智能合樣歸批系統(tǒng)在燃料智能化管控領(lǐng)域的應(yīng)用研究

蘇 力，張明慶

(湖南三德科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410221)

0 引 言

我國(guó)火力發(fā)電量占總發(fā)電量的70%以上，燃煤電廠的燃料成本占燃煤電廠發(fā)電成本的60%以上，因而燃料智能化管理一直是電廠的關(guān)注重點(diǎn)[1-15]。隨著近年燃煤價(jià)格波動(dòng)加大，燃煤電廠為持續(xù)降低燃料成本須提升管理的精細(xì)化水平，全環(huán)節(jié)智能化管控查漏補(bǔ)缺、精益求精，因此，在燃煤采樣、制樣、輸送、存儲(chǔ)、化驗(yàn)全環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)智能化、精細(xì)化、無人化，此為燃料管理水平提升的必然發(fā)展趨勢(shì)[16-17]。

燃料的“采—制—輸—存”智能化管控目前已初具規(guī)模，如在采樣端已實(shí)現(xiàn)煤樣的自動(dòng)封裝[18]與IC芯片識(shí)別[19]，所有煤樣信息自動(dòng)寫入樣桶中，實(shí)現(xiàn)樣桶的盲存盲取。當(dāng)前環(huán)節(jié)無人干預(yù)[20]，中間樣桶轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)也實(shí)現(xiàn)了智能轉(zhuǎn)運(yùn)小車的全程閉環(huán)管控[21]；制樣端的機(jī)器人自動(dòng)制樣系統(tǒng)已在多個(gè)電力集團(tuán)公司投用[22]，制樣后端的全自動(dòng)存查樣系統(tǒng)快速精確存取全水樣、存查樣、分析樣等[23]，大幅降低了人為干預(yù)的風(fēng)險(xiǎn)。以上所有“采—制—輸—存”的全環(huán)節(jié)智能化管控中，煤樣轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)與合樣歸批系統(tǒng)是少數(shù)亟待提升快捷性、安全性、可靠性的環(huán)節(jié)之一，智能合樣歸批系統(tǒng)的應(yīng)用研究在國(guó)內(nèi)即將悄然興起。

基于燃料智能化管控中原煤樣傳輸模式的研究[24],目前市場(chǎng)上主要煤樣轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)包括以下6種方式:煤樣鏈板輸送系統(tǒng)、煤樣車輛輸送系統(tǒng)、煤樣軌道小車輸送系統(tǒng)、煤樣索道轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、煤樣氣力輸送系統(tǒng)、煤樣無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，而智能合樣歸批是以上6種轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)后端環(huán)節(jié)均須完成的業(yè)務(wù)流程。在收到即將制樣的指令后，煤樣轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)自動(dòng)快速分揀出同批次全部數(shù)量的存樣桶并進(jìn)行合批操作，以供后端制樣環(huán)節(jié)按批次上料制樣?？旖荨踩?、可靠、無人干預(yù)地實(shí)現(xiàn)上述業(yè)務(wù)流程，并為燃煤電廠因地制宜地提供多種選擇，即為筆者研究的重點(diǎn)。

結(jié)合智能合樣歸批系統(tǒng)專利申請(qǐng)[25]，筆者將其功能分解為:

(1)作為樣桶暫存區(qū)，承接采樣端輸送過來的煤樣桶，其來樣特點(diǎn):批次多、數(shù)量大；從樣品安全性角度考慮，采樣系統(tǒng)已針對(duì)每個(gè)煤樣桶都經(jīng)過編碼信息數(shù)據(jù)加密、人樣分離，外觀一致，盲存盲??；

(2)在即將制樣之前，快速高效、準(zhǔn)確無誤地挑選出同批次的全部煤樣桶，輸送至制樣系統(tǒng)中準(zhǔn)備制樣。

1 智能合樣歸批系統(tǒng)簡(jiǎn)介

以下介紹在燃煤電廠已可靠應(yīng)用的合樣歸批系統(tǒng)方案與特點(diǎn)，供參考選用。

1.1 先分揀后暫存式合樣歸批系統(tǒng)

