煤炭堆場(chǎng)智能水幕系統(tǒng)灑水設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

王洪賓，馬光輝，汪大春，劉 林

(國(guó)能黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，河北 滄州 061100)

煤炭是中國(guó)的主體能源，2019年全國(guó)原煤產(chǎn)量達(dá)39.7億t，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。煤炭清潔高效利用技術(shù)已經(jīng)有了巨大進(jìn)步，但是在煤炭生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝卸和堆存過(guò)程中面臨的污染問(wèn)題仍然對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅。煤粉塵的污染防治是煤炭生產(chǎn)企業(yè)面臨的重大問(wèn)題之一，露天堆場(chǎng)起塵原因復(fù)雜，治理難度大。目前，國(guó)內(nèi)外為控制露天煤炭堆場(chǎng)的煤塵污染通常采用防塵布料苫蓋、噴槍灑水抑塵、建設(shè)防風(fēng)網(wǎng)、封閉式堆場(chǎng)和筒倉(cāng)等措施，然而這些抑塵方式受限于生產(chǎn)工藝，不適用于大型露天儲(chǔ)煤堆場(chǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的灑水抑塵，未能從根本上解決粉塵污染問(wèn)題。

苫蓋抑塵是指采用苫蓋材料對(duì)貨物進(jìn)行遮蓋，以減少光照、雨雪、風(fēng)等外界環(huán)境因素對(duì)貨物的影響，防止揚(yáng)塵污染。防塵布料苫蓋可以遮光和防止暴雨直接沖刷，達(dá)到降溫、防風(fēng)、抑塵的效果。然而，該作業(yè)方式需投入大量的勞動(dòng)力，人工攀爬煤垛存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)苫布材料露天暴曬容易老化，材料本身造成二次污染，頻繁更換運(yùn)行費(fèi)用高；苫蓋工序復(fù)雜，嚴(yán)重制約高周轉(zhuǎn)煤種的生產(chǎn)效率；存在無(wú)法抑制作業(yè)中揚(yáng)塵的缺點(diǎn)。防風(fēng)網(wǎng)結(jié)合噴槍灑水抑塵是國(guó)內(nèi)堆場(chǎng)粉塵防治的主要措施。防風(fēng)網(wǎng)對(duì)風(fēng)速具有良好的遮蔽效果，能夠有效控制和改善露天堆場(chǎng)的風(fēng)流場(chǎng)，降低來(lái)流風(fēng)速實(shí)現(xiàn)大面積減風(fēng)抑塵[1]。堆場(chǎng)噴槍灑水抗風(fēng)能力弱、灑水精度低、覆蓋面小、灑水不均勻、冬季易凍結(jié)造成設(shè)備停用，存在浪費(fèi)水資源的弊端。封閉式堆場(chǎng)和筒倉(cāng)能夠徹底解決煤炭堆場(chǎng)堆存起塵問(wèn)題，具有環(huán)保效果好的特點(diǎn)，這種封閉空間堆存方法的一次性投資大，受限于土地資源和設(shè)備工藝布置，對(duì)于已有大型儲(chǔ)煤堆場(chǎng)難以改造適用。封閉式堆場(chǎng)和筒倉(cāng)能夠隔絕外部環(huán)境對(duì)煤炭的影響，但堆場(chǎng)內(nèi)部的粉塵控制仍然是需要迫切解決的問(wèn)題。筒倉(cāng)堆存要求貨物周轉(zhuǎn)速度快，避免煤炭長(zhǎng)期堆存高溫自燃。

本文采用露天堆場(chǎng)大型移動(dòng)單機(jī)臂架移動(dòng)灑水的方法，利用堆場(chǎng)堆取料設(shè)備，通過(guò)設(shè)計(jì)從動(dòng)平臺(tái)、儲(chǔ)水系統(tǒng)、上水單元和臂架噴淋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)煤垛全天候、全覆蓋、均勻?yàn)⑺?。粉塵連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，堆場(chǎng)智能水幕系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、節(jié)水降耗明顯、抑塵效果好。

1 灑水抑塵原理

堆場(chǎng)堆存煤炭的物理屬性對(duì)起塵量有較大影響，主要影響因素包括顆粒粒徑、物料重率和表層含水率。在固定風(fēng)速下，揚(yáng)塵量隨著煤堆表層含水率的增大呈下降趨勢(shì)，當(dāng)煤炭表層含水率超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，增加煤炭表層水量對(duì)揚(yáng)塵影響效果不明顯。以國(guó)家能源集團(tuán)常見(jiàn)典型煤種為分析對(duì)象，在翻車機(jī)底層轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶機(jī)設(shè)計(jì)煤炭含水率檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行煤炭含水率的實(shí)時(shí)檢測(cè)(圖1)。

