郭 清 杰

(淮北礦業(yè)股份有限公司 煤炭運(yùn)銷分公司，安徽 淮北 235000)

0 前 言

智能化采制樣技術(shù)始于2013年，其初衷為防范營銷風(fēng)險，“燃料智能化管控”概念至2015年底在電力行業(yè)內(nèi)逐步形成。其技術(shù)方面以模塊化拼接制樣室、管道氣動傳輸、智能存取煤樣、集中控制為主線，目前仍是市場主流的應(yīng)用技術(shù)，已在煤炭及電力系統(tǒng)得以應(yīng)用[1-13]。自2016年以來，部分煤樣設(shè)備生產(chǎn)商開始研發(fā)機(jī)器人輔助制樣并采用機(jī)械手傳遞樣品，開辟了制樣技術(shù)智能化的另一條途徑。

1 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，國內(nèi)已建成系統(tǒng)性的“智能化管控”項目114處，主要集中在電力行業(yè)，以國電集團(tuán)居多，其他電力集團(tuán)合計約30處，少量電廠僅在制樣或存查煤樣環(huán)節(jié)使用智能化設(shè)備。2018年5月，兗礦集團(tuán)東灘礦開始招標(biāo)智能化采制樣項目，即其為國內(nèi)煤炭行業(yè)率先實(shí)施智能化采制樣的企業(yè)，設(shè)備目前正在進(jìn)行安裝調(diào)試。

2 技術(shù)特征

典型的智能化采制樣項目在硬件上通常由采樣機(jī)、智能化制樣室、智能存取煤樣間、氣動傳輸管道和控制臺組成。通過管控中心集中控制系統(tǒng)運(yùn)行，采制樣全程無需人員接觸煤樣，依據(jù)GB 474、GB 475設(shè)置流程和步驟，以杜絕人為因素干擾及充分防范營銷風(fēng)險。

常見的智能化采制樣系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2.1 采 樣

采樣技術(shù)相對成熟，近年來煤炭企業(yè)內(nèi)各類采樣機(jī)應(yīng)用也較普遍，如膠帶中部采樣機(jī)、汽車門式采樣機(jī)等。國內(nèi)已出現(xiàn)研發(fā)機(jī)械手采樣的公司，目前可做到快速抓取運(yùn)動中的車輛頂部煤樣，但僅在車表采樣并不能滿足商品煤采樣的實(shí)際需要，該技術(shù)有待進(jìn)一步開發(fā)。

圖1 智能化采制樣系統(tǒng)構(gòu)成簡圖

成熟的智能化采樣系統(tǒng)一般能通過改造企業(yè)原有的采樣機(jī)集料裝置銜接樣品處理，采樣系統(tǒng)通常要求滿足以下4點(diǎn):①設(shè)備堵煤、漏煤、撒煤等問題較少；②可接受監(jiān)控中心指令，按膠帶過煤量合理選擇采樣方案；③連續(xù)長期無故障運(yùn)行，只需進(jìn)行常規(guī)性保養(yǎng)、檢修、巡視即可；④采出的煤樣直接進(jìn)入智能化制樣間。

2.2 智能化制樣

按制樣順序布局功能性單元、模塊化制樣是當(dāng)前智能化制樣系統(tǒng)的典型特征,常見有臥式、立式2種結(jié)構(gòu)。目前市場已出現(xiàn)日制樣量上限為48個的智能化制樣系統(tǒng)，模塊式布局制樣系統(tǒng)自2013年出現(xiàn)以來，技術(shù)快速迭代升級，個別廠家已更新至第七代產(chǎn)品。典型臥式結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