先分揀后暫存式合樣歸批系統(tǒng)(方案A)主要包括輸送用輥筒輸送機(jī)、歸批暫存用輥筒輸送機(jī)、暫存區(qū)移桶機(jī)械手、開蓋倒料機(jī)械手等[26]，其示意如圖1所示，業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖1 先分揀后暫存式合樣歸批系統(tǒng)(方案A)示意Fig.1 Schematic diagram of the sample combination and batching system A

圖2 先分揀后暫存式合樣歸批系統(tǒng)(方案A)的業(yè)務(wù)流程Fig. 2 The business process of the sample combination and batching system A

由圖2可知:

(1)從采樣端輸送的煤樣桶均已經(jīng)數(shù)據(jù)加密，安全可靠，外觀無法辨別，批次多、數(shù)量大；

(2)經(jīng)過讀卡程序確認(rèn)，自動(dòng)按照不同批次分揀到樣桶暫存區(qū)的不同輥筒輸送機(jī)中，每一列的輥筒輸送機(jī)分別代表一個(gè)獨(dú)立的批次，如批次A、批次B、……；

(3)當(dāng)制樣端下發(fā)某個(gè)批次煤樣開始制樣的指令時(shí)，樣桶暫存區(qū)某個(gè)批次的煤樣桶會(huì)依次被釋放，順序進(jìn)入輥筒輸送機(jī)，開蓋倒料機(jī)械手，然后進(jìn)入制樣端完成合樣、制樣等操作；

(4)制樣完成后的煤樣空桶經(jīng)過開蓋倒料區(qū)合蓋后，輸送到下游工位，以備循環(huán)使用。

1.2 先暫存后分揀式合樣歸批系統(tǒng)

先暫存后分揀式合樣歸批系統(tǒng)(方案B)主要包括前端對(duì)接輸送模塊、中部歸批分揀模塊、末端移動(dòng)對(duì)接模塊三大部分，其示意如圖3所示，業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

圖3 先暫存后分揀式合樣歸批系統(tǒng)(方案B)示意Fig. 3 Schematic diagram of the sample combination and batching system B

圖4 先暫存后分揀式合樣歸批系統(tǒng)(方案B)的業(yè)務(wù)流程Fig. 4 The business process of the sample combination and batching system B

由圖4可知:

(1)從采樣段輸送而來的存樣桶，均已經(jīng)數(shù)據(jù)加密，安全可靠，外觀無法辨別，特點(diǎn)是批次多、數(shù)量大[27]；

(2)前端對(duì)接輸送模塊與樣桶轉(zhuǎn)運(yùn)小車自動(dòng)對(duì)接，左右可平移，允許車輛倒車左右偏差不小于800 mm，大幅降低車輛駕駛員的倒車難度；

(3)前端對(duì)接輸送模塊自動(dòng)將車中煤樣桶轉(zhuǎn)運(yùn)至中部歸批分揀模塊，轉(zhuǎn)運(yùn)過程中完成讀卡記錄的功能，數(shù)據(jù)庫(kù)同步記錄所有煤樣桶的位置信息；

(4)煤樣桶優(yōu)先暫存于中部歸批分揀模塊，無需區(qū)分批次，每三列一組，中間一列作為分揀通道；

(5)當(dāng)制樣端準(zhǔn)備發(fā)起制樣指令時(shí)，上位機(jī)控制程序可以自動(dòng)將同一批次的煤樣桶挑選出來，并橫向鉤桶到中間分揀通道中，通過輥筒輸送機(jī)的正反轉(zhuǎn)，經(jīng)末端移動(dòng)對(duì)接模塊轉(zhuǎn)運(yùn)到制樣系統(tǒng)中，完成一個(gè)分揀上料流程[28]；

(6)當(dāng)制樣端空桶返回時(shí)，將上述流程逆向操作，即可實(shí)現(xiàn)空桶的存入中部歸批分揀模塊中，以便順利轉(zhuǎn)運(yùn)到采樣端。

1.3 機(jī)器人暫存分揀式合樣歸批系統(tǒng)

