原料煤與煤矸石自動(dòng)實(shí)時(shí)配料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 斌 黃治兵 王 沖 王永剛

（內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司）

在煤化工行業(yè)中， 保證氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。 原料煤是氣化爐制造合成氣的主要原料， 其特性的優(yōu)劣直接影響氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。 若使用的是灰分低、灰熔點(diǎn)低、氣化反應(yīng)活性低的原料煤， 則無法對(duì)氣化爐運(yùn)行工況條件實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制， 從而影響裝置穩(wěn)定運(yùn)行。 如果要改變?cè)厦旱奶匦裕?則可以在原料煤皮帶上增加一套自動(dòng)實(shí)時(shí)配料系統(tǒng)， 按照設(shè)定配比控制煤矸石的下料， 達(dá)到原料煤和煤矸石的自動(dòng)、聯(lián)鎖、精準(zhǔn)、穩(wěn)定配比，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化和智能化， 從而滿足企業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)的要求。

1 自動(dòng)實(shí)時(shí)配料系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 工藝原理

以一套皮帶秤組成的自動(dòng)實(shí)時(shí)配料系統(tǒng)為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要由煤矸石配料秤、高精度電子皮帶秤和自動(dòng)調(diào)整配比軟件組成。 在原料煤皮帶秤上增加8 個(gè)高精度稱重傳感器，采用數(shù)字傳輸技術(shù)將原料煤的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至集控室內(nèi)的自動(dòng)調(diào)整配比軟件上，該軟件以原料煤瞬時(shí)數(shù)量為基數(shù)，計(jì)算、控制煤矸石下料，從而實(shí)現(xiàn)原料煤和煤矸石的自動(dòng)實(shí)時(shí)聯(lián)鎖配料。 在原料煤皮帶上， 選擇一個(gè)煤矸石添加的最佳點(diǎn)，增加一套煤矸石皮帶秤聯(lián)鎖下料系統(tǒng)，為氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行提供原料保障。

圖1 自動(dòng)實(shí)時(shí)配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主要功能

自動(dòng)實(shí)時(shí)配料系統(tǒng)的主要功能包括：

a. 可以實(shí)現(xiàn)就地啟動(dòng)和遠(yuǎn)程電腦啟動(dòng)功能；

b. 可以在集控室自動(dòng)調(diào)整配比軟件上查看原料煤和煤矸石的實(shí)時(shí)計(jì)量數(shù)據(jù)與配料實(shí)時(shí)曲線圖；

c. 可以在集控室自動(dòng)調(diào)整配比軟件上手動(dòng)調(diào)整原料煤與煤矸石的配比比例，實(shí)現(xiàn)原料煤與煤矸石的實(shí)時(shí)流量自動(dòng)調(diào)節(jié)；

d. 小矸石倉可實(shí)現(xiàn)缺料時(shí)的自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)補(bǔ)料。

2 硬件部分

2.1 煤矸石配料秤

2.1.1 結(jié)構(gòu)

煤矸石配料秤為連續(xù)式配料系統(tǒng)，適用于動(dòng)態(tài)連續(xù)多料種配比工藝條件。 煤矸石配料秤（圖2）主要由上位機(jī)、配料皮帶機(jī)、秤架、稱重傳感器、 測(cè)速傳感器及LC200 稱重顯示控制器等構(gòu)成。

圖2 煤矸石配料秤結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 性能參數(shù)

煤矸石配料秤的性能參數(shù)如下：

計(jì)量精度 ±0.5%

配料精度 ±1%

皮帶寬度 650mm

流量范圍 3～30t/h

電機(jī)功率 1.5kW

儀表給變頻器調(diào)整電流信號(hào) 4～20mA

儀表與秤架之間的距離（電纜長） 20m

2.1.3 主要功能

煤矸石配料秤的主要功能包括：

a. 手動(dòng)配料和自動(dòng)配料功能。手動(dòng)配料是將自動(dòng)/手動(dòng)配料開關(guān)打到手動(dòng)配料，通過調(diào)整控制柜上的電位器控制變頻器的輸出頻率，達(dá)到控制給煤機(jī)給煤量的目的；自動(dòng)配料是將自動(dòng)/手動(dòng)配料開關(guān)打到自動(dòng)配料，在稱重給煤機(jī)控制儀表上輸入所需要的配煤量。 稱重給煤機(jī)控制儀表按照實(shí)際流量和需要的配煤量進(jìn)行處理，經(jīng)過PID 調(diào)節(jié)后將調(diào)節(jié)信號(hào)送至變頻器，達(dá)到控制給煤機(jī)給煤量的目的。

