粉塵檢測與翻車機底層灑水聯動系統設計與研究

胡佑兵

秦皇島港股份有限公司第六港務分公司 河北秦皇島 066000

煤 炭作為我國的主要能源，在我國的經濟結構中占據重要地位。由于煤炭資源和消費在空間上的差異化分布，目前我國基本形成“西煤東運、北煤南調”的格局，煤炭港口已基本形成以環渤海港口“秦皇島港、天津港、黃驊港、京唐港、曹妃甸港”為主，“青島港、日照港、連云港、營口港、錦州港、煙臺港”為輔的北煤下水體系。水路運輸憑借其便捷和經濟的運輸優勢，使煤炭港口得到快速發展，但同時也給沿海港口城市的大氣環境造成不同程度的污染[1]。

煤炭在港口要經過翻 (卸) 車、輸送、堆垛、取料、輸送、裝船等多個環節，由于物料撞擊、落差以及氣流沖擊、設備攪動、振動等因素會產生大量煤塵，這些煤塵嚴重危害到人員健康和設備安全運轉。隨著人們的環保意識加強，目前各港口均采取了大量抑塵措施，環境污染問題得到明顯改善，但是對港口企業來說，如何能夠在抑塵的同時兼顧節能和煤質，是一個重要的研究課題[2]。

帶式輸送機是港口輸煤系統的重要設備，其分布范圍最廣、線路最長，煤炭在帶式輸送機轉運過程中，由于輸送帶振動、落料沖擊、煤炭濕度小等原因，極易產生揚塵，而灑水是最直接有效的抑塵手段。水能夠使干燥細小的煤塵顆粒粘連成較大顆粒，從而使顆粒增大，不易飛揚，因此分布在帶式輸送機沿線的灑水除塵設備最多。但就目前實施效果來說，主要問題有 2 點：①灑水只作用于煤炭表面，導致只有一小部分煤炭濕潤，大部分煤炭仍然干燥的情況，抑塵效果不好；② 灑水設備不能根據是否起塵、起塵量多少進行灑水量調節，只是跟隨流程啟停，這樣就會不可避免地存在灑水過投現象，不僅浪費水電，對煤炭熱值也會產生影響。只有在煤炭落至輸送帶之前減少煤塵，才能將灑水設備減投甚至停用，從而降低成本。針對第 1 點問題，目前翻堆作業線上較為先進的辦法是，在帶式輸送機的源頭即翻車機底層給料器里進行灑水，在給料下煤過程中讓所有煤炭得到充分濕潤，使煤炭在帶式輸送機轉運過程中不再起塵，達到一次灑水全流程無塵的效果。但如何解決第 2 點問題，即何時投入灑水、投灑多少量的水，在環保抑塵的前提下，節水節能的同時還能降低灑水對煤炭熱值的影響，目前各煤炭港口都在積極探索。筆者以秦皇島港煤三期翻堆作業線煤塵治理為例，詳細地論述了一種新型的灑水系統，該系統通過粉塵檢測裝置調控底層灑水，有效地實現了環保節能的目的。

1 可行性分析

要想改變灑水調控模式，讓環保設備不再簡單地跟隨流程啟停，而是依據翻堆作業線帶式輸送機起塵情況決定灑水投用量，就需要對起塵情況進行定量分析。事實上最簡單粗獷的方法是目測，起塵時就將灑水投入，起塵量大時就多投灑，但操作工不可能持續盯著帶式輸送機沿線起塵情況來手動調節灑水量，因此，需要使用設備檢測代替人工目測。用設備檢測起塵情況，就需要有一個衡量標準，用于判定起塵大小。雖然煤炭的含水率、煤化程度、粒度等因素對煤炭起塵都會產生影響，但卻不能根據這些因素判定起塵多少，因為同一煤種在不同作業環境、不同天氣下的起塵情況不同，起塵大小是由單位體積內煤塵數量決定的，即其質量濃度。粉塵質量濃度是反映起塵大小的最直觀數據，因此無需考慮煤炭自身狀況如何，只需找到一種粉塵質量濃度檢測設備用于判定輸煤帶式輸送機起塵大小，再用檢測數據指導灑水設備的投用情況，進而設計一種快速有效的控制算法，就能夠很好地解決第 2 點問題。

2 粉塵質量濃度檢測裝置

2.1 安裝位置的選擇

為了能夠確保翻堆作業一次灑水全流程不起塵，粉塵質量濃度檢測裝置應當安裝在輸煤帶式輸送機起塵最大位置，該位置通常為 1 號轉接塔導料槽處。此處煤炭落差大，受沖擊性氣流影響，起塵最大，且導料槽為半封閉空間，檢測數據穩定可靠。煤炭在翻車機底層被灑水后，轉運到轉接塔導料槽處，如果不起塵，說明底層的灑水是有效的，帶式輸送機沿線其他地方也不會起塵。

