李祥,李中夫,陳德仁,馮 奎,許斐

(國(guó)能南京煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)有限公司,江蘇 南京 210031)

1 引言

煤炭是我國(guó)經(jīng)濟(jì)的重要支撐，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位[1]，從發(fā)電的方式看，火力發(fā)電仍是我國(guó)發(fā)電行業(yè)主要組成部分[2]。作為煤炭質(zhì)量檢測(cè)的第一環(huán)節(jié)，煤炭采樣在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用中有著十分重要的作用[3]?；痣姀S燃料質(zhì)量監(jiān)督-采、制、化，采樣是第一道工序，也是后續(xù)兩道工序的基礎(chǔ)，若以方差表示采制化總誤差，則采樣誤差占總誤差的80%[4]，當(dāng)采樣不具備代表性，依據(jù)煤質(zhì)指標(biāo)反饋進(jìn)行的后續(xù)智能化環(huán)節(jié)都將失去意義[5]。由于機(jī)械化采樣機(jī)可規(guī)避人工采樣的各種弊端，近年來越來越多的煤礦開始使用煤炭機(jī)械化采樣機(jī)進(jìn)行采樣操作[6]。煤炭品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確程度直接影響到煤炭貿(mào)易雙方的經(jīng)濟(jì)利益和用煤企業(yè)的安全運(yùn)行[7-8]。輸送帶中部采樣機(jī)是基于刮掃的形式對(duì)皮帶輸送機(jī)上的煤炭進(jìn)行全斷面的切割方式獲取樣品[9]，這種采樣又叫做皮帶上切割采樣[10]。中部采樣機(jī)一般由采樣頭、料流檢測(cè)裝置、溜管、初級(jí)給料機(jī)、次級(jí)給料機(jī)、破碎機(jī)、縮分器、樣品收集器和余煤回送設(shè)備等組成[5]，每個(gè)環(huán)節(jié)均可能產(chǎn)生過大偏倚，引起樣品測(cè)定值不能代表批煤真實(shí)品質(zhì)[11]。因此，采樣機(jī)的準(zhǔn)確性、采樣精密度和偏倚是否優(yōu)于人工采樣是目前絕大部分使用煤炭機(jī)械化采樣機(jī)用戶所關(guān)心的問題[12]。煤炭機(jī)械采樣機(jī)使用單位應(yīng)對(duì)機(jī)械采樣的代表性清楚明了，定期對(duì)機(jī)械采樣機(jī)代表性進(jìn)行核驗(yàn)，為貿(mào)易結(jié)算雙方和煤炭使用單位提供準(zhǔn)確可靠的煤質(zhì)數(shù)據(jù)[13]。

采樣系統(tǒng)偏倚試驗(yàn)是性能試驗(yàn)最重要的內(nèi)容之一，其表征采樣機(jī)所采樣品測(cè)定值的系統(tǒng)誤差[14]。偏倚試驗(yàn)的原理是對(duì)同一種煤采取一系列成對(duì)試樣，一個(gè)用被試驗(yàn)的采樣系統(tǒng)或其部件采取，另一個(gè)用一參比方法采取，然后測(cè)定每對(duì)試樣的試驗(yàn)結(jié)果間的差值，并對(duì)這些差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最后用t檢驗(yàn)進(jìn)行判定[15]，其中試驗(yàn)采樣機(jī)采取的樣品叫系統(tǒng)樣，參比方法采取的樣品叫參比樣[16]。輸送帶中部采樣機(jī)偏倚試驗(yàn)一般為停皮帶采樣法，具體方法為：?jiǎn)?dòng)采樣系統(tǒng)，當(dāng)初級(jí)采樣器采取一子樣后，立即停止輸煤皮帶（但制樣系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行），在初級(jí)子樣點(diǎn)前或后、緊靠但不交叉、煤流未被擾亂處采取一參比樣；同時(shí)收集采樣系統(tǒng)的最后縮分階段的縮分后試樣；兩個(gè)子樣構(gòu)成一試樣對(duì)[17]，而完成采樣機(jī)偏倚試驗(yàn)至少需要重復(fù)上述操作20次，且為防止因煤質(zhì)、采樣、制樣和化驗(yàn)環(huán)節(jié)中造成的較大偏差[18]，偏倚試驗(yàn)時(shí)輸煤皮帶的制動(dòng)次數(shù)將會(huì)更多。但是連續(xù)頻繁地緊急拉停輸煤皮帶，極易導(dǎo)致輸煤電機(jī)故障，引發(fā)輸煤皮帶驟停、鍋爐MFT連鎖觸發(fā)，甚至發(fā)電機(jī)組非停事故[18]。

