采樣機(jī)在萬利一礦選煤廠的應(yīng)用實(shí)踐

李 明，孫銀輝

(國(guó)能包頭能源有限責(zé)任公司煤炭洗選中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014100)

煤質(zhì)是選煤廠生存與發(fā)展的命脈。若要反映出具有代表性的煤質(zhì)，必須具有合適的采樣手段。在汽車上采樣采取“抽取”方式，在膠帶機(jī)上采樣采取“全斷面切割”方式，是目前常用的2種方式，也是最容易實(shí)現(xiàn)的機(jī)械采樣方式。采樣機(jī)是代替人工采樣，并能進(jìn)行破碎、縮分的設(shè)備。采樣機(jī)與在線煤質(zhì)分析儀配合使用，所需某些參數(shù)就可在線顯現(xiàn)，可以及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)和銷售。

1 概 述

萬利一礦選煤廠隸屬于國(guó)家能源集團(tuán)包頭能源公司萬利一礦，是礦井配套的千萬噸級(jí)選煤廠，自產(chǎn)原煤通過膠帶輸送機(jī)從礦井輸送至選煤廠進(jìn)行洗選，外購(gòu)煤通過汽車運(yùn)輸至封閉的外購(gòu)煤場(chǎng)，商品煤通過裝車膠帶火車運(yùn)輸。鑒于煤炭輸送特點(diǎn)，自產(chǎn)原煤屬于“自給自足”，內(nèi)部輸送，不作結(jié)算依據(jù)，因此不設(shè)采樣機(jī)。外購(gòu)煤采用汽車采樣機(jī)采樣，把好入廠關(guān)，而商品煤涉及對(duì)外結(jié)算，為把控對(duì)外銷售煤質(zhì)，在裝車膠帶機(jī)設(shè)膠帶中部采樣機(jī)。

2 采樣機(jī)選型與布置

近年來，采樣機(jī)專利技術(shù)層出不窮、日新月新，性能優(yōu)越的采樣機(jī)不斷應(yīng)用于實(shí)踐，結(jié)合智能化的發(fā)展，改變了人工采樣的現(xiàn)狀，通過選煤、煤質(zhì)、控制、機(jī)械、電子及計(jì)算機(jī)等專業(yè)組成的專業(yè)設(shè)計(jì)，改善了長(zhǎng)期以來汽車及鐵路裝車人工采樣不安全、效率低、誤差大、糾紛多等問題。采樣系統(tǒng)具備全天候連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，完全替代人工作業(yè)，提高了采樣效率及煤樣的代表性，消除了人工采樣的不安全隱患。

2.1 采樣機(jī)選型

汽車采樣機(jī)以擺臂式、懸臂式、橋式為主，目前橋式使用居多。橋式汽車采樣機(jī)按物料的處理順序主要分為3大部分：采樣、制樣、樣品收集及棄樣處理部分。主要缺點(diǎn)為點(diǎn)式采樣，1節(jié)車廂至少采樣3點(diǎn)，采樣時(shí)間長(zhǎng)，造成車輛排隊(duì)，甚至出現(xiàn)堵車現(xiàn)象。[1-4]

商品煤火車上采樣有2種方式，一種是“出廠(礦)煤火車采樣機(jī)”[5]，在火車上采樣的基本流程是開啟采樣機(jī)，當(dāng)完成裝車，繼續(xù)向前運(yùn)行，傳感器開始定位車廂邊緣及確定采樣點(diǎn)位置，采樣機(jī)行走機(jī)構(gòu)移動(dòng)至相應(yīng)位置，同時(shí)采樣小車至采樣點(diǎn)，磁鐵吸附在車廂邊框與車皮形成一體，螺旋采樣頭采樣，煤樣放入采樣箱，磁鐵解除吸附運(yùn)行至下一采樣點(diǎn)，如此循環(huán)采樣。煤樣進(jìn)入自動(dòng)制樣系統(tǒng)，進(jìn)行破碎、攪拌、縮分、制樣等程序，從而實(shí)現(xiàn)火車運(yùn)行的采樣、制樣自動(dòng)化。另一種是“智能機(jī)器人采制樣系統(tǒng)”，系統(tǒng)由大型工業(yè)機(jī)器人、采樣臂、光電傳感器、控制器、觸摸屏、嵌入式智能控制軟件、自動(dòng)制樣機(jī)及視頻監(jiān)控等組成。采用6軸多臂機(jī)器人，可在移動(dòng)車廂內(nèi)任意采樣。PLC控制器根據(jù)采集信號(hào)及采樣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)時(shí)智能分析，伺服控制器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行精準(zhǔn)移動(dòng)控制，引導(dǎo)動(dòng)態(tài)采樣。針對(duì)煤炭現(xiàn)場(chǎng)采樣實(shí)際情況，采樣臂設(shè)計(jì)多自由度、齒狀爪式結(jié)構(gòu)，所用不銹鋼、彈簧鋼等材料均由CNC加工中心整料加工，徹底解決了傳統(tǒng)機(jī)械采樣機(jī)存在的堵、卡、漏、損等問題。根據(jù)傳感器輸入信號(hào)、采樣規(guī)則及裝車時(shí)序，由嵌入式智能控制軟件對(duì)各類車廂按采樣標(biāo)準(zhǔn)完成隨機(jī)采樣。機(jī)器人采回的煤樣直接進(jìn)入一體式自動(dòng)制樣機(jī)，完成要求所需的煤樣。根據(jù)萬利一礦選煤廠實(shí)際情況，僅有1條裝車線設(shè)置膠帶中部采樣機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)商品煤采樣[7]。