2.2 粉塵質量濃度檢測裝置設計

目前并未有適用輸煤帶式輸送機的長時在線粉塵質量濃度檢測裝置，筆者選用了一種靜電式粉塵質量濃度檢測儀。該檢測儀的原理是，當管道內含有粉塵顆粒的氣流經過一個固定的傳感器時，粉塵顆粒在運動中所產生的微弱電流被傳感器采集并傳送至變送器，經變送器過濾、放大，處理成為一個與粉塵質量深度成線性關系的標準輸出值。該檢測儀主要用于管道粉塵檢測，要求最低需在 80 cm 長的金屬管道中使用，且風速不能低于 3 m/s。為使其能夠應用于輸煤帶式輸送機沿線上，設計了一段送風集塵管道 (見圖1)，以滿足其使用條件。該管道由 3 段組成，呈門字形，兩端各裝 1 個風機，左側風機將煤塵從導料槽中抽入管道，右側風機將煤塵從管道中送回導料槽，煤塵得以在管道中流動。導料槽內起塵大小不一，風機單位時間內抽到的煤塵量自然不同，則該檢測儀檢測到的煤塵質量濃度就有差異，這種差異反映了煤塵大小，用于指導底層電動閥開度調節。

圖1 粉塵質量濃度檢測裝置Fig. 1 Dust mass concentration detection device

3 灑水管路布置

在翻堆作業線要想達到一次灑水全流程無塵的效果，目前最先進的辦法就是在翻車機底層給料器里灑水，但各煤炭港口設備情況不同，管路布置方案自然會略有差異。秦皇島港煤三期翻堆作業線共有 2 臺翻車機、2 臺堆料機、4 個轉接塔和 7 條帶式輸送機，每臺翻車機底層有 6 個給料器，煤炭在帶式輸送機沿線上的轉運流程起始位置是翻車機底層。基于該翻堆作業線設計的粉塵檢測與翻車機底層灑水聯動系統如圖 2 所示。在翻車機底層給料器布置灑水管路，包括1 根主供水路和 6 根分支水路，在主供水路設置手輪式蝶閥、電動閥和流量計，6 根分支水路分別進入給料器，分支水路末端安裝霧化噴頭，在煤炭經給料器落料過程中，水霧與煤炭充分混合。由于 6 臺給料器是同時落料，且下方輸送帶又在不停運轉，因此落至輸送帶上的煤炭呈多層分布，且每一層煤炭均得到濕潤，因此只要灑水量適當，無論煤炭在帶式輸送機沿線如何振動、翻轉、受落料沖擊，都不會起塵[3]。

圖2 粉塵檢測與翻車機底層灑水聯動系統示意Fig. 2 Sketch of linkage system of dust detection and sprinkler at bottom of car dumper

4 控制方案

4.1 控制系統

如圖 3 所示，控制系統由上位機、可編程邏輯控制器 (PLC)、粉塵質量濃度檢測裝置、電動閥、流量計及手輪式蝶閥等組成。手輪式蝶閥控制水流量上限，電動閥調節瞬時流量，流量計反饋瞬時流量，粉塵質量濃度檢測裝置實時檢測煤塵質量濃度。電動閥開度調節信號和反饋信號、流量計反饋信號及粉塵質量濃度檢測裝置信號均引入 PLC，系統通過 PLC 程序快速有效地自主尋找到最少灑水量。上位機用于系統的手自動調節，以及瞬時流量、累計流量、電動閥開度的顯示。

圖3 控制算法原理Fig. 3 Sketch of control algorithm

4.2 標定煤炭起塵閾值

為了能夠實現自動灑水調節，需要確定煤炭起塵的閾值，即粉塵質量濃度小于多少時沒有可見揚塵。關閉帶式輸送機沿線上所有除塵設備，安排人員對帶式輸送機沿線起塵情況進行觀測，重點是粉塵質量濃度檢測裝置所在轉接塔處的煤塵情況。帶式輸送機作業時，手動調節翻車機底層灑水，逐漸加大灑水量，直至起塵消失，記錄消失時的煤塵質量濃度，如此對多列火車多個煤種進行多次標定，即可確定煤炭在翻堆帶式輸送機沿線上的起塵閾值。秦皇島港煤三期翻堆作業線上的起塵閾值標定值為 8 mg/m3，在線標定記錄如表 1 所列。