在需要頻繁啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，啟停間隔有明確規(guī)定，如進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)，200 kW以下的電機(jī)不應(yīng)＜0.5h，200～500kW的電動(dòng)機(jī)不應(yīng)＜1h，500kW及以上的電動(dòng)機(jī)不應(yīng)＜2h[19]，這使得整個(gè)偏倚試驗(yàn)作業(yè)時(shí)間過長(zhǎng)，影響企業(yè)正常生產(chǎn)，且采樣人員存在連續(xù)疲勞作業(yè)的情況。為保證企業(yè)安全生產(chǎn)，降低設(shè)備和人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，楊傳[18]、王良東等人[20]已提出了不同于GB/T 19494.3-2004[17]規(guī)定的偏倚試驗(yàn)方法——非停皮帶采樣法，但該方法所采參比樣的代表性有待商榷，且未得到廣泛應(yīng)用。

鑒于GB/T 19494.3-2004規(guī)定的皮帶中部采樣機(jī)偏倚試驗(yàn)方法在實(shí)際應(yīng)用過程中存在較大缺陷，本文擬對(duì)皮帶中部采樣機(jī)偏倚試驗(yàn)方法進(jìn)行改良，以期在不影響試驗(yàn)結(jié)果代表性的前提下，有效降低設(shè)備和人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，保障企業(yè)安全生產(chǎn)。

2 研究方法

2.1 采樣機(jī)作業(yè)流程

試驗(yàn)用采樣機(jī)是固定式橫過皮帶中部采樣機(jī)，采樣頭沿一與皮帶中心線平行的軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)采樣頭旋轉(zhuǎn)橫過皮帶全寬時(shí)，其邊板前緣切割煤流，后板將煤樣推出[21]。

采樣機(jī)的工藝流程如圖1所示，其中Y型三通I的結(jié)構(gòu)如圖2所示。Y型三通II主要結(jié)構(gòu)與Y型三通I相同，但不含有側(cè)管、滑槽、插板和滑塊。默認(rèn)采樣機(jī)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)Y型三通的物料出口管為主出口管，擋板用于改變Y型三通I入口管與主副出口管連接狀態(tài)。采樣機(jī)系統(tǒng)為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，采樣機(jī)通過PLC自動(dòng)或手動(dòng)控制采樣單元的采樣頭動(dòng)作及采樣間隔，其作業(yè)程序?yàn)椋翰蓸宇^所采集的子樣→Y型三通I的主出口→一級(jí)給料皮帶→破碎機(jī)→二級(jí)給料皮帶→縮分單元→留樣／棄樣；留樣→收集器；棄樣→Y型三通II的主出口管→斗提機(jī)→輸送帶。

圖2 Y型三通I示意圖Fig.2 Diagram of Y-shaped three-way Pipe(Ⅰ)

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

皮帶中部采樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)詳如表1所示。

表1 皮帶中部采樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of sampling machine for test

2.3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.3.1 設(shè)備檢查與消缺

采樣頭能否截取整個(gè)截面的煤流，刮板式縮分器所設(shè)定的參數(shù)及擋板高度是否合理、刮板能否截取整個(gè)煤流的樣品[22]是輸送帶中部采樣機(jī)使用過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的。偏倚試驗(yàn)前需要對(duì)采樣機(jī)進(jìn)行檢查與消缺，包含但不限于：

