魯奇爐灰渣自動(dòng)取樣和拍照設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用

李劍川，湛指神

（1.天脊煤化工集團(tuán)股份有限公司，山西 長(zhǎng)治047507；2.山西星楓智控科技有限公司，山西 太原030002）

目前，魯奇煤氣化爐對(duì)灰渣的取樣和觀察都是由人工在現(xiàn)場(chǎng)完成，工作條件惡劣，工作量大，亟需進(jìn)行智能化和自動(dòng)化改進(jìn)。本文介紹了一種魯奇爐灰渣自動(dòng)取樣和拍照設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用情況，采用該設(shè)備來替代人工取渣，利用智能識(shí)別取代人工觀察灰渣，提高了工作效率，改善了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，也減少了人工識(shí)別的誤差。

1 魯奇爐智能自動(dòng)化改進(jìn)的必要性

1.1 魯奇爐的結(jié)構(gòu)

魯奇爐是典型的工業(yè)化煤氣化爐型之一，是德國(guó)魯奇煤和石油技術(shù)公司在1926年開發(fā)的一種加壓移動(dòng)床煤氣化設(shè)備，特點(diǎn)是煤和氣化劑（蒸汽和氧氣）在爐中逆流接觸，煤在爐中停留時(shí)間1 h～3 h，氣化爐壓力2.0 MPa～3.0 MPa，適宜于氣化活性較高、粒徑3 mm～30 mm的褐煤、弱黏結(jié)性煤等。魯奇爐基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 魯奇爐結(jié)構(gòu)示意圖

魯奇爐爐體由耐熱鋼板制成，水夾套副產(chǎn)蒸汽。煤自上而下移動(dòng)，先后經(jīng)歷干燥、干餾、氣化、部分氧化和燃燒等幾個(gè)區(qū)域，最后變成灰渣，由轉(zhuǎn)動(dòng)爐柵排入灰斗，再減至常壓排出。氣化劑則由下而上通過煤床，在部分氧化和燃燒區(qū)與該區(qū)的煤反應(yīng)放熱，達(dá)到最高溫度點(diǎn)并將熱量提供氣化、干餾和干燥用。粗煤氣最后從爐頂引出。煤層最高溫度點(diǎn)必須控制在煤的灰熔融性溫度以下，煤的灰熔融性溫度的高低決定了氣化劑中H2O、O2比例的大小。高溫區(qū)的氣體中含有CO2、CO和蒸汽，進(jìn)入氣化區(qū)進(jìn)行吸熱氣化反應(yīng)，再進(jìn)入干餾區(qū)，最后通過干燥區(qū)出爐。

1.2 魯奇爐智能自動(dòng)化改進(jìn)的必要性

魯奇爐內(nèi)的溫度不可以直接測(cè)量，在實(shí)際生產(chǎn)過程中都是通過觀察灰渣的顏色、形態(tài)和大小等來輔助判斷爐內(nèi)溫度的高低，以便調(diào)整魯奇爐的爐篦轉(zhuǎn)速[1]和汽氧比，因此對(duì)灰渣進(jìn)行取樣和觀察是工藝操作中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)[2]。由于魯奇爐建造時(shí)工業(yè)和設(shè)備研發(fā)制造能力偏弱，所以一直采用人工取樣和觀察。

魯奇爐人工取灰渣示意圖如圖2所示。在灰鎖的下方有豎灰管，在豎灰管的縮徑位置，開孔伸入一個(gè)直徑為200 mm的碳鋼管作為人工取灰渣管，該管向上傾斜45 °，朝上的口為水平開口，以增大截面積。在該取灰渣管的下口，則是人工取灰渣的位置。取灰渣時(shí)，需要人工打開取灰渣管下口的盲板，將堆積在取灰渣管里面的結(jié)塊灰渣疏通后，才能進(jìn)行灰渣取樣，且每班每小時(shí)需要取樣一次，多臺(tái)爐子都需要疏通，工作量較大；疏通后等待幾分鐘，待新的灰渣落下，然后人工收集灰渣。此過程環(huán)境中灰塵較大，同時(shí)灰渣倒在地上，最后還需要人工將灰渣收集至小車上，倒入渣溝。

圖2 魯奇爐人工取灰渣示意圖

在上述人工取灰渣和觀察灰渣過程中，缺點(diǎn)非常明顯：生產(chǎn)效率低，工人勞動(dòng)環(huán)境惡劣，影響身體健康。由灰渣自動(dòng)取樣和拍照設(shè)備來替代人工取渣，問題可以迎刃而解。

