城郊煤礦選煤廠自動(dòng)化及系統(tǒng)優(yōu)化研究與應(yīng)用

徐世輝，郭立欣

河南能源化工集團(tuán)永煤公司城郊煤礦 河南永城 476600

城 郊煤礦選煤廠隸屬于河南能源化工集團(tuán)永煤公司，為礦井型選煤廠，現(xiàn)處理能力達(dá)到 500萬 t/a。該廠現(xiàn)采用塊煤斜輪分選、末煤有壓兩產(chǎn)品重介旋流器分選、粗煤泥 TBS 分選、煤泥浮選聯(lián)合工藝流程。入選原煤為無煙煤，主要產(chǎn)品有洗中塊、洗小塊、洗小粒、末精煤和末原煤。

隨著集團(tuán)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高和生產(chǎn)成本的嚴(yán)格控制，要求城郊煤礦深挖潛力，降低生產(chǎn)成本，提高選煤廠自動(dòng)化及系統(tǒng)優(yōu)化水平。

1 自動(dòng)化及系統(tǒng)優(yōu)化問題的提出

城郊煤礦選煤廠自建廠以來，經(jīng)過幾次的設(shè)計(jì)改造，均將生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量作為主要關(guān)注對(duì)象，對(duì)其他環(huán)節(jié)關(guān)注度不夠。選煤廠建廠已久，部分設(shè)備工藝沒有跟上科技的進(jìn)步，全員效率還有待提高[1]，自動(dòng)化及系統(tǒng)優(yōu)化水平較低，具體表現(xiàn)在以下方面。

(1) 人工調(diào)節(jié)給煤量 原煤倉下振動(dòng)給煤機(jī)需要專人看管，給煤機(jī)的運(yùn)行情況和給煤量需要實(shí)時(shí)觀察和調(diào)節(jié)，包括閘板開度、給煤機(jī)的啟停、溜槽疏通等。工人要連續(xù)值守才能保證給煤機(jī)正常穩(wěn)定的運(yùn)行，一旦給煤機(jī)下料溜槽堵塞，需要人工疏通。閘板給料全靠人力調(diào)節(jié)，難以實(shí)現(xiàn)精確控制。

(2) 人工監(jiān)測(cè)產(chǎn)品轉(zhuǎn)載過程 選煤廠的輸送帶、刮板等的檢修與維護(hù)量大。刮板輸送機(jī)依靠工人巡崗檢查和專業(yè)工人上崗檢查維修，無法實(shí)時(shí)監(jiān)控；在生產(chǎn)過程中還會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)牙、斷鏈、跳鏈等現(xiàn)象，影響安全生產(chǎn)；帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度長(zhǎng)，依靠人力巡檢監(jiān)測(cè)運(yùn)行及溜槽情況，效率低。

(3) 機(jī)電設(shè)備多 選煤廠設(shè)備眾多，而現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)并不完善，需要崗位工現(xiàn)場(chǎng)查崗，同時(shí)也加重了機(jī)電車間的任務(wù)，傳統(tǒng)的檢修方法難以保證設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)。

(4) 外運(yùn)裝車存在自動(dòng)控制盲點(diǎn) 外運(yùn)裝車是選煤廠自動(dòng)控制的盲點(diǎn)，機(jī)械化、自動(dòng)化程度偏低，職工勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)環(huán)境惡劣，煤塵等一系列因素影響職工的身體健康。此外，人工清理車廂、平車、修復(fù)外脹車廂，勞動(dòng)量大，不僅耗時(shí)費(fèi)工，效率低，而且不利于人力資源的優(yōu)化配置。

針對(duì)上述問題，城郊煤礦選煤廠開展自動(dòng)化及系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究，從而達(dá)到節(jié)能降耗、減人增效的目的[2]。

2 研究與應(yīng)用過程

2.1 生產(chǎn)過程自動(dòng)化及系統(tǒng)優(yōu)化

2.1.1 優(yōu)化工藝

為適應(yīng)市場(chǎng)和擴(kuò)能需求，城郊煤礦選煤廠新建了一套處理能力為 174.78 t/h 的塊煤車間，用于洗選大塊煤，但因擴(kuò)能后“大馬拉小車”現(xiàn)象較多，部分選煤瓶頸問題凸顯，使得部分設(shè)備的性能沒有得到充分發(fā)揮，間接造成噸煤成本仍然較高。針對(duì)瓶頸環(huán)節(jié)進(jìn)行改造，合理優(yōu)化工藝配置，釋放產(chǎn)能，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及系統(tǒng)優(yōu)化打好基礎(chǔ)。

