。該廠現采用塊煤斜輪分選、末煤有壓兩產品重介旋流器分選、粗煤泥 TBS 分選、煤泥浮選聯合工藝流程。入選原煤為無煙煤，主要產品有洗中塊、洗小塊、洗小粒、末精煤和末原煤。

隨著集團對產品質量要求的提高和生產成本的嚴格控制，要求城郊煤礦深挖潛力，降低生產成本，提高選煤廠自動化及系統優化水平。

1 自動化及系統優化問題的提出

城郊煤礦選煤廠自建廠以來，經過幾次的設計改造，均將生產能力和產品質量作為主要關注對象，對其他環節關注度不夠。選煤廠建廠已久，部分設備工藝沒有跟上科技的進步，全員效率還有待提高[1]，自動化及系統優化水平較低，具體表現在以下方面。

(1) 人工調節給煤量 原煤倉下振動給煤機需要專人看管，給煤機的運行情況和給煤量需要實時觀察和調節，包括閘板開度、給煤機的啟停、溜槽疏通等。工人要連續值守才能保證給煤機正常穩定的運行，一旦給煤機下料溜槽堵塞，需要人工疏通。閘板給料全靠人力調節，難以實現精確控制。

(2) 人工監測產品轉載過程 選煤廠的輸送帶、刮板等的檢修與維護量大。刮板輸送機依靠工人巡崗檢查和專業工人上崗檢查維修，無法實時監控；在生產過程中還會出現錯牙、斷鏈、跳鏈等現象，影響安全生產；帶式輸送機長度長，依靠人力巡檢監測運行及溜槽情況，效率低。

(3) 機電設備多 選煤廠設備眾多，而現有的監控系統并不完善，需要崗位工現場查崗，同時也加重了機電車間的任務，傳統的檢修方法難以保證設備處于最佳工作狀態。

(4) 外運裝車存在自動控制盲點 外運裝車是選煤廠自動控制的盲點，機械化、自動化程度偏低，職工勞動強度大，作業環境惡劣，煤塵等一系列因素影響職工的身體健康。此外，人工清理車廂、平車、修復外脹車廂，勞動量大，不僅耗時費工，效率低，而且不利于人力資源的優化配置。

針對上述問題，城郊煤礦選煤廠開展自動化及系統優化技術研究，從而達到節能降耗、減人增效的目的[2]。

2 研究與應用過程

2.1 生產過程自動化及系統優化

2.1.1 優化工藝

為適應市場和擴能需求，城郊煤礦選煤廠新建了一套處理能力為 174.78 t/h 的塊煤車間，用于洗選大塊煤，但因擴能后“大馬拉小車”現象較多，部分選煤瓶頸問題凸顯，使得部分設備的性能沒有得到充分發揮，間接造成噸煤成本仍然較高。針對瓶頸環節進行改造，合理優化工藝配置，釋放產能，為實現自動化及系統優化打好基礎。

(1) 將主井至原煤車間輸送帶的速度由 1.6 m/s 提高到 2.4 m/s，大幅度提高了處理能力。

(2) 優化工藝質量流程，合理分配塊煤車間與洗煤車間的處理量，將其分級粒度由 55 mm 降低至 37 mm，提高了進入塊煤車間的處理量，實現各系統滿負荷均衡生產。

(3) 改造末煤重介系統。將 4 臺φ710 mm 末煤重介旋流器更換為 840 mm 旋流器，對 4 臺末精煤脫介篩及弧形篩擴能改造，釋放重介系統產能，處理能力提高 100 t/h 左右，進一步提高處理能力和分選效果。

通過以上措施，選煤廠的處理能力真正實現了900 t/h 的設計目標，全廠噸煤電耗也大幅度降低。

2.1.2 依據原煤質量變化調節生產

(1) 將原振動給煤機改為帶式給煤機，將閘板改為遠程遙控，能夠較好地控制給煤量。通過遠程控制閘板開度和給煤機無級變速機的轉速，來調節輸送帶的運行速度，從而控制給料量。

(2) 在原煤輸送帶上安裝灰分儀和視頻監控系統，通過兩者結合綜合判斷可選性和矸石量的變化。矸石量增大，可選性變差，必須降低處理能力，調節入選量后，再根據精煤質量和其他生產情況進行適量調節。

(3) 在洗選關鍵崗位加裝 LED 大屏，實時顯示灰分儀、核子秤、流量計等各項生產數據，建立煤質洗選實時預警聯動網絡，實現入選、配煤、入洗所有流程聯動操作，提高全廠生產的穩定性和連續性，將礦井提煤煤質波動對全廠煤炭洗選的影響降至最低，保證各產品各項指標在達標范圍內，并提高全廠煤炭洗選的生產效率。

2.1.3 產品質量穩定自動化控制

(1) 城郊選煤廠末精煤主要由浮選精煤、重介精煤、TBS 生產的粗煤泥精煤、離心液經分級旋流器回收的煤泥 4 部分組成。在上倉產品輸送機給料端安裝水分測定儀，同時根據各精煤的水分組成估算末煤的水分，使末精煤產品的含水率控制在 8.8% 左右，接近 9% 產品要求[3]。而末原煤是按照發熱量計價，在末原煤灰分一定的情況下，升高一個水分相當于降低了 66 cal，提高一個灰分相當于降低了 87 cal。利用該智能水分控制系統也可起到穩定發熱量的目的[4]。