b. 斷料停機(jī)功能。 由于某種原因（結(jié)料、卡料）導(dǎo)致皮帶秤出現(xiàn)斷料（流量為零）的情況后，系統(tǒng)將立即發(fā)出斷料報(bào)警， 同時(shí)配料秤停機(jī)，以避免出現(xiàn)長時(shí)間配料失調(diào)的現(xiàn)象。

c. 斷料后敲打倉壁，自動(dòng)恢復(fù)給料功能。 料倉壁上安裝有振動(dòng)器， 當(dāng)某臺(tái)秤出現(xiàn)斷料情況后，儀表發(fā)出倉壁敲打信號(hào)，振動(dòng)器啟動(dòng)，自動(dòng)恢復(fù)給料，節(jié)省了大量的人力。

2.1.4 關(guān)鍵備件

秤架（圖3）主要由皮帶拉緊裝置、腰鼓形尾輪、支架、機(jī)架、稱量通道（一）、稱量通道（二）、測(cè)速傳感器、裙邊（或普通皮帶）和主動(dòng)滾筒組成。皮帶秤秤架、秤體選用C 形梁結(jié)構(gòu)，具有剛性高、積塵面積小、線性高及回零好等優(yōu)點(diǎn)。 采用主動(dòng)滾筒，確保輸送帶無打滑現(xiàn)象；采用腰鼓形尾輪，減少皮帶跑偏現(xiàn)象； 采用合理的皮帶拉緊裝置，保證皮帶具有恒定的張力。

圖3 配料秤秤架結(jié)構(gòu)示意圖

LC200 稱重顯示控制器具有：圖形化人機(jī)界面；320×240 高分辨率的LCD； 全中文人機(jī)界面，顯示直觀，操作方便，可切換選擇多種語種；數(shù)字化傳感方式；多計(jì)量工作模式；完善的通信接口；合理的外觀結(jié)構(gòu)；齊全的校準(zhǔn)功能；運(yùn)行操作記錄；歷史產(chǎn)量查詢功能。

稱重傳感器采用CZL-6F 單點(diǎn)式稱重傳感器。 激勵(lì)電壓10～12V（DC）；靈敏度2.0mV/V±0.002mV/V；綜合誤差±0.02%F.S.；蠕變小于額定輸出的0.02%；適應(yīng)溫度-30～70℃；絕緣電阻大于5 000MΩ；稱重傳感器屏蔽接地；極限過載能力為傳感器容量的300%；安全過載為150%。

速度傳感器采用齒輪測(cè)速傳感器， 安裝在電機(jī)軸上，具有測(cè)速分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，即使在帶速很低的情況下， 也能夠保證測(cè)速的精度。

E380 變頻器采用的是工業(yè)控制高檔變頻器。該產(chǎn)品特性包括：新型、快速、安全、無憂的方法，無需加電； 具有創(chuàng)新特性的無傳感器矢量控制；用于保護(hù)的控制盤蓋板為標(biāo)配；助手型控制盤具有清晰的字母數(shù)字動(dòng)態(tài)菜單、實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并提供14 種語言；封裝式即插型現(xiàn)場(chǎng)總線適配器；保護(hù)傳動(dòng)、 使用無憂且質(zhì)量最佳的最新解決方案；電機(jī)輸出和I/O 保護(hù)可防止誤接線。

現(xiàn)場(chǎng)控制柜具有防塵防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)，柜內(nèi)裝有集中/就地轉(zhuǎn)換開關(guān)，啟動(dòng)、停止、急停按鈕和指示燈，自動(dòng)/手動(dòng)配料轉(zhuǎn)換開關(guān)，手動(dòng)調(diào)速電位器及插排等低壓電氣元件和變頻器。