2.2 采樣機(jī)的布置

采樣機(jī)布置是先決條件，是應(yīng)用效果的基礎(chǔ)。一般考慮煤炭輸送條件配套采樣機(jī)。原則上力求實(shí)用，操作更方便，投資成本更低，權(quán)衡利大于弊等。

2.2.1 汽車采樣機(jī)布置

汽車采樣機(jī)布置一般有2種，一種是過磅與采樣一體布置(圖1)，另一種是過磅與采樣分開布置(圖2)。過磅與采樣一體布置優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省空間，過磅系統(tǒng)與采樣系統(tǒng)接口線路短，成本較低，但是缺點(diǎn)是采樣過程中影響計(jì)量，特別是橋式采樣機(jī)采用螺旋采樣頭，采樣過程對(duì)地磅沖擊嚴(yán)重，影響計(jì)量精度，同時(shí)采樣時(shí)灑下的余煤受汽車衡影響不便于清理；過磅與采樣分開布置，汽車首先進(jìn)行過磅計(jì)量，然后運(yùn)行至采樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行采樣，獨(dú)立的地理位置，使采樣機(jī)更好的發(fā)揮采樣職能，對(duì)過磅計(jì)量過程無任何影響，布置更能發(fā)揮自身特點(diǎn)，利于文明衛(wèi)生管理，但是缺點(diǎn)是成本較高，采樣過程獨(dú)立進(jìn)行，需二次停車輛。綜合分析，采樣機(jī)與地磅分開布置形式更可靠、更穩(wěn)定。

圖1 過磅與采樣一體布置

圖2 過磅與采樣分開布置

2.2.2 膠帶中部采樣機(jī)的布置

膠帶中部采樣機(jī)布置面臨工藝系統(tǒng)的技術(shù)改造，由于膠帶中部采樣機(jī)空間需求較大，土建投資較高，所以本著充分利用現(xiàn)有資源條件，降低成本又使采樣機(jī)應(yīng)用更合理的原則，利用原有建筑更有利。

膠帶中部采樣機(jī)布置關(guān)鍵在于受改造條件限制并滿足系統(tǒng)工藝流程。一般膠帶中部采制樣系統(tǒng)為初級(jí)采樣器安裝在膠帶輸送機(jī)中間位置，從運(yùn)行中的輸送帶上直接采集子樣。子樣進(jìn)入初級(jí)膠帶給料機(jī)，將煤流拉長(zhǎng)，較均勻地進(jìn)入一級(jí)破碎機(jī)(對(duì)輥)，將煤樣破碎到不大于50 mm粒度后進(jìn)入縮分膠帶機(jī)；膠帶縮分機(jī)帶有物料整形裝置，將煤樣整形為均勻不間斷的煤流，膠帶縮分器將截取的分析樣落入二級(jí)破碎機(jī)(錘式)，其余棄樣進(jìn)入棄料膠帶機(jī)；錘式破碎機(jī)將煤樣破碎到不大于13 mm粒度，進(jìn)入旋轉(zhuǎn)縮分器，經(jīng)二級(jí)縮分，分析樣進(jìn)入樣品收集器的收集桶內(nèi)，棄料進(jìn)入棄料膠帶機(jī)；進(jìn)入棄樣膠帶機(jī)的煤流，都經(jīng)棄樣膠帶進(jìn)入斗式提升機(jī)，經(jīng)過斗提機(jī)提升至回料膠帶機(jī)，返回主輸煤膠帶機(jī)(圖3)。