(1) 將主井至原煤車間輸送帶的速度由 1.6 m/s 提高到 2.4 m/s，大幅度提高了處理能力。

(2) 優(yōu)化工藝質(zhì)量流程，合理分配塊煤車間與洗煤車間的處理量，將其分級(jí)粒度由 55 mm 降低至 37 mm，提高了進(jìn)入塊煤車間的處理量，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)滿負(fù)荷均衡生產(chǎn)。

(3) 改造末煤重介系統(tǒng)。將 4 臺(tái)φ710 mm 末煤重介旋流器更換為 840 mm 旋流器，對(duì) 4 臺(tái)末精煤脫介篩及弧形篩擴(kuò)能改造，釋放重介系統(tǒng)產(chǎn)能，處理能力提高 100 t/h 左右，進(jìn)一步提高處理能力和分選效果。

通過以上措施，選煤廠的處理能力真正實(shí)現(xiàn)了900 t/h 的設(shè)計(jì)目標(biāo)，全廠噸煤電耗也大幅度降低。

2.1.2 依據(jù)原煤質(zhì)量變化調(diào)節(jié)生產(chǎn)

(1) 將原振動(dòng)給煤機(jī)改為帶式給煤機(jī)，將閘板改為遠(yuǎn)程遙控，能夠較好地控制給煤量。通過遠(yuǎn)程控制閘板開度和給煤機(jī)無級(jí)變速機(jī)的轉(zhuǎn)速，來調(diào)節(jié)輸送帶的運(yùn)行速度，從而控制給料量。

(2) 在原煤輸送帶上安裝灰分儀和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過兩者結(jié)合綜合判斷可選性和矸石量的變化。矸石量增大，可選性變差，必須降低處理能力，調(diào)節(jié)入選量后，再根據(jù)精煤質(zhì)量和其他生產(chǎn)情況進(jìn)行適量調(diào)節(jié)。

(3) 在洗選關(guān)鍵崗位加裝 LED 大屏，實(shí)時(shí)顯示灰分儀、核子秤、流量計(jì)等各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立煤質(zhì)洗選實(shí)時(shí)預(yù)警聯(lián)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)入選、配煤、入洗所有流程聯(lián)動(dòng)操作，提高全廠生產(chǎn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，將礦井提煤煤質(zhì)波動(dòng)對(duì)全廠煤炭洗選的影響降至最低，保證各產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)在達(dá)標(biāo)范圍內(nèi)，并提高全廠煤炭洗選的生產(chǎn)效率。

2.1.3 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定自動(dòng)化控制

(1) 城郊選煤廠末精煤主要由浮選精煤、重介精煤、TBS 生產(chǎn)的粗煤泥精煤、離心液經(jīng)分級(jí)旋流器回收的煤泥 4 部分組成。在上倉產(chǎn)品輸送機(jī)給料端安裝水分測(cè)定儀，同時(shí)根據(jù)各精煤的水分組成估算末煤的水分，使末精煤產(chǎn)品的含水率控制在 8.8% 左右，接近 9% 產(chǎn)品要求[3]。而末原煤是按照發(fā)熱量計(jì)價(jià)，在末原煤灰分一定的情況下，升高一個(gè)水分相當(dāng)于降低了 66 cal，提高一個(gè)灰分相當(dāng)于降低了 87 cal。利用該智能水分控制系統(tǒng)也可起到穩(wěn)定發(fā)熱量的目的[4]。

(2) 在分級(jí)旋流器底流泵安裝可遠(yuǎn)程控制的變頻器，在分級(jí)旋流器入口安裝壓力傳感器測(cè)定壓力，并將壓力信號(hào)傳遞給分級(jí)旋流器壓力穩(wěn)定控制儀。將實(shí)時(shí)信號(hào)與壓力設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，由壓力穩(wěn)定控制儀發(fā)出信號(hào)，通過變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)旋流器入料泵的流量，達(dá)到穩(wěn)定旋流器壓力的目的，從而減少旋流器底流夾細(xì)，穩(wěn)定末精煤質(zhì)量。

