蘇 力，張明慶

(湖南三德科技股份有限公司，湖南 長沙 410221)

0 引 言

我國火力發(fā)電量占總發(fā)電量的70%以上，燃煤電廠的燃料成本占燃煤電廠發(fā)電成本的60%以上，因而燃料智能化管理一直是電廠的關注重點[1-15]。隨著近年燃煤價格波動加大，燃煤電廠為持續(xù)降低燃料成本須提升管理的精細化水平，全環(huán)節(jié)智能化管控查漏補缺、精益求精，因此，在燃煤采樣、制樣、輸送、存儲、化驗全環(huán)節(jié)中實現(xiàn)智能化、精細化、無人化，此為燃料管理水平提升的必然發(fā)展趨勢[16-17]。

燃料的“采—制—輸—存”智能化管控目前已初具規(guī)模，如在采樣端已實現(xiàn)煤樣的自動封裝[18]與IC芯片識別[19]，所有煤樣信息自動寫入樣桶中，實現(xiàn)樣桶的盲存盲取。當前環(huán)節(jié)無人干預[20]，中間樣桶轉運環(huán)節(jié)也實現(xiàn)了智能轉運小車的全程閉環(huán)管控[21]；制樣端的機器人自動制樣系統(tǒng)已在多個電力集團公司投用[22]，制樣后端的全自動存查樣系統(tǒng)快速精確存取全水樣、存查樣、分析樣等[23]，大幅降低了人為干預的風險。以上所有“采—制—輸—存”的全環(huán)節(jié)智能化管控中，煤樣轉運系統(tǒng)與合樣歸批系統(tǒng)是少數(shù)亟待提升快捷性、安全性、可靠性的環(huán)節(jié)之一，智能合樣歸批系統(tǒng)的應用研究在國內即將悄然興起。

基于燃料智能化管控中原煤樣傳輸模式的研究[24],目前市場上主要煤樣轉運系統(tǒng)包括以下6種方式:煤樣鏈板輸送系統(tǒng)、煤樣車輛輸送系統(tǒng)、煤樣軌道小車輸送系統(tǒng)、煤樣索道轉運系統(tǒng)、煤樣氣力輸送系統(tǒng)、煤樣無人機轉運系統(tǒng)，而智能合樣歸批是以上6種轉運系統(tǒng)后端環(huán)節(jié)均須完成的業(yè)務流程。在收到即將制樣的指令后，煤樣轉運系統(tǒng)自動快速分揀出同批次全部數(shù)量的存樣桶并進行合批操作，以供后端制樣環(huán)節(jié)按批次上料制樣?？旖?、安全、可靠、無人干預地實現(xiàn)上述業(yè)務流程，并為燃煤電廠因地制宜地提供多種選擇，即為筆者研究的重點。

結合智能合樣歸批系統(tǒng)專利申請[25]，筆者將其功能分解為:

(1)作為樣桶暫存區(qū)，承接采樣端輸送過來的煤樣桶，其來樣特點:批次多、數(shù)量大；從樣品安全性角度考慮，采樣系統(tǒng)已針對每個煤樣桶都經過編碼信息數(shù)據(jù)加密、人樣分離，外觀一致，盲存盲?。?/p>

(2)在即將制樣之前，快速高效、準確無誤地挑選出同批次的全部煤樣桶，輸送至制樣系統(tǒng)中準備制樣。

1 智能合樣歸批系統(tǒng)簡介

以下介紹在燃煤電廠已可靠應用的合樣歸批系統(tǒng)方案與特點，供參考選用。

1.1 先分揀后暫存式合樣歸批系統(tǒng)

先分揀后暫存式合樣歸批系統(tǒng)(方案A)主要包括輸送用輥筒輸送機、歸批暫存用輥筒輸送機、暫存區(qū)移桶機械手、開蓋倒料機械手等[26]，其示意如圖1所示，業(yè)務流程如圖2所示。

圖1 先分揀后暫存式合樣歸批系統(tǒng)(方案A)示意Fig.1 Schematic diagram of the sample combination and batching system A

圖2 先分揀后暫存式合樣歸批系統(tǒng)(方案A)的業(yè)務流程Fig. 2 The business process of the sample combination and batching system A

由圖2可知:

(1)從采樣端輸送的煤樣桶均已經數(shù)據(jù)加密，安全可靠，外觀無法辨別，批次多、數(shù)量大；

(2)經過讀卡程序確認，自動按照不同批次分揀到樣桶暫存區(qū)的不同輥筒輸送機中，每一列的輥筒輸送機分別代表一個獨立的批次，如批次A、批次B、……；

(3)當制樣端下發(fā)某個批次煤樣開始制樣的指令時，樣桶暫存區(qū)某個批次的煤樣桶會依次被釋放，順序進入輥筒輸送機，開蓋倒料機械手，然后進入制樣端完成合樣、制樣等操作；