(2) 在分級旋流器底流泵安裝可遠程控制的變頻器，在分級旋流器入口安裝壓力傳感器測定壓力，并將壓力信號傳遞給分級旋流器壓力穩定控制儀。將實時信號與壓力設定值進行對比，由壓力穩定控制儀發出信號，通過變頻器自動調節旋流器入料泵的流量，達到穩定旋流器壓力的目的，從而減少旋流器底流夾細，穩定末精煤質量。

(3) 針對末原煤發熱量波動較大問題，建立高發熱量末原煤與低發熱量中煤摻配系統。根據末原煤灰分儀發出的信號自動控制低發熱量中煤的摻配量，以自動改善末原煤質量，實現了低發熱量中煤摻配的連續性和均勻性，從而達到末原煤銷售效益的最大化。

2.2 集中控制與區域集控

為應對近年來選煤廠人員流失嚴重、招工困難、用人緊張的局面，城郊煤礦選煤廠提出了“集中控制與區域集控走崗操作”的管理模式。

2.2.1 區域集控室的建設

在原有集控室的基礎上，新增 7 個區域集控室。區域集控室與廠集控室的功能一樣，包括視頻監控、問題干擾和現場操作，只是管轄范圍為各自所負責的區域。目前全廠 7 個區域視頻監控分別為原煤集中控制監控、塊煤集中控制監控、主洗集中控制監控、濃縮集中控制監控、壓濾集中控制監控、產品倉集中控制監控和裝運集中控制監控，明確了各自區域視頻監控管轄范圍、職責和與廠調度室的關系。

2.2.2 廠集控監控系統擴容改造

在原有的智能球形攝像儀 (37 套)、配電室監控(15 套)、現場放射源監控 (13 套) 等的基礎上，新增加了包括智能球形攝像儀、防爆形攝像儀和自動光圈固定高清攝像儀等 42 套監控設備，實現全廠范圍內區域全覆蓋?，F場視頻監控圖像進入位于現場機箱內的小型 8 路一分二的視頻分配器，一路通過視頻光端機把視頻圖像傳輸至調度室，另一路通過視頻光端機把視頻圖像傳輸到區域集控監控室。

2.2.3 新增各種檢測儀表

在選煤廠關鍵部分安裝液位計、壓力表 (旋流器入料、加壓過濾機、壓濾機、各種風包等)、流量計(旋流器給料量、淺槽介質循環量、浮選入料量、循環水等)、濃度計 (浮選入料、濃縮機底流、循環水、各介質系統中的磁性物含量和非磁性物含量)、在線灰分儀、皮帶秤等，并把測量信號傳輸至廠集中控制室和區域集控室。

2.2.4 區域集控遠程操作

在所有的輸送帶和刮板機上安裝保護裝置和溜槽防堵塞檢測裝置。對全廠經常需要開關和調節的部位全部更換為可遠程操控的液壓或電動閥門，如原煤倉下給煤機改為遠程遙控，洗煤各輸送帶轉載點的機尾翻板改為電動控制，產品倉上入倉卸料小車改為雷達料位計測距自動卸料，裝車放煤插板改為電液動并由崗位司機使用液晶觸摸屏控制，有效促進生產系統運行，實現無人值守。這些閥門不僅能在現場操控，還可在區域集控監控室和廠集控室進行遠程操作，大大減少了工人數量。

2.3 裝車過程自動化

裝車過程包括車輛牽引與裝車過程的配合、車廂清洗、定量裝車、平車、火車外脹修復等環節，各個環節由于存在空間位置的變化、局部變化、不確定因素的變化，要求快速準確達到、迅速裝車?；疖囋谶x煤廠停留有嚴格的裝車時間限制，按照規定的車廂節數設有標準時間，超出標準時間外按小時收取裝車延時費用。目前大部分選煤廠采用大量的人工裝車，機械化與自動化水平偏低，職工勞動強度大、危險系數大。為此，城郊煤礦選煤廠開展了裝車過程自動化研究[5]。

2.3.1 自動清洗風干車廂

裝車前為了減少原車箱殘留的雜質，如水泥、黃沙、石粉等對精煤產品的污染，必須對車廂進行清理，選煤廠采用了水力自動清洗、風力干燥車廂的方法。

(1) 自動沖洗車廂系統 由泵將沖洗水 (3 級凈化后的水) 送至位于裝車的 2 道、3 道鐵路上方，距離產品倉約 500～ 800 m 的高壓噴水槍頭，通過裝運車間的區域集控監控室的遠程操作噴槍沖洗車廂。沖洗后的污泥水通過三級閉路循環系統進行凈化，凈化后的水繼續作為沖洗用水。