表1 煤炭起塵閾值在線標定記錄Tab.1 Online calibration record of coal dusting threshold

4.3 控制算法

控制算法的核心思路是，依據粉塵質量濃度檢測裝置檢測值與起塵閾值比對結果，利用 PLC 給予電動閥控制信號動態調整其開度，直至煤塵質量濃度略低于起塵閾值，此時電動閥開度最佳，抑塵所用灑水量最少。由于灑水管路在翻車機底層，而粉塵質量濃度檢測裝置在 1 號轉接塔，即檢測點滯后于灑水點，當檢測到煤塵質量濃度高時，調節底層灑水量后，需要間隔一定時間才能檢驗灑水效果。如果按照通常的反饋調節思路，檢測值與閾值比較一次，調節一次灑水，那么想要找到最少灑水量，就需要反復檢測和調節電動閥，系統調節周期會很長，期間會存在長時間揚塵或過量灑水，這與系統設計初衷相悖。

為了快速尋找到最少灑水量并抑制住煤塵，需要縮短檢測周期。控制算法原理如圖 3 所示，帶式輸送機上料啟動后，采用前饋控制方法，在 BF 帶式輸送機 (見圖 2) 第 1 個單程長度 250 m 內，電動閥開度直接由 100% 開到 0，預灑 1 遍，以便從中找出最合適的灑水量。電動閥開度之所以由最大逐步關閉，是為了盡可能消除粉塵在檢測點累積的影響。BF 帶式輸送機重載帶速為 4.6 m/s，運行 250 m 的時間約為54 s，電動閥在此期間由最大開度逐步關閉，其控制信號由 20 mA 減小至 4 mA，則每 1 mA 對應的時長約為 3.2 s，灑水長度約為 14.7 m，這樣就得到了 17個 (250÷14.7) 煤炭灑水樣本。這 17 個樣本的灑水量依次遞減，樣本經 1 號轉接塔落料至 BH 帶式輸送機(見圖 2)，由粉塵質量濃度檢測儀依次檢測。對每個樣本均采樣 4 次，求平均值后與起塵閾值比對，判斷哪個樣本的煤塵質量濃度低于起塵閾值 0.5 mg/m3，系統就認為該樣本的灑水量能夠有效抑制帶式輸送機沿線起塵，電動閥維持該樣本所對應的開度。在取得煤炭灑水樣本后，未找到合適灑水量之前，電動閥維持最大開度，以確保粉塵質量濃度檢測儀檢測期間帶式輸送機沿線不起塵。選定電動閥開度之后，再采用反饋控制方法，粉塵質量濃度檢測儀繼續實時檢測煤塵質量濃度，若煤塵質量濃度變化，則電動閥相應地減小或增大開度，但通常情況下，單次作業煤塵質量濃度變化不大。

4.4 灑水精度的控制

由前文可知，抑塵的標準就是要把煤塵質量濃度檢測值降低到閾值以下，但若檢測值遠低于閾值，那說明電動閥開度非常大，灑水存在過投情況，因此越接近閾值，系統的節水作用就越明顯，而只有精準地控制灑水量，才能讓煤塵質量濃度檢測值不斷接近閾值。該系統的灑水精度由電動閥步幅和管內流量上限調整，電動閥步幅和流量上限越小，電動閥每次步進所釋放的水流量就越小。流量上限可以由手輪式蝶閥控制，電動閥的步幅計算如下。

假定一級帶式輸送機輸送長度為L，重載速度為v，電動閥控制信號量程長度為R，粉塵質量濃度檢測裝置響應時間為t。樣本經過檢測裝置處的時間不能小于該響應時間，則樣本最小長度為vt，樣本最大數量Nmax=L/vt，則電動閥最小步幅Imin=R/Nmax=Rvt/L。依據實際情況，合理選擇電動閥步幅，即可實現系統對灑水的精準控制。

5 系統特點

該粉塵檢測與翻車機底層灑水聯動系統具有以下特點：

(1) 實現了對煤炭的分層灑水，煤炭與水霧充分混合；

(2) 灑水在給料器內部，空間相對密閉，水資源利用率高；

(3) 灑水管路在翻車機底層、地面 17 m 以下，冬季不結冰，無需伴熱系統，節約電能；

(4) 一次灑水即可達到全流程煤塵零排放；

(5) 系統能夠自主尋找最少灑水量，不受煤種、天氣、煤炭含水率、機械振動等因素影響，全程無需人工干預。

6 結語

設計實施的粉塵檢測與翻車機底層灑水聯動系統能夠解決港口翻堆作業線輸煤帶式輸送機煤塵的控制問題，通過定量分析帶式輸送機的起塵情況，并據此數據調節翻車機底層灑水，達到單點灑水全流程無塵的效果，進而實現關停帶式輸送機沿線其他灑水裝置的目的，節水節能效果明顯。經測算，該系統應用后較原灑水系統水電費用節約 30% 左右。該系統能夠自主尋找最少灑水量，不受煤種、天氣、煤炭含水率、機械振動等因素影響，全程無需人工干預，真正做到了“按需除塵”，在環保的同時兼顧節能和煤質，取得良好的經濟和環保效益，在港口同類行業中極具推廣價值。