(3) 針對(duì)末原煤發(fā)熱量波動(dòng)較大問題，建立高發(fā)熱量末原煤與低發(fā)熱量中煤摻配系統(tǒng)。根據(jù)末原煤灰分儀發(fā)出的信號(hào)自動(dòng)控制低發(fā)熱量中煤的摻配量，以自動(dòng)改善末原煤質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了低發(fā)熱量中煤摻配的連續(xù)性和均勻性，從而達(dá)到末原煤銷售效益的最大化。

2.2 集中控制與區(qū)域集控

為應(yīng)對(duì)近年來選煤廠人員流失嚴(yán)重、招工困難、用人緊張的局面，城郊煤礦選煤廠提出了“集中控制與區(qū)域集控走崗操作”的管理模式。

2.2.1 區(qū)域集控室的建設(shè)

在原有集控室的基礎(chǔ)上，新增 7 個(gè)區(qū)域集控室。區(qū)域集控室與廠集控室的功能一樣，包括視頻監(jiān)控、問題干擾和現(xiàn)場(chǎng)操作，只是管轄范圍為各自所負(fù)責(zé)的區(qū)域。目前全廠 7 個(gè)區(qū)域視頻監(jiān)控分別為原煤集中控制監(jiān)控、塊煤集中控制監(jiān)控、主洗集中控制監(jiān)控、濃縮集中控制監(jiān)控、壓濾集中控制監(jiān)控、產(chǎn)品倉集中控制監(jiān)控和裝運(yùn)集中控制監(jiān)控，明確了各自區(qū)域視頻監(jiān)控管轄范圍、職責(zé)和與廠調(diào)度室的關(guān)系。

2.2.2 廠集控監(jiān)控系統(tǒng)擴(kuò)容改造

在原有的智能球形攝像儀 (37 套)、配電室監(jiān)控(15 套)、現(xiàn)場(chǎng)放射源監(jiān)控 (13 套) 等的基礎(chǔ)上，新增加了包括智能球形攝像儀、防爆形攝像儀和自動(dòng)光圈固定高清攝像儀等 42 套監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全廠范圍內(nèi)區(qū)域全覆蓋。現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控圖像進(jìn)入位于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)箱內(nèi)的小型 8 路一分二的視頻分配器，一路通過視頻光端機(jī)把視頻圖像傳輸至調(diào)度室，另一路通過視頻光端機(jī)把視頻圖像傳輸?shù)絽^(qū)域集控監(jiān)控室。

2.2.3 新增各種檢測(cè)儀表

在選煤廠關(guān)鍵部分安裝液位計(jì)、壓力表 (旋流器入料、加壓過濾機(jī)、壓濾機(jī)、各種風(fēng)包等)、流量計(jì)(旋流器給料量、淺槽介質(zhì)循環(huán)量、浮選入料量、循環(huán)水等)、濃度計(jì) (浮選入料、濃縮機(jī)底流、循環(huán)水、各介質(zhì)系統(tǒng)中的磁性物含量和非磁性物含量)、在線灰分儀、皮帶秤等，并把測(cè)量信號(hào)傳輸至廠集中控制室和區(qū)域集控室。

2.2.4 區(qū)域集控遠(yuǎn)程操作

在所有的輸送帶和刮板機(jī)上安裝保護(hù)裝置和溜槽防堵塞檢測(cè)裝置。對(duì)全廠經(jīng)常需要開關(guān)和調(diào)節(jié)的部位全部更換為可遠(yuǎn)程操控的液壓或電動(dòng)閥門，如原煤倉下給煤機(jī)改為遠(yuǎn)程遙控，洗煤各輸送帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)的機(jī)尾翻板改為電動(dòng)控制，產(chǎn)品倉上入倉卸料小車改為雷達(dá)料位計(jì)測(cè)距自動(dòng)卸料，裝車放煤插板改為電液動(dòng)并由崗位司機(jī)使用液晶觸摸屏控制，有效促進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無人值守。這些閥門不僅能在現(xiàn)場(chǎng)操控，還可在區(qū)域集控監(jiān)控室和廠集控室進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，大大減少了工人數(shù)量。