（1）檢查采樣頭和縮分器刮頭端部耐磨橡膠磨損情況，確保采樣頭和縮分器能截取一個(gè)完整的煤流橫截段，且無煤樣從采樣頭和縮分器中溢出。

（2）檢查采樣頭、縮分器、給料皮帶破碎機(jī)、落煤管等部件，確保無漏煤、漏粉、積煤現(xiàn)象。

（3）檢查整流擋板高度設(shè)置情況，確保經(jīng)整形后的煤流厚度不超過煤樣標(biāo)稱最大粒度3倍。

（4）檢查縮分程序，確保縮分程序涵蓋整個(gè)破碎后的煤流，且有效縮分次數(shù)不少于4次。

（5）對(duì)破碎機(jī)出料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，確保出料粒度合格。

2.3.2 試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量

如圖1所示，將光電傳感器緊鄰采樣單元安裝。所需測(cè)量的試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 待測(cè)量參數(shù)表Tab.2 Test parameters to be measured

2.4 偏倚試驗(yàn)

2.4.1 試驗(yàn)優(yōu)化

GB/T 19494.3-2004規(guī)定的偏倚試驗(yàn)方法在實(shí)施過程中，每啟停一次輸煤皮帶，只能采集一對(duì)系統(tǒng)樣和參比樣，完成整個(gè)偏倚試驗(yàn)至少需要啟停皮帶20次。改良法的核心是：停止輸送帶，人工按順序依次采集一系列的參比樣，然后啟動(dòng)輸煤皮帶，通過光電傳感器控制采樣頭在參比樣采樣區(qū)的旁邊依序采集一系列的系統(tǒng)樣。如此操作可實(shí)現(xiàn)通過啟停一次輸送皮帶完成多對(duì)的系統(tǒng)樣和參比樣的采集。這樣極大減少了偏倚試驗(yàn)全過程輸送帶的啟停次數(shù)，進(jìn)而在縮短了試驗(yàn)時(shí)間，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，保證系統(tǒng)樣和參比樣的采樣代表性。改良法進(jìn)行皮帶中部采樣機(jī)偏倚試驗(yàn)的簡(jiǎn)示圖如3圖所示。

2.4.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)用煤情況：煙煤，干基灰分約13%，標(biāo)稱最大粒度為50 mm。結(jié)合圖3，采用改良法進(jìn)行偏倚試驗(yàn)的步驟為：

圖3 改良法簡(jiǎn)示圖Fig.3 Diagram of the improved method

（1）啟動(dòng)給煤機(jī)和煤輸送帶，采樣機(jī)系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，等待采樣頭自動(dòng)采樣2次，完成給料、破碎和縮分等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)采樣機(jī)系統(tǒng)預(yù)清洗。

（2）預(yù)清洗結(jié)束后，當(dāng)試驗(yàn)煤流完全覆蓋采樣機(jī)所在的煤輸送帶時(shí)，立即拉停輸送帶。

（3）如圖4所示，在靜止、有煤的輸送帶上設(shè)置n個(gè)采樣區(qū)，采樣區(qū)沿煤輸送方向上依次設(shè)有人工采樣區(qū)I、系統(tǒng)采樣區(qū)II和反光板放置區(qū)III，其中：

圖4 采樣區(qū)的設(shè)置示意圖Fig.4 Diagram of sampling area setup

①人工采樣區(qū)I緊鄰系統(tǒng)采樣區(qū)II，且邊界不交叉；為保證采樣代表性，人工采樣區(qū)I的采樣寬度應(yīng)大于待采煤樣標(biāo)稱最大粒度的3倍以上（試驗(yàn)時(shí)為240 mm）。

②系統(tǒng)采樣區(qū)是采樣機(jī)進(jìn)行采樣的區(qū)域，由于固定式采樣頭所采截?cái)鄼M斷面與輸送帶中心線成一定的傾角，為避免系統(tǒng)采樣區(qū)與人工采樣區(qū)交叉，所以設(shè)置系統(tǒng)采樣區(qū)II寬度大于采樣頭寬度的3倍以上（試驗(yàn)時(shí)設(shè)為500 mm）。