圖1 煤炭含水率檢測(cè)系統(tǒng)

在相同氣象條件下不同煤種的煤炭起塵含水率不同，通過(guò)采樣試驗(yàn)得到多種煤炭平均起塵含水率(圖2)。根據(jù)圖2多煤種的不同平均起塵含水率臨界值，合理控制煤堆表面煤炭的表層含水率在起塵含水率之上，對(duì)煤堆表面進(jìn)行科學(xué)補(bǔ)水即可達(dá)到高效節(jié)能的灑水抑塵效果[2-4]。

圖2 平均起塵含水率

2 灑水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)傳統(tǒng)堆場(chǎng)噴槍灑水的弊端，設(shè)計(jì)的移動(dòng)式水幕系統(tǒng)須具有以下性能：1)灑水均勻性好，儲(chǔ)水量大。灑水噴淋系統(tǒng)對(duì)不同堆高的煤堆在其梯形截面方向能夠均布灑水，儲(chǔ)水量滿足多個(gè)煤垛的表層噴淋，灑水量可以精準(zhǔn)控制。2)移動(dòng)覆蓋范圍大。行走范圍應(yīng)能覆蓋堆場(chǎng)所有煤炭垛位，不同煤垛間可以自由行進(jìn)。3)自動(dòng)化程度高。采用自動(dòng)化控制，無(wú)需人工干預(yù)，補(bǔ)水系統(tǒng)能夠在多個(gè)固定取水點(diǎn)擇優(yōu)尋址。4)冬季不凍結(jié)。能適應(yīng)全季節(jié)的氣溫、風(fēng)速變化，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

堆場(chǎng)智能水幕系統(tǒng)包括堆場(chǎng)單機(jī)、移動(dòng)平臺(tái)、上水單元、儲(chǔ)水系統(tǒng)、機(jī)上管路和臂架噴淋系統(tǒng)6部分(圖3)。堆場(chǎng)單機(jī)可以是堆料機(jī)、取料機(jī)和堆取料機(jī)。移動(dòng)平臺(tái)采用大跨度箱梁支撐結(jié)構(gòu)，平臺(tái)下部安裝行走輪，平臺(tái)上部配置集成泵站和大容量?jī)?chǔ)水系統(tǒng)。上水單元沿壩基軌道方向均布4組，采用半地上式設(shè)計(jì)，儲(chǔ)水系統(tǒng)出現(xiàn)低水位報(bào)警時(shí)可以就近通過(guò)上水單元補(bǔ)水，上水接口采用防飛濺設(shè)計(jì)，上水管對(duì)水箱大流量注水。機(jī)上管路連接儲(chǔ)水系統(tǒng)和臂架噴淋系統(tǒng)，管路在臂架回轉(zhuǎn)中心處設(shè)計(jì)軟管回轉(zhuǎn)連接，實(shí)現(xiàn)±1200回轉(zhuǎn)不間斷供水。臂架噴淋系統(tǒng)由多個(gè)均勻布置在臂架噴淋管路上的噴頭組成，可對(duì)煤垛表層進(jìn)行全覆蓋均勻噴灑作業(yè)。

圖3 堆場(chǎng)智能水幕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)各組成部分均安裝在堆場(chǎng)移動(dòng)單機(jī)主體結(jié)構(gòu)上，可通過(guò)單機(jī)自身具有的回轉(zhuǎn)、俯仰和行走實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)噴淋的功能。儲(chǔ)水系統(tǒng)移動(dòng)平臺(tái)與單機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)通過(guò)拉桿組連接，拉桿組設(shè)計(jì)由主拉桿、輔拉桿、連接銷軸及連接底座組成。儲(chǔ)水系統(tǒng)使用堆場(chǎng)噴槍灑水地下管網(wǎng)取水，滿載儲(chǔ)水量50 t，上水時(shí)間≤10 min，設(shè)備具有寬溫域調(diào)節(jié)適應(yīng)系統(tǒng)，可在-30～60 ℃的溫度變化范圍內(nèi)正常工作。臂架噴淋系統(tǒng)隨著單機(jī)沿固定軌道行進(jìn)實(shí)現(xiàn)煤堆表層的灑水作業(yè)，灑水覆蓋范圍可達(dá)1 160 m×100 m。單次噴淋作業(yè)煤層補(bǔ)水深度可達(dá)3～5 cm，最終在煤堆表層均勻覆蓋水膜達(dá)到防風(fēng)抑塵的效果，冬季在低溫環(huán)境作用下可在煤垛表層形成冰膜，對(duì)煤垛實(shí)現(xiàn)有效自然覆蓋，滿足全年各季節(jié)的灑補(bǔ)水需求。