2.3 裝車過程自動(dòng)化

裝車過程包括車輛牽引與裝車過程的配合、車廂清洗、定量裝車、平車、火車外脹修復(fù)等環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)由于存在空間位置的變化、局部變化、不確定因素的變化，要求快速準(zhǔn)確達(dá)到、迅速裝車?；疖囋谶x煤廠停留有嚴(yán)格的裝車時(shí)間限制，按照規(guī)定的車廂節(jié)數(shù)設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間外按小時(shí)收取裝車延時(shí)費(fèi)用。目前大部分選煤廠采用大量的人工裝車，機(jī)械化與自動(dòng)化水平偏低，職工勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)系數(shù)大。為此，城郊煤礦選煤廠開展了裝車過程自動(dòng)化研究[5]。

2.3.1 自動(dòng)清洗風(fēng)干車廂

裝車前為了減少原車箱殘留的雜質(zhì)，如水泥、黃沙、石粉等對(duì)精煤產(chǎn)品的污染，必須對(duì)車廂進(jìn)行清理，選煤廠采用了水力自動(dòng)清洗、風(fēng)力干燥車廂的方法。

(1) 自動(dòng)沖洗車廂系統(tǒng) 由泵將沖洗水 (3 級(jí)凈化后的水) 送至位于裝車的 2 道、3 道鐵路上方，距離產(chǎn)品倉約 500～ 800 m 的高壓噴水槍頭，通過裝運(yùn)車間的區(qū)域集控監(jiān)控室的遠(yuǎn)程操作噴槍沖洗車廂。沖洗后的污泥水通過三級(jí)閉路循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行凈化，凈化后的水繼續(xù)作為沖洗用水。

(2) 自動(dòng)干燥車廂系統(tǒng) 為排出自動(dòng)沖洗后車廂內(nèi)殘留的水對(duì)產(chǎn)品水分的影響，自行設(shè)計(jì)了風(fēng)力自動(dòng)干燥車廂系統(tǒng)。利用高壓風(fēng)將車廂底部殘留的水吹走，達(dá)到干燥車廂的目的。

(3) 三級(jí)閉路循環(huán)系統(tǒng) 為避免沖車污水造成的環(huán)境污染，建立了車廂沖車用水三級(jí)閉路循環(huán)凈化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了沖車污水的零排放。

2.3.2 創(chuàng)新裝車技術(shù)

(1) 原來塊煤由放煤溜槽直接進(jìn)入火車，裝煤高度落差比較大，塊煤破碎嚴(yán)重，塊煤限下率經(jīng)常超標(biāo)。為此，設(shè)計(jì)安裝了“合頁”式液壓給煤裝置，即在放煤溜槽上安裝一個(gè)液壓閘門，在溜槽放煤時(shí)，通過閉合液壓裝置，中塊先在放煤溜槽中儲(chǔ)存，然后緩慢放開液壓閘門，使中塊以滑落的方式裝車，最大限度地減少塊煤的破碎，同時(shí)降低了給料速度，使給料更加均勻。

(2) 裝車明確規(guī)定外運(yùn)煤裝車高度要控制在冒出車廂 10 cm 以下，不得超高，且車幫及車輛連接處撒煤要清掃干凈等。為此，自行設(shè)計(jì)制造了振動(dòng)平煤器，其原理是振動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)平煤板將煤在豎直方向上震動(dòng)夯實(shí)，在水平方向上與 W 型平煤器一起做二次平整，工字鋼固定裝置在兩側(cè)鋼絲繩滑道上上下滑動(dòng)，起到緩沖作用。振動(dòng)平煤器不用時(shí)可提升至高處。

(3) 火車裝煤后一些車廂會(huì)出現(xiàn)外脹現(xiàn)象，一般采用人工對(duì)其修復(fù)。為了提高裝車速度，滿足列車快進(jìn)快出的要求，自行設(shè)計(jì)了火車外脹液壓修復(fù)裝置。當(dāng)車廂由于物料堆積、擠壓而產(chǎn)生外脹變形時(shí)，把校正裝置平放到變形車廂的上邊緣，啟動(dòng)液壓站，通過控制操作閥伸開液壓缸推桿，將 2 個(gè)方形掛鉤鉤住車廂兩側(cè)邊緣，然后由操作閥控制液壓缸伸縮，使變形的車廂向內(nèi)拉緊，從而得到校正恢復(fù)。