圖2 智能化制樣系統(tǒng)典型臥式結(jié)構(gòu)布局圖

制樣室各功能性模塊逐級搭接，入料經(jīng)稱重后進(jìn)行破碎、縮分及干燥、研磨等作業(yè)，樣品制備后打包封裝，經(jīng)氣動傳輸進(jìn)入存查系統(tǒng)或用于化驗。模塊間通常以膠帶輸送進(jìn)行連接，棄料集中堆放。針對目前的主流產(chǎn)品，各廠家分別采用不同的專有技術(shù)以防止樣品交叉污染、防堵、防漏及防塵、防誤操作等。在線檢測全水分模塊可以接入制樣系統(tǒng)，各類數(shù)據(jù)可聯(lián)網(wǎng)接入管理系統(tǒng)。

市場上主流廠家的制樣系統(tǒng)破碎機(jī)大部分采用臥式、環(huán)錘靜態(tài)篩底。縮分方式有旋轉(zhuǎn)溜管、膠帶掛掃、無極縮分等三類。研磨方式有球磨、圓盤研磨、旋轉(zhuǎn)刀片、偏心振動研磨等。煤樣烘干方式以紅外加熱最為常見，此外各廠家分別有光波加熱、風(fēng)透、負(fù)壓吸風(fēng)等技術(shù)應(yīng)用于烘干。煤流通道以異型溜管或膠帶轉(zhuǎn)運(yùn)最為常見。

近年來，諸多學(xué)者通過應(yīng)用CFD技術(shù)對離心泵的汽蝕性能進(jìn)行了大量的研究，也取得了一定的研究成果[2-7]，但對離心泵產(chǎn)生汽蝕的機(jī)理以及內(nèi)部流場仍需要進(jìn)一步研究。為此，本文應(yīng)用ANSYS-CFX軟件對1臺比轉(zhuǎn)數(shù)為132的離心泵進(jìn)行了汽蝕性能的數(shù)值模擬，分析研究了泵汽蝕時葉片上的壓力及氣泡相的分布規(guī)律。

當(dāng)前智能化制樣的“智能”程度還有待進(jìn)一步提高，尤其在故障自我偵測、遠(yuǎn)程運(yùn)維等方面仍有不足之處，易損件(如篩網(wǎng))耗量大，設(shè)備的可靠性不強(qiáng)，仍需靠專人連續(xù)運(yùn)維。另外，設(shè)備在貼近上限運(yùn)行的情況下，存在樣品交叉污染的隱患。從智能化制樣系統(tǒng)問世以來快速迭代的歷程分析可知，上述問題應(yīng)該會很快得到解決，更高端的智能化制樣系統(tǒng)值得期待。

2.3 樣品輸送

管道輸送樣品是市場的主流，在技術(shù)上已能輕易地進(jìn)行長距離(500 m以上)運(yùn)輸，且能杜絕人工接觸煤樣，任何管道的破壞均會引起氣壓的變化并報警，能夠做到安全可靠?，F(xiàn)場應(yīng)用時有以下2個方面值得注意:①采樣后物料進(jìn)制樣室之前，對轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)境的要求較高，在不能使用膠帶或管道轉(zhuǎn)運(yùn)時通常只能使用密碼電瓶車，需專人進(jìn)行車輛運(yùn)維。②在制樣室與化驗室之間傳遞樣品，保密性有待改進(jìn)。

2.4 存查柜管理及智能存樣系統(tǒng)

氣動管道把煤樣瓶從智能制樣系統(tǒng)的取樣工作站送至智能存查樣柜，機(jī)械手存取，樣品儲存數(shù)量可訂制，可多點(diǎn)遠(yuǎn)程取樣、分類保管，全程無人值守。存查煤樣室可按存放時長自動剔除超時存放樣，常規(guī)情況下非經(jīng)授權(quán)則人員無法進(jìn)入存查柜。氣動傳輸及智能存樣系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 氣動傳輸及智能存樣系統(tǒng)流程

2.5 機(jī)器人制樣

機(jī)器人制樣目前還沒有完整的智能管控系統(tǒng)應(yīng)用案例?；镜男沃剖且浴皺C(jī)器人”為核心，按樣品的制作工藝流程在其周邊布置功能性制樣模塊，逐級制樣或根據(jù)需要靈活選擇制樣方案，外觀如圖4所示。