機(jī)器人暫存分揀式合樣歸批系統(tǒng)(方案C)主要包括樣桶進(jìn)出區(qū)、樣桶暫存區(qū)、機(jī)器人及夾具(含多自由度模組及夾具)，其示意如圖5所示，工作流程如圖6所示。

圖5 機(jī)器人暫存分揀式式合樣歸批系統(tǒng)(方案C)示意Fig. 5 Schematic diagram of the sample combination and batching system C

由圖6可知:①?gòu)牟蓸佣屋斔偷拇鏄油耙褦?shù)據(jù)加密，安全可靠，外觀無法辨別，具有批次多、數(shù)量大的特點(diǎn)；②機(jī)器人夾具在程序自動(dòng)控制，搬運(yùn)讀卡、分揀、轉(zhuǎn)運(yùn)至樣桶暫存區(qū)，樣桶暫存區(qū)可不受空間的局限，既可水平縱橫布置也可圓周布置或至其他空間區(qū)域，暫存區(qū)域僅需機(jī)械手可達(dá)；③當(dāng)制樣端下達(dá)制樣指令時(shí)，機(jī)器人夾具可在程序控制下自動(dòng)將所需的煤樣桶分揀并搬運(yùn)至樣桶進(jìn)出區(qū)；④ 煤樣桶輸送到制樣端，經(jīng)過開蓋倒料后完成合樣操作，流程結(jié)束[29]，空桶返回的流程正好相反。

圖6 機(jī)器人暫存分揀式合樣歸批系統(tǒng)(方案C)的業(yè)務(wù)流程Fig. 6 The business process of the sample combination and batching system C

除了上述3種合樣歸批系統(tǒng)之外，還有一些簡(jiǎn)配版布局方案，如輸送機(jī)構(gòu)呈圓周布局、橢圓布局、直線性布局，通過程序自動(dòng)讀卡而分揀同批次的煤樣桶，其工作原理與此次研究中介紹的3種方案大同小異，僅空間布局略有不同，不再贅述。

2 不同合樣歸批系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

此次研究中所述的3種合樣歸批系統(tǒng)(方案A、方案B、方案C)均已有在燃煤電廠中實(shí)施案例[30]，其各項(xiàng)功能已驗(yàn)證方案可行、功能可靠，其存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下:

(1)分析煤樣桶的輸送方式：方案A、方案B采用輥筒輸送機(jī)或皮帶輸送機(jī)，輸送可靠、成本低廉、定位精度要求低；方案C采用機(jī)器人夾具或多自由度模組，成本較高、定位精度要求高；

(2)分析煤樣桶的分揀方式：方案A采用優(yōu)先分揀后，不同暫存線分別存儲(chǔ)不同批次的煤樣桶，對(duì)于來煤批次量越大，整體布局中需要備用的暫存線越多，占地面積就越大；方案B采用優(yōu)先暫存煤樣桶，所有存儲(chǔ)區(qū)域中樣桶混在一起，占用區(qū)域最小，空間利用率較高，后續(xù)通過上位機(jī)算法控制，自動(dòng)快速分揀出所需批次的煤樣桶；方案C采用機(jī)器人分揀，暫存區(qū)域更加靈活，可多層布置樣桶，分揀效率更高，空間利用率最高；

(3)分析煤樣桶的安全性：方案A的優(yōu)先分揀方式，過早地將所有煤樣桶按批次不同進(jìn)行區(qū)分，存在前端環(huán)節(jié)已加密的樣桶信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)，為人為干預(yù)提供便利；方案B、方案C均在即將制樣的環(huán)節(jié)才挑選所需樣桶，避免樣桶信息過早泄露，降低人為干預(yù)的風(fēng)險(xiǎn)，安全性更高；

(4)分析煤樣桶的分揀效率：方案A、方案B、方案C效率相當(dāng)，均可在1 min內(nèi)挑選出所需的樣桶，合樣歸批系統(tǒng)的效率瓶頸不在于分揀，而在于后端的開蓋上料環(huán)節(jié)；