2.3 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)臂架噴淋系統(tǒng)啟停、水位報(bào)警、補(bǔ)水點(diǎn)自動(dòng)尋源、噴淋垛位尋址、防碰撞的數(shù)據(jù)計(jì)算和控制，提供人機(jī)交互功能。系統(tǒng)的整體自動(dòng)控制基于CCR上位機(jī)實(shí)現(xiàn)，灑水控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 灑水控制系統(tǒng)

集控室采集各機(jī)構(gòu)動(dòng)作信號(hào)，遠(yuǎn)程控制水箱上水和臂架噴淋灑水。上水單元固定安裝于壩基單機(jī)行走軌道外側(cè)噴槍站位置，單機(jī)PLC控制單元位于單機(jī)機(jī)載電氣室，單機(jī)在生產(chǎn)作業(yè)中處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，上水單元難以通過(guò)鋪設(shè)硬線與單機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。為了解決移動(dòng)單機(jī)與固定上水單元間的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，采用在單機(jī)動(dòng)力纜中場(chǎng)接線箱位置安裝遠(yuǎn)程站，遠(yuǎn)程站通過(guò)后方變電所光纜實(shí)現(xiàn)與中控控制網(wǎng)絡(luò)通訊，通過(guò)中控控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)單機(jī)PLC控制單元和地面遠(yuǎn)程站的通訊。地面遠(yuǎn)程站主要用于傳輸單機(jī)PLC控制單元發(fā)出的電動(dòng)閥打開(kāi)、關(guān)閉命令控制上水單元電動(dòng)閥開(kāi)閉并采集上水裝置狀態(tài)信號(hào)，通過(guò)遠(yuǎn)程站的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)整體具備良好的擴(kuò)展功能。灑水作業(yè)時(shí)，中控發(fā)出灑水指令，單機(jī)通過(guò)堆場(chǎng)料堆模型系統(tǒng)提供的位置指引實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位尋垛，當(dāng)單機(jī)移動(dòng)至預(yù)灑水垛位，單機(jī)臂架回轉(zhuǎn)至與煤堆垂直，堆場(chǎng)單機(jī)行走移動(dòng)的同時(shí)開(kāi)啟臂架噴淋系統(tǒng)[5-6]。為減少堆場(chǎng)單機(jī)行走能耗，在單機(jī)移垛途徑上水點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)判斷儲(chǔ)水系統(tǒng)水位，系統(tǒng)及時(shí)提醒中控操作人員是否需要進(jìn)行水箱補(bǔ)水，避免出現(xiàn)缺水狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)低水位報(bào)警時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)多點(diǎn)尋源擇優(yōu)自動(dòng)選擇就近補(bǔ)水。水箱防飛濺接口可以實(shí)現(xiàn)上水單元通過(guò)對(duì)水箱無(wú)損耗注水，達(dá)到高水位時(shí)自動(dòng)停止注水。

利用FactoryTalk開(kāi)發(fā)水箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面，遠(yuǎn)控終端實(shí)時(shí)顯示儲(chǔ)水系統(tǒng)水位狀態(tài)、水溫和流量數(shù)據(jù)。單機(jī)上水點(diǎn)尋址及校準(zhǔn)使用程序控制和限位控制雙重保護(hù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位。通過(guò)操作畫(huà)面選擇，確定加水位置，控制堆料機(jī)行走至上水單元中心位置，此時(shí)記錄單機(jī)編碼器行走數(shù)據(jù)。當(dāng)選擇程序設(shè)定的上水點(diǎn)時(shí)，程序?qū)⒆詣?dòng)記錄的行走數(shù)據(jù)賦值于行走目標(biāo)位置，單機(jī)自動(dòng)行走至預(yù)設(shè)位置。為便于補(bǔ)水點(diǎn)靈活調(diào)整，設(shè)計(jì)了手動(dòng)行走位置設(shè)定功能，在接水口中心位置增加感應(yīng)限位，感應(yīng)塊安裝于水箱上水口中心，設(shè)定左右各10 cm距離，當(dāng)堆料機(jī)上水接口位于上水單元范圍內(nèi)，觸發(fā)感應(yīng)限位，信號(hào)傳輸至PLC控制系統(tǒng)，連鎖上水電動(dòng)閥打開(kāi)動(dòng)作，對(duì)水箱進(jìn)行注水。