2 灰渣自動(dòng)取樣和拍照設(shè)備

2.1 取樣和拍照流程

魯奇爐灰渣自動(dòng)取樣和拍照設(shè)備示意圖見圖3。

圖3 魯奇爐灰渣自動(dòng)取樣和拍照設(shè)備示意圖

在魯奇爐豎灰管的下方開口，斜向上45 °伸入直徑為200 mm的無縫鋼管，為引灰渣管。在下灰管道落下灰渣的時(shí)候，通過引灰渣管自動(dòng)取出一部分灰渣到取樣設(shè)備的筒體內(nèi)，此時(shí)自動(dòng)化翻板翻轉(zhuǎn)，關(guān)閉向下排放的通道，使得灰渣落在翻板的表面，然后水霧化噴嘴進(jìn)行噴水，捕捉筒體內(nèi)部的灰塵，1 min后打開自動(dòng)開關(guān)板，相機(jī)裝置進(jìn)行拍照，成像后傳送到智能控制系統(tǒng)的服務(wù)器，然后進(jìn)行智能識(shí)別分析。魯奇爐灰渣自動(dòng)取樣和拍照設(shè)備全過程均為PLC控制，全自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)上述功能。

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

2.2.1 引灰渣管

引灰渣管的作用是將豎灰管的灰渣引入到取樣設(shè)備中，其思路來源是原有的人工取灰渣口。管子直徑設(shè)計(jì)要大于灰渣最大直徑1.5倍以上，防止灰渣卡塞；管子的傾斜角度為45 °，有利于灰渣的落下；材質(zhì)選擇碳鋼，根據(jù)原來的下灰管材質(zhì)來確定，避免酸堿性腐蝕。

2.2.2 筒體

筒體的作用是給引灰渣管下來的灰渣提供一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中要進(jìn)行噴水處理，清理灰渣表面的浮灰，以免影響拍照效果。筒體的高度設(shè)計(jì)需滿足相機(jī)的最佳拍照范圍，直徑設(shè)計(jì)大于灰渣直徑的2倍。筒體的受壓為常壓。

2.2.3 自動(dòng)化翻板

自動(dòng)化翻板的作用是翻轉(zhuǎn)后形成一個(gè)筒體的底面，灰渣會(huì)在底面堆積。自動(dòng)化翻板再次翻轉(zhuǎn)，翻板豎直向下，灰渣下落到排灰管。自動(dòng)化翻板在PLC的控制下與DCS系統(tǒng)的煤灰鎖程序進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)收集灰渣和排放灰渣。

2.2.4 水霧化系統(tǒng)

水霧化系統(tǒng)由管道、氣動(dòng)閥門以及水霧化噴嘴等構(gòu)成，其作用是在一定空間形成霧化水，覆蓋并清理掉灰塵，同時(shí)清理灰渣的表面，該過程在自動(dòng)化翻板收集灰渣后，由水霧化噴嘴噴水1 min實(shí)現(xiàn)。

2.2.5 相機(jī)裝置

相機(jī)裝置是智能識(shí)別的重要組成部分，其作用是對(duì)灰渣進(jìn)行拍照，采集到照片信息后上傳至智能控制系統(tǒng)；相機(jī)裝置采集的照片的清晰度影響著智能識(shí)別率。相機(jī)裝置位于筒體的上方，在噴水后，自動(dòng)開關(guān)板打開，然后進(jìn)行拍照。

2.3 智能識(shí)別系統(tǒng)

智能識(shí)別系統(tǒng)的目的是代替人工觀察灰渣，識(shí)別灰渣的情況。智能識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)是識(shí)別效率高、有記錄、反饋準(zhǔn)確。

3 自動(dòng)設(shè)備的三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真分析

3.1 三維建模

三維設(shè)計(jì)軟件可有效地提高設(shè)計(jì)效率[3]。在思維中構(gòu)思的三維結(jié)構(gòu)，可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)建模。在魯奇爐灰渣自動(dòng)取樣和拍照設(shè)備構(gòu)思完成后，利用計(jì)算機(jī)三維軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)尺寸的三維建模。魯奇爐灰渣自動(dòng)取樣和拍照設(shè)備三維模型如圖4所示。三維建模仿真能直觀地顯示設(shè)備的外形尺寸和零部件的大小，同時(shí)方便更改零部件之間的配合。