(4)制樣完成后的煤樣空桶經過開蓋倒料區(qū)合蓋后，輸送到下游工位，以備循環(huán)使用。

1.2 先暫存后分揀式合樣歸批系統(tǒng)

先暫存后分揀式合樣歸批系統(tǒng)(方案B)主要包括前端對接輸送模塊、中部歸批分揀模塊、末端移動對接模塊三大部分，其示意如圖3所示，業(yè)務流程如圖4所示。

圖3 先暫存后分揀式合樣歸批系統(tǒng)(方案B)示意Fig. 3 Schematic diagram of the sample combination and batching system B

圖4 先暫存后分揀式合樣歸批系統(tǒng)(方案B)的業(yè)務流程Fig. 4 The business process of the sample combination and batching system B

由圖4可知:

(1)從采樣段輸送而來的存樣桶，均已經數(shù)據(jù)加密，安全可靠，外觀無法辨別，特點是批次多、數(shù)量大[27]；

(2)前端對接輸送模塊與樣桶轉運小車自動對接，左右可平移，允許車輛倒車左右偏差不小于800 mm，大幅降低車輛駕駛員的倒車難度；

(3)前端對接輸送模塊自動將車中煤樣桶轉運至中部歸批分揀模塊，轉運過程中完成讀卡記錄的功能，數(shù)據(jù)庫同步記錄所有煤樣桶的位置信息；

(4)煤樣桶優(yōu)先暫存于中部歸批分揀模塊，無需區(qū)分批次，每三列一組，中間一列作為分揀通道；

(5)當制樣端準備發(fā)起制樣指令時，上位機控制程序可以自動將同一批次的煤樣桶挑選出來，并橫向鉤桶到中間分揀通道中，通過輥筒輸送機的正反轉，經末端移動對接模塊轉運到制樣系統(tǒng)中，完成一個分揀上料流程[28]；

(6)當制樣端空桶返回時，將上述流程逆向操作，即可實現(xiàn)空桶的存入中部歸批分揀模塊中，以便順利轉運到采樣端。

1.3 機器人暫存分揀式合樣歸批系統(tǒng)

機器人暫存分揀式合樣歸批系統(tǒng)(方案C)主要包括樣桶進出區(qū)、樣桶暫存區(qū)、機器人及夾具(含多自由度模組及夾具)，其示意如圖5所示，工作流程如圖6所示。

圖5 機器人暫存分揀式式合樣歸批系統(tǒng)(方案C)示意Fig. 5 Schematic diagram of the sample combination and batching system C

由圖6可知:①從采樣段輸送的存樣桶已數(shù)據(jù)加密，安全可靠，外觀無法辨別，具有批次多、數(shù)量大的特點；②機器人夾具在程序自動控制，搬運讀卡、分揀、轉運至樣桶暫存區(qū)，樣桶暫存區(qū)可不受空間的局限，既可水平縱橫布置也可圓周布置或至其他空間區(qū)域，暫存區(qū)域僅需機械手可達；③當制樣端下達制樣指令時，機器人夾具可在程序控制下自動將所需的煤樣桶分揀并搬運至樣桶進出區(qū)；④ 煤樣桶輸送到制樣端，經過開蓋倒料后完成合樣操作，流程結束[29]，空桶返回的流程正好相反。

圖6 機器人暫存分揀式合樣歸批系統(tǒng)(方案C)的業(yè)務流程Fig. 6 The business process of the sample combination and batching system C

除了上述3種合樣歸批系統(tǒng)之外，還有一些簡配版布局方案，如輸送機構呈圓周布局、橢圓布局、直線性布局，通過程序自動讀卡而分揀同批次的煤樣桶，其工作原理與此次研究中介紹的3種方案大同小異，僅空間布局略有不同，不再贅述。

2 不同合樣歸批系統(tǒng)的優(yōu)缺點對比

此次研究中所述的3種合樣歸批系統(tǒng)(方案A、方案B、方案C)均已有在燃煤電廠中實施案例[30]，其各項功能已驗證方案可行、功能可靠，其存在各自的優(yōu)缺點對比如下:

(1)分析煤樣桶的輸送方式：方案A、方案B采用輥筒輸送機或皮帶輸送機，輸送可靠、成本低廉、定位精度要求低；方案C采用機器人夾具或多自由度模組，成本較高、定位精度要求高；