國內(nèi)有多家公司都在研發(fā)機(jī)器人制樣，早期開發(fā)的機(jī)器人制樣室已在徐塘電廠率先試用兩年，經(jīng)不斷升級改進(jìn)，已實(shí)現(xiàn)逐級穩(wěn)定縮分出所需樣品。用戶方面，國電山東分公司已有下屬四家電廠訂購機(jī)器人制樣系統(tǒng)，酒泉鋼鐵機(jī)器人制樣系統(tǒng)已投入使用3個月。機(jī)器人制備煤樣流程如圖5所示。

圖4 制樣機(jī)器人外觀

圖5 機(jī)器人制備煤樣流程

目前機(jī)器人制樣存在的不足之處主要包括以下3個方面:①更適合偏干的煤樣；②功能性欠缺，如數(shù)據(jù)上傳、自動分揀、合批尚待改進(jìn)；③故障解除方面，如斷電后復(fù)位需要人工手動輔助，影響連續(xù)制樣。

3 智能化采制樣技術(shù)趨向

智能化采制樣技術(shù)自出現(xiàn)以來，即處于快速迭代升級中，大量光電技術(shù)與針對采制樣特征的專有技術(shù)不斷融合，設(shè)備性能持續(xù)改進(jìn)。從最初僅用于電廠來煤制樣，向采制、存儲、輸送、數(shù)據(jù)管控的一體化無人值守系統(tǒng)發(fā)展。

(2)煤樣管理的可控性方面。采、制、輸、存全流程避免人工參與，人工操作誤差被消除，人為造假的可能性被杜絕。采樣機(jī)的性能評價方法已成熟，煤樣存取處于加密狀態(tài)，制樣按模塊模擬人工流程，安全程度較高。

(3)設(shè)備的可靠性方面。雖智能化采制樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及機(jī)械、電氣、自動化、軟件等多方面，但隨著持續(xù)改進(jìn)升級，在正常保養(yǎng)、簡單巡檢條件下，智能化采制樣系統(tǒng)將具備成月連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

今后的發(fā)展趨勢包括以下4個方面:①向更高的集成度發(fā)展，新技術(shù)將不斷與采制樣功能、數(shù)據(jù)、模式、業(yè)務(wù)進(jìn)行整合，智能化程度會更高，將形成具有自我故障診斷、煤樣狀態(tài)分析、輔助決策能力的智能化系統(tǒng)。②制樣模塊銜接更靈活，根據(jù)樣品需要，智能制樣系統(tǒng)能自我判斷制樣方式，模塊間智能組合。③功能將進(jìn)一步擴(kuò)展，如與機(jī)器人化驗結(jié)合，與在線測水、測灰等技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品檢測更高水平的智能化。④性價比更高。目前1套完整的智能化采制樣管控系統(tǒng)動輒以千萬元計，在人工成本較低的情況下，智能化采制樣技術(shù)的推廣速度有限，但隨著技術(shù)發(fā)展，性價比更高的系統(tǒng)將有利于促進(jìn)智能化采制樣技術(shù)的大規(guī)模推廣。

4 煤炭行業(yè)智能化采制樣技術(shù)應(yīng)用分析

智能化采制樣系統(tǒng)目前在煤炭行業(yè)的應(yīng)用還有待進(jìn)一步深度推廣，其與設(shè)備成本、技術(shù)推廣程度、行業(yè)內(nèi)對采制樣技術(shù)的關(guān)注程度、智能化的可靠性和性價比等密切相關(guān)。煤礦、選煤廠的工業(yè)廣場布局具有不同于電廠的復(fù)雜性，智能化采制樣技術(shù)應(yīng)用于煤炭行業(yè)是未來的全新課題。