對(duì)比堆場(chǎng)移動(dòng)單機(jī)行走位置，結(jié)合堆料機(jī)灑水時(shí)行走方向判斷出防碰單機(jī)，通過(guò)防碰單機(jī)的工作象限預(yù)留安全距離。通過(guò)與CPS防碰系統(tǒng)配合使用，對(duì)上水過(guò)程中的CPS防碰做出冗余保護(hù)，實(shí)現(xiàn)雙保護(hù)功能。開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)FactoryTalk獲取堆場(chǎng)單機(jī)實(shí)時(shí)位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)用動(dòng)畫(huà)等功能，通過(guò)標(biāo)簽值調(diào)用PLC數(shù)值并加以視覺(jué)標(biāo)識(shí)區(qū)分相鄰單機(jī)運(yùn)動(dòng)作業(yè)狀態(tài)，在系統(tǒng)界面實(shí)時(shí)顯示堆料機(jī)平面位置圖，達(dá)到操作界面直觀顯示相鄰單機(jī)作業(yè)狀態(tài)的效果。

3 應(yīng)用效果

露天堆場(chǎng)智能水幕系統(tǒng)在國(guó)能黃驊港、國(guó)能天津港和秦皇島港等北方主力煤炭下水港得到成功應(yīng)用，堆場(chǎng)的煤塵污染狀況發(fā)生本質(zhì)變化，取得了良好的工程示范應(yīng)用效果。主要表現(xiàn)在以下方面。

1)堆場(chǎng)智能水幕系統(tǒng)對(duì)露天煤炭堆場(chǎng)實(shí)現(xiàn)全季節(jié)的精準(zhǔn)灑水作業(yè)。大幅提高了露天堆場(chǎng)煤垛表面灑水的均勻性，實(shí)現(xiàn)煤堆表層水膜的均勻覆蓋，抑制了堆存起塵的產(chǎn)生。

2)對(duì)堆場(chǎng)單機(jī)采用開(kāi)敞式水槽供水方式形成技術(shù)性替代。機(jī)上大容量水箱供水由上水單元通過(guò)與堆場(chǎng)噴槍灑水系統(tǒng)共用的地下管網(wǎng)接入，利用堆場(chǎng)單機(jī)的作業(yè)間隙實(shí)現(xiàn)自動(dòng)就近尋源補(bǔ)水。大容量水箱的應(yīng)用既滿足堆場(chǎng)煤垛灑水的充足供給，又實(shí)現(xiàn)單一儲(chǔ)水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)上用水、壩基沖洗用水和堆場(chǎng)灑水的集中管理。堆場(chǎng)智能水幕系統(tǒng)的投用大幅減少了維護(hù)作業(yè)量，節(jié)省水槽建設(shè)和維護(hù)成本。

3)系統(tǒng)具有充足的性能擴(kuò)展空間?？筛鶕?jù)露天堆場(chǎng)灑水的需要進(jìn)行水箱容量的定制化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)依據(jù)煤炭表層含水率測(cè)定值進(jìn)行灑水量調(diào)節(jié)的精準(zhǔn)灑水方法，大量節(jié)約了水資源。

4 結(jié)論

1)提出露天堆場(chǎng)精準(zhǔn)均勻?yàn)⑺姆椒ǎ邪l(fā)并大規(guī)模工程應(yīng)用了堆場(chǎng)智能水幕系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)露天堆場(chǎng)全季節(jié)的高效灑水作業(yè)，露天堆場(chǎng)煤塵治理效果穩(wěn)定可靠。

2)創(chuàng)建露天堆場(chǎng)堆料機(jī)、取料機(jī)、噴槍站構(gòu)成的露天堆場(chǎng)灑水新體系。采用定點(diǎn)快速上水的方式對(duì)傳統(tǒng)堆場(chǎng)水槽供水進(jìn)行技術(shù)替代，節(jié)省大量建設(shè)和維護(hù)資金。

3)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)擇優(yōu)尋源補(bǔ)水，降低了電能消耗，以檢測(cè)煤炭含水率為基礎(chǔ)對(duì)煤堆表面進(jìn)行準(zhǔn)確的補(bǔ)水作業(yè)，減少了水資源浪費(fèi)。

4)該水幕系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大行走范圍內(nèi)的煤垛表面全覆蓋均勻?yàn)⑺?，堆?chǎng)單機(jī)移動(dòng)灑水結(jié)合堆場(chǎng)噴槍灑水、防風(fēng)網(wǎng)共同使用的環(huán)保新技術(shù)為有效控制煤炭堆場(chǎng)粉塵擴(kuò)散起到良好的工程示范作用，對(duì)煤港粉塵治理設(shè)備升級(jí)起到有力的推動(dòng)作用。

5)堆場(chǎng)智能水幕系統(tǒng)的應(yīng)用表明，采用單機(jī)移動(dòng)灑水技術(shù)實(shí)現(xiàn)了露天堆場(chǎng)煤堆表面的精準(zhǔn)高效灑水作業(yè)，節(jié)約了寶貴的水資源，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化堆場(chǎng)移動(dòng)灑水，減少了設(shè)備維護(hù)量和人員勞動(dòng)強(qiáng)度，具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。