(2) 自動干燥車廂系統 為排出自動沖洗后車廂內殘留的水對產品水分的影響，自行設計了風力自動干燥車廂系統。利用高壓風將車廂底部殘留的水吹走，達到干燥車廂的目的。

(3) 三級閉路循環系統 為避免沖車污水造成的環境污染，建立了車廂沖車用水三級閉路循環凈化系統，實現了沖車污水的零排放。

2.3.2 創新裝車技術

(1) 原來塊煤由放煤溜槽直接進入火車，裝煤高度落差比較大，塊煤破碎嚴重，塊煤限下率經常超標。為此，設計安裝了“合頁”式液壓給煤裝置，即在放煤溜槽上安裝一個液壓閘門，在溜槽放煤時，通過閉合液壓裝置，中塊先在放煤溜槽中儲存，然后緩慢放開液壓閘門，使中塊以滑落的方式裝車，最大限度地減少塊煤的破碎，同時降低了給料速度，使給料更加均勻。

(2) 裝車明確規定外運煤裝車高度要控制在冒出車廂 10 cm 以下，不得超高，且車幫及車輛連接處撒煤要清掃干凈等。為此，自行設計制造了振動平煤器，其原理是振動電動機帶動平煤板將煤在豎直方向上震動夯實，在水平方向上與 W 型平煤器一起做二次平整，工字鋼固定裝置在兩側鋼絲繩滑道上上下滑動，起到緩沖作用。振動平煤器不用時可提升至高處。

(3) 火車裝煤后一些車廂會出現外脹現象，一般采用人工對其修復。為了提高裝車速度，滿足列車快進快出的要求，自行設計了火車外脹液壓修復裝置。當車廂由于物料堆積、擠壓而產生外脹變形時，把校正裝置平放到變形車廂的上邊緣，啟動液壓站，通過控制操作閥伸開液壓缸推桿，將 2 個方形掛鉤鉤住車廂兩側邊緣，然后由操作閥控制液壓缸伸縮，使變形的車廂向內拉緊，從而得到校正恢復。

2.3.3 裝車過程自動化控制

(1) 在裝車樓設置區域集控和視頻監控室，將整個裝車過程的控制和視頻監控全部接入該區域集控和視頻監控室，便于操作人員全面掌握現場情況。

(2) 在裝車區域集控室內架設獨立 PLC 子站，使用觸摸屏與 PLC 子站連接起來組成控制系統。將裝運車間二樓 19 臺振動給煤機更換為液壓插板，并附加限位開關及監控攝像頭，所有生產設備控制信號接入操作房 PLC 子站，生產現場視頻信號接入裝車操作房內顯示屏。

(3) 編制程序建立液壓插板與供煤輸送帶、裝車斗子的互相閉鎖關系，提升裝車安全系數，實時監控、調整液壓插板開關量，從而調節供煤量；監控、啟動供煤輸送帶供煤；監控、控制裝車斗為外運煤裝車。

3 實施效果

(1) 洗選系統根據不同煤質自動調節入洗量及配煤量，在保障精煤質量和效率的前提下，最大限度地提高了洗選系統的處理能力，實現節能降耗、減人提效的目的。

(2) 實現以小集控為區域中心的集生產遠程監視、生產設備選擇性啟停與操控、故障應急報警功能為一體的集約化自動控制單元系統，替代原來崗位司機的操作。

(3) 對裝運車間進行自動化改造，裝車效率提高30% 以上，人員減少 50%。

(4) 實現全廠自動化及系統優化改造，減少人力消耗，人員減少 60 人，末精煤產率提高，塊精煤限下率明顯降低，產生的直接經濟效益 2 000 余萬元。

4 經濟效益分析

(1) 建立煤質洗選實時預警聯動網絡，提高全廠煤炭洗選的生產效率。自行設計了智能水分控制儀，產品水分穩定且接近用戶要求，末精煤平均含水率由 8.0% 提高到近 8.8%。2020 年原煤入洗量為 350 萬t，末精煤回收率為 60%，年創經濟效益約為 1 512 萬元。

(2) 應用“集中控制與區域集控走崗操作”管理模式，提高了員工的責任感和工作效率，減少了檢修時間。全年影響生產時間同比減少 500 min，車間人員減少了 20 人/班，直接效益約為 432 萬元/a。

(3) 應用快速裝車系統，每個班減少 5 人，年減少材料消耗約 15 萬元，年節省裝車延時費用約 50 萬元。此外，設計了“合頁”式液壓給煤裝置，實現遠程控制的同時，降低了塊煤破碎率，塊煤率提高了 1個百分點，年創經濟效益約為 350 萬元。

綜上所述，通過自動化和系統優化，每年產生的經濟效益為 2 294 萬元，實際的經濟效益還包括因降低動力消耗、藥劑消耗及介質消耗等所產生的效益。

5 結語

城郊煤礦選煤廠通過自動化及系統優化的研究與應用，取得了明顯的經濟效益。提高選煤廠自動化水平符合我國目前減人增效的國有企業改革思路，對于降低選煤生產成本起到顯著作用。我國能源結構中煤炭占有大部分，未來幾十年對煤炭的需求量依然很大，煤炭的入選比例還會進一步增加，選煤廠的自動化可確保各設備處于最佳的工作狀態，可以節約大量的寶貴資源，對行業發展有著深遠的意義。