(5)分析整體布局的可拓展性：方案A、方案B、方案C均可增加輥筒輸送線數(shù)量、樣桶暫存區(qū)的數(shù)量來達(dá)到目的，但方案C因?yàn)闄C(jī)器人夾具的靈活性因而可更容易；

(6)分析合樣歸批整套系統(tǒng)的成本：方案A、方案B成本相當(dāng)，遠(yuǎn)低于方案C。方案C的最大成本在于機(jī)器人及其夾具的成本(ABB六軸機(jī)器人及夾具成本約20萬以上)；

(7)分析整套設(shè)備的搬運(yùn)定位精度：方案A、方案B采用輥筒輸送機(jī)，氣動(dòng)元件攔桶定位，精度要求較低；方案C是機(jī)器人夾具或多自由度模組定位[31]，精度很高，高成本提供了高精度，但此處高精度是否有必要可再探討；

(8)從施工與維修的角度分析，方案A、方案B均采用普通輥筒輸送機(jī)，氣動(dòng)元件檢修容易，對(duì)接檢修維護(hù)人員的技術(shù)能力要求一般，方案C采用機(jī)器人夾具或多自由度模組，為了保證重復(fù)定位精度，其土建施工、日常維護(hù)保養(yǎng)均要求更高，檢修人員的技術(shù)能力要求更高。

3 實(shí)際應(yīng)用示例

燃料智能化管控是燃煤電廠提升設(shè)備與人員的管理水平、精確核算燃煤各項(xiàng)指標(biāo)和摻燒配比、提高燃料的利用率和發(fā)電量、降低電廠運(yùn)營(yíng)成本的必由之路，目前國(guó)內(nèi)各電力集團(tuán)公司正在推動(dòng)煤炭的“采—制—輸—存”全環(huán)節(jié)智能化、無人化管理，筆者研究的智能合樣歸批系統(tǒng)正是全環(huán)節(jié)智能化中不可或缺的一環(huán)。

以目前某燃煤電廠的2×600 MW燃煤機(jī)組的實(shí)際案例，消耗燃煤約10 000 t/d，來煤批次數(shù)3～6批，一個(gè)批次機(jī)采煤樣裝3～4桶，此電廠每天需要進(jìn)行合樣歸批的樣桶數(shù)量是12～24個(gè)，考慮到安全系數(shù)至少需要配置32個(gè)樣桶工位的智能合樣歸批系統(tǒng)，1套合樣歸批系統(tǒng)可對(duì)接2～3套機(jī)器人自動(dòng)制樣系統(tǒng)，分揀效率要求≤1 min/桶。結(jié)合上述3種智能合樣歸批系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，綜合考慮設(shè)備成本(控制在35萬以內(nèi))、盲存盲取(煤樣數(shù)據(jù)加密)、后期維護(hù)(降低維保人員技能要求)、數(shù)年后重復(fù)定位精度(≥3 mm)、設(shè)備使用壽命(≥5 a)等方面，推薦某燃煤電廠優(yōu)選先暫存后分揀式智能合樣歸批系統(tǒng)B方案。

4 結(jié) 語

綜合文中3種合樣歸批系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比研究，建議燃煤電廠根據(jù)廠區(qū)來煤批次數(shù)量、每天煤樣桶數(shù)量、煤樣桶周轉(zhuǎn)次數(shù)、制樣室土建面積、煤樣桶上料間隔周期等因素綜合考慮，選擇適合自身電廠特點(diǎn)的合樣歸批系統(tǒng)。

根據(jù)燃煤電廠的實(shí)際特點(diǎn)，因地制宜地選擇性價(jià)比高、性能可靠、維保簡(jiǎn)單的智能合樣歸批系統(tǒng)，充分利用合樣歸批的效率特點(diǎn)，前端可對(duì)接4～6個(gè)采樣系統(tǒng)，后端可對(duì)接2～3套機(jī)器人制樣系統(tǒng)，整體布局最合理、全局效率最優(yōu)，從而補(bǔ)齊燃料智能管控領(lǐng)域中為數(shù)不多的短板，終將實(shí)現(xiàn)燃料管控全環(huán)節(jié)智能化、無人化的目標(biāo)。