2.2 高精度電子皮帶秤

利用現(xiàn)有的原料煤皮帶并增加高精度電子皮帶秤， 給中控系統(tǒng)反饋原煤實(shí)時(shí)輸送數(shù)量，然后通過自動(dòng)調(diào)整配比軟件來調(diào)節(jié)煤矸石數(shù)量，達(dá)到自動(dòng)實(shí)時(shí)精確配比的目的。

2.2.1 高精度電子皮帶秤與通用皮帶秤對(duì)比

高精度電子皮帶秤與通用皮帶秤對(duì)比情況見表1。

表1 高精度電子皮帶秤與通用皮帶秤對(duì)比

2.2.2 技術(shù)參數(shù)

高精度電子皮帶秤的技術(shù)參數(shù)如下：

皮帶秤數(shù)量 1 臺(tái)

帶寬B 800mm

使用精度 ±1%

2.2.3 主要優(yōu)勢(shì)

高精度電子皮帶秤的主要優(yōu)勢(shì)包括：

a. 模塊化結(jié)構(gòu)。模塊化結(jié)構(gòu)為用戶提供了自由的使用方式，任一模塊均可單獨(dú)安裝、維護(hù)、更換，從而縮短故障恢復(fù)時(shí)間，降低維護(hù)維修成本。積算器現(xiàn)場(chǎng)完成信號(hào)的處理和流量累計(jì)、存儲(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)了皮帶秤數(shù)據(jù)處理的前移，其小巧密封的結(jié)構(gòu)可安裝在皮帶秤的任意位置。 遠(yuǎn)程顯示器完成瞬時(shí)流量、各種累計(jì)量、日期時(shí)間、儀表設(shè)置參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)等的顯示、修改和打印，并可隨時(shí)開關(guān)、維護(hù)或更換而不影響現(xiàn)場(chǎng)正在工作的積算器。 電源模塊單獨(dú)設(shè)置，為現(xiàn)場(chǎng)安裝取電提供了極大的方便。

b. 總線式連接。顯示器與積算器之間為多主結(jié)構(gòu)，即可用一根線帶多組顯示器和積算器。

c. 抗惡劣環(huán)境。所有模塊全部采用全密封的不銹鋼結(jié)構(gòu)外殼和防水接線孔，整體達(dá)到了IP65防護(hù)等級(jí)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安裝使用時(shí)，具有良好的防塵、防水效果。

2.2.4 關(guān)鍵備件

BL1000 皮帶秤稱重儀表采用5.6 寸真彩顯示屏，全中文圖形化人機(jī)界面。 多種計(jì)量模式，可適用于單通道、雙通道、多通道皮帶秤。 具有位置調(diào)零功能，對(duì)狀況差的皮帶適應(yīng)性強(qiáng)，計(jì)量精度高。 內(nèi)置打印機(jī)，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔。

稱重傳感器為合金鋼材質(zhì)， 鍍鎳，S 形結(jié)構(gòu)，膠封，拉向或壓向承載；防護(hù)等級(jí)IP67；適用于皮帶 秤；OIML 認(rèn) 證， 證 書 號(hào)R60/2000-CN-00.01；OIML 測(cè)試， 證書號(hào)D09-03.18 Revision 2；NTEP認(rèn)證，證書號(hào)06-099A1。

GS-150 型速度傳感器采用先進(jìn)的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，能夠可靠、準(zhǔn)確地將測(cè)得的皮帶速度轉(zhuǎn)換為脈沖頻率信號(hào)輸出。 其主要特點(diǎn)為：雙輪測(cè)速能夠保證與皮帶的可靠接觸， 消除皮帶打滑現(xiàn)象；光電轉(zhuǎn)換技術(shù)輸出信號(hào)強(qiáng)，抗干擾性好；全密封結(jié)構(gòu)防潮、防水，可在惡劣環(huán)境下工作，使用壽命長。

3 軟件部分

在自動(dòng)調(diào)整配比軟件上設(shè)定原料煤和煤矸石的比例，通過RS485 通信總線將原料煤皮帶高精度電子皮帶秤傳送的流量傳送至稱重控制儀表上，配料秤計(jì)量后得到瞬時(shí)流量，然后根據(jù)實(shí)測(cè)流量與給定流量進(jìn)行PID 運(yùn)算，將得到的結(jié)果轉(zhuǎn)換為4～20mA 控制輸出量后傳送至變頻器，由變頻器控制配料秤的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)配料秤電機(jī)的瞬時(shí)流量，達(dá)到自動(dòng)配料的目的。 配料秤與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)訪問采用先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（Modbus-RTU 國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議），方便數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)配料秤數(shù)據(jù)（如給定流量、實(shí)測(cè)流量及累計(jì)量等）在配料秤控制器與上位機(jī)之間的零誤差傳輸。