圖3 膠帶中部采樣機(jī)系統(tǒng)工藝流程

針對(duì)工藝系統(tǒng)膠帶中部采樣機(jī)布置分為2種形式：一種是布置在輸送機(jī)下側(cè)，另一種是布置輸送機(jī)旁側(cè)。前者壓縮了設(shè)備總體高度，降低了土建投資，但是不利于工藝要求的布置；后者初級(jí)采樣器采得的初級(jí)子樣通過溜管進(jìn)入給料膠帶輸送機(jī)，經(jīng)過給料膠帶機(jī)的暫時(shí)儲(chǔ)存、煤流拉長(zhǎng)，較均勻地進(jìn)入一級(jí)破碎機(jī)，能夠防止破碎機(jī)堵煤。初級(jí)子樣經(jīng)破碎機(jī)破碎為不大于30 mm粒度的煤樣，進(jìn)入縮分膠帶輸送機(jī)，這樣就防止了縮分膠帶入料口和切割采樣斗堵料問題。因此膠帶中部采樣機(jī)布置的關(guān)鍵問題是必須滿足高度要求，流程橫向布置更優(yōu)。

3 采樣機(jī)應(yīng)用過程故障點(diǎn)

橋式汽車采樣機(jī)和膠帶機(jī)中部采樣機(jī)由于技術(shù)進(jìn)步和新設(shè)備的采用，基本穩(wěn)定可靠，但是長(zhǎng)期運(yùn)行也存在關(guān)鍵故障點(diǎn)，運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障值得關(guān)注。

3.1 采樣機(jī)軟件系統(tǒng)故障點(diǎn)

采樣機(jī)軟件系統(tǒng)一般由設(shè)備廠家自主開發(fā)，品質(zhì)良莠不齊，穩(wěn)定可靠是追求的目標(biāo)。系統(tǒng)軟件出現(xiàn)故障為“軟故障”，通常表現(xiàn)為頻繁死機(jī)，指令失靈等，分析原因一是系統(tǒng)本身存在缺陷，二是操作過程中頻繁錯(cuò)誤操作。隨著國(guó)內(nèi)軟件的發(fā)展，采樣機(jī)企業(yè)軟件也日趨成熟，系統(tǒng)本身缺陷逐步被克服；采樣機(jī)廠家耐心對(duì)操作崗位工進(jìn)行培訓(xùn)，用戶內(nèi)部強(qiáng)化操作規(guī)程培訓(xùn)與實(shí)踐，可有效避免誤操作。

3.2 汽車采樣機(jī)硬件故障點(diǎn)

(1)汽車采樣機(jī)螺旋采樣頭的旋轉(zhuǎn)采用減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于此環(huán)節(jié)操作頻繁，使用頻率高，必須及時(shí)加油保養(yǎng)，易出現(xiàn)減速機(jī)損壞，但由于減速機(jī)與電機(jī)是定制一體機(jī)，必須配套，同時(shí)電機(jī)另側(cè)設(shè)制動(dòng)裝置，整體看是定制特殊設(shè)計(jì)，因此，為避免影響采樣，需備用整套螺旋采樣頭的旋轉(zhuǎn)減速電機(jī)。

(2)汽車采樣機(jī)采樣桶及旋轉(zhuǎn)定位裝置。從采樣桶本身看，重點(diǎn)是桶蓋密封良好，及時(shí)更換密封條，防止煤樣漏出；其次是桶在更新或備用時(shí)選用原裝圖紙制造，以避免桶形狀不同，而影響定位及正常使用。旋轉(zhuǎn)定位裝置使用一段時(shí)間后，會(huì)因設(shè)備磨損造成間隙增大，有“框量”，將裝置打在就地后進(jìn)行調(diào)整定位，調(diào)整好后，進(jìn)行自動(dòng)啟動(dòng)，這時(shí)的定位不一定恰好在正中位置，有偏差，因此需要反復(fù)調(diào)整摸索經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮減速機(jī)磨損后是否間隙過大。