(1)建設(shè)及運(yùn)維費(fèi)用。智能化采制樣系統(tǒng)通常由采樣、制樣、樣品傳遞、存取、管控中心建設(shè)及整合化驗室等組成。參考大多數(shù)電廠燃料智能化管控新建系統(tǒng)費(fèi)用:采樣及封裝200萬元，智能化制樣室200萬元，樣品存取及傳遞230萬元，管控中心約320萬元，集控軟件及接口、整合等200萬元。

運(yùn)維情況:受設(shè)備可靠性制約，目前各地電廠已建成的智能化系統(tǒng)基本均由總包商負(fù)責(zé)運(yùn)維。質(zhì)保期滿后，運(yùn)維、第三方性能檢定、耗材等費(fèi)用，單套每年約50萬元。

上述費(fèi)用除智能化制樣室費(fèi)用相對固定外，其余費(fèi)用視現(xiàn)場條件、規(guī)模及要求達(dá)到的效果而變化，通常1套系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用在1 000萬元以上，建設(shè)及使用成本仍偏高。

(2)技術(shù)推廣情況。智能化采制樣技術(shù)起步的2013年，正是煤炭行業(yè)“黃金十年”結(jié)束時，期間大量煤企虧損，產(chǎn)品檢測做為企業(yè)生產(chǎn)銷售的輔助性環(huán)節(jié)，其智能化未引起足夠關(guān)注，當(dāng)前礦井、選煤廠、港口等涉煤單位較少采用智能化采制樣技術(shù)。隨著煤炭企業(yè)基于自身發(fā)展驅(qū)動的裝備升級步伐加快和智能化技術(shù)的加速擴(kuò)散，煤炭行業(yè)相關(guān)人員已敏銳注意到該項技術(shù)，智能化與煤炭行業(yè)采制樣的結(jié)合有待進(jìn)一步提升。

(3)對煤炭行業(yè)的意義。當(dāng)前，智能化采制樣裝備已在煤炭行業(yè)的下游用戶尤其在電廠穩(wěn)步推廣，隨著技術(shù)發(fā)展，裝備性能趨于穩(wěn)定，煤炭企業(yè)若使用智能化裝備，則能夠與下游用戶在質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)上對等，可實(shí)現(xiàn)采、制、存、運(yùn)的閉環(huán)管理，同時能減少人為干擾、減輕職工勞動強(qiáng)度，有利于充分防范營銷風(fēng)險。

(4)智能化采制樣技術(shù)在煤企的嵌入口。此處主要探討智能化技術(shù)如何結(jié)合當(dāng)前煤炭行業(yè)采制樣現(xiàn)狀進(jìn)行實(shí)施。煤炭行業(yè)應(yīng)用智能化采制樣特點(diǎn)如下:①與電廠相比，煤炭企業(yè)日處理樣品量相對偏少，現(xiàn)有的智能化采制樣裝備并不能因為樣品少而減小，設(shè)備處理能力有較大富余。②在現(xiàn)有智能技術(shù)條件下，樣品存在交叉污染隱患，故選煤廠中煤、煤泥等副產(chǎn)品不宜與精煤共用同一系統(tǒng)。③近年來采樣機(jī)在選煤廠及礦井得到普及，為避免重復(fù)建設(shè)，需對原有采樣機(jī)進(jìn)行合理改造。④多數(shù)煤礦、選煤廠工業(yè)廣場布局復(fù)雜，需尋求合理的方案，同時要考慮為將來智能化驗室建設(shè)預(yù)留空間和接口。⑤智能化技術(shù)培訓(xùn)方面，當(dāng)前的智能化設(shè)備在故障診斷、日常管控方面還需人員維護(hù)，需要為企業(yè)培養(yǎng)運(yùn)維人員。

上述問題，解決的方向是需要研發(fā)適用煤礦、選煤廠特點(diǎn)的專用設(shè)備，尤其在故障偵測與修復(fù)、物料轉(zhuǎn)運(yùn)、管控中心布局方面需開發(fā)新技術(shù)以提高其對煤企的適應(yīng)性，并在該過程中不斷提高專用設(shè)備的性價比。