(2)分析煤樣桶的分揀方式：方案A采用優(yōu)先分揀后，不同暫存線分別存儲不同批次的煤樣桶，對于來煤批次量越大，整體布局中需要備用的暫存線越多，占地面積就越大；方案B采用優(yōu)先暫存煤樣桶，所有存儲區(qū)域中樣桶混在一起，占用區(qū)域最小，空間利用率較高，后續(xù)通過上位機算法控制，自動快速分揀出所需批次的煤樣桶；方案C采用機器人分揀，暫存區(qū)域更加靈活，可多層布置樣桶，分揀效率更高，空間利用率最高；

(3)分析煤樣桶的安全性：方案A的優(yōu)先分揀方式，過早地將所有煤樣桶按批次不同進行區(qū)分，存在前端環(huán)節(jié)已加密的樣桶信息泄露的風險，為人為干預提供便利；方案B、方案C均在即將制樣的環(huán)節(jié)才挑選所需樣桶，避免樣桶信息過早泄露，降低人為干預的風險，安全性更高；

(4)分析煤樣桶的分揀效率：方案A、方案B、方案C效率相當，均可在1 min內挑選出所需的樣桶，合樣歸批系統(tǒng)的效率瓶頸不在于分揀，而在于后端的開蓋上料環(huán)節(jié)；

(5)分析整體布局的可拓展性：方案A、方案B、方案C均可增加輥筒輸送線數(shù)量、樣桶暫存區(qū)的數(shù)量來達到目的，但方案C因為機器人夾具的靈活性因而可更容易；

(6)分析合樣歸批整套系統(tǒng)的成本：方案A、方案B成本相當，遠低于方案C。方案C的最大成本在于機器人及其夾具的成本(ABB六軸機器人及夾具成本約20萬以上)；

(7)分析整套設備的搬運定位精度：方案A、方案B采用輥筒輸送機，氣動元件攔桶定位，精度要求較低；方案C是機器人夾具或多自由度模組定位[31]，精度很高，高成本提供了高精度，但此處高精度是否有必要可再探討；

(8)從施工與維修的角度分析，方案A、方案B均采用普通輥筒輸送機，氣動元件檢修容易，對接檢修維護人員的技術能力要求一般，方案C采用機器人夾具或多自由度模組，為了保證重復定位精度，其土建施工、日常維護保養(yǎng)均要求更高，檢修人員的技術能力要求更高。

3 實際應用示例

燃料智能化管控是燃煤電廠提升設備與人員的管理水平、精確核算燃煤各項指標和摻燒配比、提高燃料的利用率和發(fā)電量、降低電廠運營成本的必由之路，目前國內各電力集團公司正在推動煤炭的“采—制—輸—存”全環(huán)節(jié)智能化、無人化管理，筆者研究的智能合樣歸批系統(tǒng)正是全環(huán)節(jié)智能化中不可或缺的一環(huán)。

以目前某燃煤電廠的2×600 MW燃煤機組的實際案例，消耗燃煤約10 000 t/d，來煤批次數(shù)3～6批，一個批次機采煤樣裝3～4桶，此電廠每天需要進行合樣歸批的樣桶數(shù)量是12～24個，考慮到安全系數(shù)至少需要配置32個樣桶工位的智能合樣歸批系統(tǒng)，1套合樣歸批系統(tǒng)可對接2～3套機器人自動制樣系統(tǒng)，分揀效率要求≤1 min/桶。結合上述3種智能合樣歸批系統(tǒng)的優(yōu)缺點對比，綜合考慮設備成本(控制在35萬以內)、盲存盲取(煤樣數(shù)據(jù)加密)、后期維護(降低維保人員技能要求)、數(shù)年后重復定位精度(≥3 mm)、設備使用壽命(≥5 a)等方面，推薦某燃煤電廠優(yōu)選先暫存后分揀式智能合樣歸批系統(tǒng)B方案。

4 結 語

綜合文中3種合樣歸批系統(tǒng)的優(yōu)缺點對比研究，建議燃煤電廠根據(jù)廠區(qū)來煤批次數(shù)量、每天煤樣桶數(shù)量、煤樣桶周轉次數(shù)、制樣室土建面積、煤樣桶上料間隔周期等因素綜合考慮，選擇適合自身電廠特點的合樣歸批系統(tǒng)。

根據(jù)燃煤電廠的實際特點，因地制宜地選擇性價比高、性能可靠、維保簡單的智能合樣歸批系統(tǒng)，充分利用合樣歸批的效率特點，前端可對接4～6個采樣系統(tǒng)，后端可對接2～3套機器人制樣系統(tǒng)，整體布局最合理、全局效率最優(yōu)，從而補齊燃料智能管控領域中為數(shù)不多的短板，終將實現(xiàn)燃料管控全環(huán)節(jié)智能化、無人化的目標。