(3)故障點(diǎn)的解決條件。由于橋式汽車采樣機(jī)的特殊性，采樣頭及驅(qū)動(dòng)在高空作業(yè)，出現(xiàn)故障看不見、探不著，因此頂部設(shè)檢修平臺(tái)，設(shè)備安裝時(shí)使用，還要考慮出現(xiàn)故障時(shí)具備檢修條件。

3.3 膠帶中部采樣機(jī)硬件故障點(diǎn)

膠帶中部采樣機(jī)屬機(jī)械化采樣系統(tǒng)，分七類設(shè)備，易出現(xiàn)故障點(diǎn)及解決措施見表1。

表1 中部采樣機(jī)故障點(diǎn)舉例

4 采樣機(jī)偏倚

根據(jù)GB/T 19494.3-2004《煤炭機(jī)械化采樣.第三部分：精密度測(cè)定和偏倚試驗(yàn)》最大允許偏倚(B)值，反映機(jī)械化采樣最大允許的系統(tǒng)誤差。2008年《煤炭學(xué)報(bào)》發(fā)表論文《煤炭采樣機(jī)偏倚試驗(yàn)中最大允許偏倚的研究》確定采樣機(jī)最大允許偏倚[5](表2)。

表2 采樣機(jī)最大允許偏倚

萬利一礦選煤廠經(jīng)資質(zhì)單位進(jìn)行整系統(tǒng)偏倚試驗(yàn)、總精密度評(píng)定、出料粒度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 萬利一礦選煤廠采樣機(jī)偏倚

4.1 外購(gòu)煤汽車橋式自動(dòng)采樣系統(tǒng)采樣與制樣準(zhǔn)確性

汽車橋式自動(dòng)采樣機(jī)通過旋轉(zhuǎn)的采樣頭在外購(gòu)煤煤車內(nèi)采取煤樣，煤樣經(jīng)破碎機(jī)破碎后轉(zhuǎn)入膠帶機(jī)，膠帶機(jī)中部安裝橫截面采樣刮料器，將刮取后的樣品通過破碎縮分至分析煤樣，外購(gòu)煤實(shí)現(xiàn)了采樣、制樣環(huán)節(jié)的自動(dòng)化。由大堆人工采樣轉(zhuǎn)化為自動(dòng)截面采樣，實(shí)現(xiàn)外購(gòu)煤車車采樣、制樣，全流程覆蓋，使外購(gòu)煤質(zhì)量檢測(cè)得到保證，其結(jié)果可作為結(jié)算依據(jù)?？偩芏扰c整系統(tǒng)偏倚符合GB/T 19494.3—2004《煤炭機(jī)械化采樣》要求，全水分損失與出料粒度符合DL/T747-2010《發(fā)電用煤機(jī)械采制樣裝置性能驗(yàn)收》要求。

4.2 發(fā)運(yùn)商品煤膠帶機(jī)中部采樣系統(tǒng)采樣與制樣準(zhǔn)確性

產(chǎn)品倉(cāng)內(nèi)的混煤、精煤產(chǎn)品采樣通過膠帶機(jī)中部機(jī)械化采樣系統(tǒng)分別采取，中部機(jī)械化采樣系統(tǒng)主要由初級(jí)采樣器、給料膠帶機(jī)、一級(jí)破碎機(jī)(對(duì)輥)、縮分膠帶機(jī)、二級(jí)破碎機(jī)(錘式)、旋轉(zhuǎn)縮分器、樣品收集器、棄料膠帶機(jī)、斗式提升機(jī)、回料膠帶機(jī)及電氣控制等組成。由膠帶機(jī)人工采樣轉(zhuǎn)化為自動(dòng)橫截面采樣，實(shí)現(xiàn)商品煤采樣、制樣環(huán)節(jié)規(guī)范化，全流程覆蓋，為外配煤提供參考，其結(jié)果可作為結(jié)算依據(jù)?？偩芏扰c整系統(tǒng)偏倚符合GB/T 19494.3—2004《煤炭機(jī)械化采樣》要求，全水分損失與出料粒度符合DL/T747-2010《發(fā)電用煤機(jī)械采制樣裝置性能驗(yàn)收》要求。