③系統(tǒng)采樣區(qū)IIn，與反光板放置區(qū)IIIn的中心距d2應(yīng)略大于（t1×v-d1），人工采樣區(qū)In，與反光板放置區(qū) III（n-1）的中心距d3應(yīng)大于（t2＋t3）×v。據(jù)表2計(jì)算得d2和d3的最小值分別為0.40 m和15.6 m（試驗(yàn)中取d2和d3分別為0.5 m和16.0 m）。

④由過程①～③知，輸煤皮帶上每17.74 m的煤流段可完成一對(duì)系統(tǒng)樣和參比樣的采集，則上一級(jí)落煤管到采樣頭中心的范圍內(nèi)煤流上可布置10.9個(gè)采樣區(qū)，本試驗(yàn)中設(shè)置10個(gè)采樣區(qū)，即可完成10對(duì)系統(tǒng)樣和參比樣的采集。

（4）使用采樣框[22]依次完成人工采樣區(qū)I1～I(xiàn)10處的參比樣（C1～C10）的采集，裝袋備用，并在反光板放置區(qū)III1～I(xiàn)II10處依序放置并固定帶有編號(hào)的一次性可燃反光板。

（5）將采樣機(jī)調(diào)整至偏倚試驗(yàn)狀態(tài)。此時(shí)：光電傳感器信號(hào)接入采樣機(jī)的控制系統(tǒng)，采樣機(jī)采樣動(dòng)作受光電傳感器控制；一級(jí)給料皮帶、二級(jí)給料皮帶、破碎單元和縮分單元停止運(yùn)行；Y型三通I的入料管連接副出料管、接樣袋。

（6）啟動(dòng)煤輸送帶，當(dāng)III10處放置的反光板隨輸送帶移動(dòng)至光電傳感器正下方時(shí)，光電傳感器感應(yīng)到反光板并將信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)，此時(shí)II10恰好移動(dòng)到采樣頭正下方，控制系統(tǒng)控制采樣頭在II10處進(jìn)行一次采樣。所采煤樣（J10）經(jīng)過采樣單元下料管和Y型三通I的副出料管全部落入10號(hào)接樣袋中，然后迅速更換接樣袋。

（7）當(dāng)III9處放置的反光板隨輸送帶移動(dòng)至光電傳感器正下方時(shí)，光電傳感器感應(yīng)到反光板并將信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)，此時(shí)II9恰好移動(dòng)到采樣頭正下方，控制系統(tǒng)控制采樣頭在II9處進(jìn)行一次采樣。所采煤樣（J9）經(jīng)過采樣單元下料管和Y型三通I的副出料管全部落入接樣袋中，然后迅速更換接樣袋。

（8）重復(fù)過程（7），依次完成系統(tǒng)采樣區(qū)II8～I(xiàn)I1處的機(jī)械采樣，得到系統(tǒng)樣（J8～J1）。

（9）重啟給煤機(jī)，當(dāng)煤流再次完全覆蓋采樣機(jī)所在的輸送帶時(shí)，停止給煤機(jī)，拉停輸煤帶。

（10）重復(fù)過程(4)～(8)，完成I11vI20處的人工參比樣（C11～C20）和 II11～I(xiàn)I20處的系統(tǒng)樣（J11～J20）的采樣。

（11）重復(fù)過程(9)和(10)，完成I21～I(xiàn)30處的人工參比樣（C21～C30）和II21～I(xiàn)I30處的系統(tǒng)樣（J21～J30）的采樣。

（12）停止給煤機(jī)和皮帶運(yùn)行，將光電傳感器信號(hào)移除采樣機(jī)控制系統(tǒng)，恢復(fù)采樣機(jī)為就地運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)：采樣頭受采樣機(jī)控制系統(tǒng)控制；Y型三通I的入料管與主出料管相連接，Y型三通II的入料管連接副出料管、接樣袋；啟動(dòng)一、二級(jí)給料皮帶和破碎單元，縮分單元按表1中參數(shù)運(yùn)行。