2.3.3 裝車過程自動(dòng)化控制

(1) 在裝車樓設(shè)置區(qū)域集控和視頻監(jiān)控室，將整個(gè)裝車過程的控制和視頻監(jiān)控全部接入該區(qū)域集控和視頻監(jiān)控室，便于操作人員全面掌握現(xiàn)場(chǎng)情況。

(2) 在裝車區(qū)域集控室內(nèi)架設(shè)獨(dú)立 PLC 子站，使用觸摸屏與 PLC 子站連接起來組成控制系統(tǒng)。將裝運(yùn)車間二樓 19 臺(tái)振動(dòng)給煤機(jī)更換為液壓插板，并附加限位開關(guān)及監(jiān)控?cái)z像頭，所有生產(chǎn)設(shè)備控制信號(hào)接入操作房 PLC 子站，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)接入裝車操作房?jī)?nèi)顯示屏。

(3) 編制程序建立液壓插板與供煤輸送帶、裝車斗子的互相閉鎖關(guān)系，提升裝車安全系數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)整液壓插板開關(guān)量，從而調(diào)節(jié)供煤量；監(jiān)控、啟動(dòng)供煤輸送帶供煤；監(jiān)控、控制裝車斗為外運(yùn)煤裝車。

3 實(shí)施效果

(1) 洗選系統(tǒng)根據(jù)不同煤質(zhì)自動(dòng)調(diào)節(jié)入洗量及配煤量，在保障精煤質(zhì)量和效率的前提下，最大限度地提高了洗選系統(tǒng)的處理能力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、減人提效的目的。

(2) 實(shí)現(xiàn)以小集控為區(qū)域中心的集生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、生產(chǎn)設(shè)備選擇性啟停與操控、故障應(yīng)急報(bào)警功能為一體的集約化自動(dòng)控制單元系統(tǒng)，替代原來崗位司機(jī)的操作。

(3) 對(duì)裝運(yùn)車間進(jìn)行自動(dòng)化改造，裝車效率提高30% 以上，人員減少 50%。

(4) 實(shí)現(xiàn)全廠自動(dòng)化及系統(tǒng)優(yōu)化改造，減少人力消耗，人員減少 60 人，末精煤產(chǎn)率提高，塊精煤限下率明顯降低，產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益 2 000 余萬元。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

(1) 建立煤質(zhì)洗選實(shí)時(shí)預(yù)警聯(lián)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，提高全廠煤炭洗選的生產(chǎn)效率。自行設(shè)計(jì)了智能水分控制儀，產(chǎn)品水分穩(wěn)定且接近用戶要求，末精煤平均含水率由 8.0% 提高到近 8.8%。2020 年原煤入洗量為 350 萬t，末精煤回收率為 60%，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益約為 1 512 萬元。

(2) 應(yīng)用“集中控制與區(qū)域集控走崗操作”管理模式，提高了員工的責(zé)任感和工作效率，減少了檢修時(shí)間。全年影響生產(chǎn)時(shí)間同比減少 500 min，車間人員減少了 20 人/班，直接效益約為 432 萬元/a。

(3) 應(yīng)用快速裝車系統(tǒng)，每個(gè)班減少 5 人，年減少材料消耗約 15 萬元，年節(jié)省裝車延時(shí)費(fèi)用約 50 萬元。此外，設(shè)計(jì)了“合頁”式液壓給煤裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的同時(shí)，降低了塊煤破碎率，塊煤率提高了 1個(gè)百分點(diǎn)，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益約為 350 萬元。

綜上所述，通過自動(dòng)化和系統(tǒng)優(yōu)化，每年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為 2 294 萬元，實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益還包括因降低動(dòng)力消耗、藥劑消耗及介質(zhì)消耗等所產(chǎn)生的效益。

5 結(jié)語

城郊煤礦選煤廠通過自動(dòng)化及系統(tǒng)優(yōu)化的研究與應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。提高選煤廠自動(dòng)化水平符合我國(guó)目前減人增效的國(guó)有企業(yè)改革思路，對(duì)于降低選煤生產(chǎn)成本起到顯著作用。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中煤炭占有大部分，未來幾十年對(duì)煤炭的需求量依然很大，煤炭的入選比例還會(huì)進(jìn)一步增加，選煤廠的自動(dòng)化可確保各設(shè)備處于最佳的工作狀態(tài)，可以節(jié)約大量的寶貴資源，對(duì)行業(yè)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。