自動(dòng)調(diào)整配比軟件具有以下功能特點(diǎn)：顯示料倉、皮帶機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀況，顯示各料倉的料種、設(shè)定流量、實(shí)際流量、配比及累計(jì)量等；歷史事件記錄和故障記錄功能，可以查看以前的配方記錄和故障記錄；配方下載功能；可以查看配料歷史曲線；班報(bào)、日?qǐng)?bào)、月報(bào)、年報(bào)表的查詢和打印功能；在集中控制下可對(duì)各配料秤進(jìn)行啟?？刂疲宦?lián)鎖自動(dòng)配料功能；斷料停機(jī)功能。

4 自動(dòng)實(shí)時(shí)配料系統(tǒng)的應(yīng)用

內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司采用的是φ3200/3800 型航天粉煤氣化爐， 原料煤為巴彥高勒煤礦所生產(chǎn)的煤種，該煤種具有“三低”的特點(diǎn)，即灰分低、灰熔點(diǎn)低和氣化反應(yīng)活性低。 自開車以來在較長的一段時(shí)間內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)氣化性能不佳，主要表現(xiàn)為：氣泡蒸汽產(chǎn)量高，氣化爐盤管水氣密度低，氣化爐掛渣效果差；合成氣中CH4含量偏高，表明氣化爐溫度偏低；粗細(xì)渣殘?zhí)几撸ù衷鼩執(zhí)计骄?4.18%， 細(xì)渣殘?zhí)计骄?5.42%）；氣化爐爐壁測(cè)溫點(diǎn)超溫且頻繁波動(dòng)，導(dǎo)致操作難度增加，氣化爐溫度無法提高。

為解決以上問題，提出氣化燃料煤添加煤矸石的方案，并于2017 年10 月開始實(shí)施。 添加煤矸石后CH4含量、氣泡蒸汽產(chǎn)量、氣化爐盤管水氣密度和氣化爐爐壁溫度有較為明顯的改善，氣化爐運(yùn)行工況有所好轉(zhuǎn)， 粗渣殘?zhí)急戎敖档?.060%，細(xì)渣殘?zhí)冀档?.882%。 但由于煤矸石添加量較小， 現(xiàn)場(chǎng)添加煤矸石設(shè)備簡(jiǎn)陋且無法計(jì)量，導(dǎo)致煤矸石添加量一直不穩(wěn)定，氣化爐盤管水氣密度和爐溫仍存在經(jīng)常波動(dòng)的現(xiàn)象。

為徹底解決煤矸石添加量不穩(wěn)定的問題，該公司于2020 年6 月8 日采納了筆者所設(shè)計(jì)的自動(dòng)實(shí)時(shí)配料系統(tǒng)方案。 通過調(diào)試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，煤矸石添加量穩(wěn)定，氣化爐爐溫和盤管水氣密度明顯好轉(zhuǎn)，且CH4含量與粗細(xì)渣殘?zhí)济黠@降低，改造后截止到目前的數(shù)據(jù)與2019 年平均值相比，CH4含量平均值降低63.36ppm（1ppm=10-6），粗渣殘?zhí)计骄到档?.05%， 細(xì)渣殘?zhí)计骄到档?.42%，氣化爐運(yùn)行工況穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

原料煤與煤矸石自動(dòng)實(shí)時(shí)配料系統(tǒng)采用當(dāng)前運(yùn)用廣泛、技術(shù)成熟的先進(jìn)PID 控制和數(shù)字傳輸技術(shù)， 有效解決了以往配料系統(tǒng)存在的誤差大、動(dòng)態(tài)特征不理想的問題，提高了系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性和可靠性。 筆者設(shè)計(jì)的自動(dòng)實(shí)時(shí)配料系統(tǒng)成本低、精準(zhǔn)度高，可代替陳舊的配料工藝設(shè)備，能夠極大地降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。