圖4 魯奇爐灰渣自動(dòng)取樣和拍照設(shè)備三維模型

三維模型建立后，錯(cuò)誤或偏差直觀可見，提高了修改、設(shè)計(jì)的效率，減少了不必要的生產(chǎn)制造，節(jié)約了資源，同時(shí)降低了試驗(yàn)階段的成本。

3.2 運(yùn)動(dòng)仿真分析

運(yùn)動(dòng)仿真一方面能讓非設(shè)計(jì)人員更好地了解設(shè)備的工作原理及其外形尺寸，另一方面可以讓設(shè)計(jì)人員直觀地觀察零部件的配合尺寸，檢查零部件設(shè)計(jì)是否合理。

在建立三維模型后，將相關(guān)的零部件進(jìn)行配合，增加面對(duì)齊、軸心對(duì)齊、齒輪面配合以及距離尺寸等。將所需要的氣缸加入設(shè)備中，添加距離尺寸。根據(jù)灰渣自動(dòng)取樣和拍照設(shè)備的工作原理，灰渣進(jìn)入設(shè)備后，自動(dòng)化翻板翻轉(zhuǎn)在水平狀態(tài)，等到第一階段灰渣下落結(jié)束，水霧化系統(tǒng)開始進(jìn)行噴水，捕捉筒體內(nèi)部的灰塵、清理灰渣表面的浮灰，在噴水完成后打開自動(dòng)開關(guān)板，相機(jī)裝置拍照后關(guān)閉自動(dòng)開關(guān)板，自動(dòng)化翻板翻轉(zhuǎn)朝下，整個(gè)過程結(jié)束。通過制作相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)算例，將筒體進(jìn)行透明化，可以直觀地了解自動(dòng)化設(shè)備內(nèi)部情況。

4 灰渣自動(dòng)取樣和拍照設(shè)備的應(yīng)用實(shí)踐

近兩年來，為了進(jìn)一步提高煤炭的利用率，降低中壓蒸汽的消耗，增加企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，天脊集團(tuán)選擇氣化爐為切入點(diǎn)，利用最新的自動(dòng)化和人工智能技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造。

2019年8月，天脊集團(tuán)為3#魯奇爐研制和安裝了灰渣自動(dòng)取樣和拍照設(shè)備。該設(shè)備與DCS系統(tǒng)中的自動(dòng)排灰程序聯(lián)動(dòng)，在每次排灰的時(shí)候能自動(dòng)取一部分灰渣進(jìn)行拍照。3#爐平均每小時(shí)排灰一次，由于渣溝較淺，為了防止排灰的時(shí)候堵塞渣溝，每次排灰需要打開灰鎖下閥10次左右才能將灰鎖中的灰渣排完。因此，該灰渣自動(dòng)取樣和拍照設(shè)備在每班8 h的工作過程中能夠收集大約80張的灰渣照片，為后續(xù)的人工智能識(shí)別積累了大量的素材，與人工每班一次的取渣和觀察過程相比，取渣的效率和質(zhì)量有了很大提高。

該設(shè)備安裝以后，基本運(yùn)行正常，但是試運(yùn)行過程中也暴露出該設(shè)備存在的一些缺點(diǎn)，尤其是引灰渣管經(jīng)常發(fā)生堵塞。造成引灰渣管堵塞的原因主要有兩點(diǎn)：一方面是有時(shí)候排下的灰渣尺寸較大，或者含水量過高，導(dǎo)致灰渣流動(dòng)性變差，容易堵塞管道；另一方面是灰渣在下落過程中對(duì)引灰渣管形成的沖擊力較大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后管道逐漸變形，使得灰渣的流動(dòng)變得更困難。

5 結(jié) 語

魯奇爐灰渣自動(dòng)取樣和拍照設(shè)備經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，體現(xiàn)了其可行性和必要性。該設(shè)備替代了繁瑣的工作、改善了現(xiàn)場(chǎng)工作條件，使魯奇爐的生產(chǎn)運(yùn)行更加安全穩(wěn)定，同時(shí)可以將灰渣的情況及時(shí)傳輸?shù)街醒肟刂剖一蛘咧悄芟到y(tǒng)，以便調(diào)整爐篦轉(zhuǎn)速和汽氧比，提高了生產(chǎn)和管理的效率。