（13）拔出Y型三通I的插板，并連結(jié)側(cè)管。

（14）將J1倒入側(cè)管，完成流程：Y型三通I的主出口→一級(jí)給料皮帶→破碎機(jī)→二級(jí)給料皮帶→縮分單元→L1和Q1；L1→接樣袋；Q1→Y型三通II→副出料管→接樣袋。

（15）重復(fù)過程(14)，將J2～J30分別依序倒入側(cè)管，分別收集得到L2～L30和Q2～Q30。

（16）按照《煤樣的制備方法》（GB/T 474-2008）[23]，使用機(jī)械破碎設(shè)備和二分器將上述過程得到的C和Q制備成6 mm全水分煤樣和一般分析試驗(yàn)煤樣，將L制備成一般分析試驗(yàn)煤樣。

通過上述試驗(yàn)步驟可知，采用改良法進(jìn)行試驗(yàn)的全過程共啟停輸送帶3次，而如果按照GB/T 19494.3-2004規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)則需啟停輸送帶30次。

3 結(jié)果與討論

按照《煤中全水分的測(cè)定方法》（GB/T 211-2017）[24]測(cè)定所得全水分煤樣的M1，按照《煤的工業(yè)分析方法》（GB/T 212-2008）[25]測(cè)定所得一般分析試驗(yàn)煤樣的Mad和Aad，并計(jì)算出Ad，詳如表3所示。依據(jù)《煤炭機(jī)械化采樣第3部分精密度測(cè)定和偏倚試驗(yàn)》（GB/T 19494.3-2004）[17]對(duì)偏倚試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行離群值檢驗(yàn)、差值獨(dú)立性檢驗(yàn)、樣本容量核對(duì)和偏倚最終評(píng)定，結(jié)果如表4所示。

表3 試驗(yàn)用采樣機(jī)偏倚試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experiment results of bias test of sampling machine for use

表4 試驗(yàn)用采樣機(jī)偏倚試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析Tab.4 Statistical analysis on bias test results of sampling machine for use

試驗(yàn)用皮帶中部采樣機(jī)偏倚試驗(yàn)通過差值獨(dú)立性檢驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)未有離群值，試驗(yàn)對(duì)數(shù)存夠。從表4可以看出，在95%置信水平下，采用改良方法進(jìn)行皮帶中部采樣機(jī)偏倚試驗(yàn)時(shí)，皮帶中部采樣機(jī)的全水分偏倚和灰分偏倚分別為0.37%和0.60%，均小于最大允許偏倚。

4 結(jié)論

鑒于《煤炭機(jī)械化采樣第3部分 精密度測(cè)定和偏倚試驗(yàn)》（GB/T 19494.3-2004）規(guī)定的皮帶中部采樣機(jī)偏倚試驗(yàn)方法在實(shí)際應(yīng)用中存在缺陷，本文結(jié)合光電傳感器控制技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改良，以期在不影響試驗(yàn)結(jié)果代表性的前提下，有效降低設(shè)備和人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，保障企業(yè)安全生產(chǎn)。并進(jìn)行了例證。結(jié)果表明：

（1）在95%置信水平下，采用改良法進(jìn)行偏倚試驗(yàn)時(shí)，皮帶中部采樣機(jī)的全水分偏倚和灰分偏倚分別為0.37%和0.60%，均小于最大允許偏倚。

（2）改良法的皮帶啟停次數(shù)與偏倚試驗(yàn)組數(shù)和采樣機(jī)安裝位置、運(yùn)行參數(shù)有關(guān)。

（3）采用改良法進(jìn)行偏倚試驗(yàn)的皮帶啟停次數(shù)遠(yuǎn)小于按照《煤炭機(jī)械化采樣第3部分精密度測(cè)定和偏倚試驗(yàn)》GB／T 19494.3-2004規(guī)定方法開展的次數(shù)。