灰分偏倚主要影響因素：一是所采煤樣的性質(zhì)、粒度、均勻性，精煤采樣偏倚最小，其它洗煤產(chǎn)品采樣偏倚次之，原煤采樣偏倚最大。在貿(mào)易煤收購(gòu)上嚴(yán)格控制粒度及煤種，絕對(duì)不允許煤中摻配煤泥，否則堵采樣頭，使采樣偏倚嚴(yán)重。萬利一礦貿(mào)易煤粒度控制在50 mm以下，煤種上從熱值上控制從而避免收購(gòu)原煤形成偏倚最差。二是采樣頭的選擇，標(biāo)稱大于50 mm塊煤選擇采樣粒度大的采樣頭，如機(jī)械螺桿式、旋轉(zhuǎn)筒式。三是為降低靜止機(jī)械采樣縮分偏倚，縮分采用橫向煤流刮板，在破碎后設(shè)物料混勻整流裝置。

水分偏倚主要影響因素是采樣工藝與密封狀況，鑒于集樣桶及蓋、密封圈磨損嚴(yán)重，經(jīng)常采用電磁鐵啟蓋，若蓋過松，密封不嚴(yán)會(huì)導(dǎo)致水分流失；若蓋過緊，通過PLC程序蓋住后，程序認(rèn)為已蓋住，實(shí)際還蓋吸在電磁上，造成程序混亂。備用合理數(shù)量的桶蓋密封圈是保證密封的措施之一。

5 解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

5.1 外購(gòu)煤橋式汽車采樣機(jī)

(1)實(shí)現(xiàn)了車車采樣，樣品通過自動(dòng)采集縮分后進(jìn)入密封的采樣桶內(nèi)，通過專用工具開封后方可化驗(yàn)分析，規(guī)避了人工采樣操作弊端。

(2)實(shí)現(xiàn)了煤炭結(jié)算的精準(zhǔn)性，解決了人工采樣時(shí)結(jié)算誤差等問題，同時(shí)可作為仲裁煤樣為決策執(zhí)行提供參考。整個(gè)操作流程標(biāo)準(zhǔn)化，為精準(zhǔn)配煤提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

(3)省去人工采樣后破碎、縮分環(huán)節(jié)，直接化驗(yàn)分析煤樣，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。在人工采取堆樣時(shí)，拉煤車輛卸車，存在人員安全隱患問題。

5.2 商品煤膠帶機(jī)中部采樣機(jī)

(1)人員通過鐵鍬采集車廂表皮煤樣，受顆粒離散度影響，靠近車廂頂端散落的產(chǎn)品塊度大，采樣時(shí)采取的煤樣不能代表整批煤的質(zhì)量，與用戶化驗(yàn)指標(biāo)差距較大。

(2)按照設(shè)定的時(shí)間間隔和樣品子樣數(shù)量，連續(xù)從裝車膠帶機(jī)煤流中截取橫截面，煤樣具有代表性，能夠反映整批次煤樣的質(zhì)量。

(3)縮小與用戶化驗(yàn)指標(biāo)差距，可作為結(jié)算依據(jù)。

(4)火車人工采樣存在安全隱患，避免了人員繁重的體力勞動(dòng)。

6 推廣應(yīng)用成效

橋式汽車采樣機(jī)與膠帶中部采樣機(jī)完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，可通過預(yù)先設(shè)定好的國(guó)標(biāo)采樣方式采取，整個(gè)采樣、制樣環(huán)節(jié)不受人員干擾，實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程標(biāo)準(zhǔn)化，采取的煤樣具體代表性，能反映整個(gè)批次的煤炭質(zhì)量，可做為結(jié)算或仲裁依據(jù)，規(guī)避了人工采樣存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

(1)誤差與用戶比對(duì)差值較小，區(qū)內(nèi)商品煤結(jié)算由用戶結(jié)果逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檫x煤廠采樣、化驗(yàn)結(jié)果結(jié)算。

(2)當(dāng)煤質(zhì)發(fā)生變動(dòng)時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并調(diào)整配煤比例，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配煤，波動(dòng)趨于平穩(wěn)，為決策提供參考依據(jù)。

7 結(jié) 語

自動(dòng)采樣系統(tǒng)的投用，保證了商品煤質(zhì)量的檢測(cè)準(zhǔn)確性，使煤質(zhì)管理更加科學(xué)規(guī)范；平均誤差與用戶對(duì)比檢測(cè)結(jié)果對(duì)比誤差在指標(biāo)要求范圍內(nèi)，能夠反映整批商品煤的質(zhì)量，檢測(cè)結(jié)果可作為計(jì)算依據(jù)，同時(shí)，也是自動(dòng)化、智能化的發(fā)展方向。