皮帶中部采樣機偏倚試驗改良方法及應用

李祥,李中夫,陳德仁,馮 奎,許斐

(國能南京煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗有限公司,江蘇 南京 210031)

1 引言

煤炭是我國經(jīng)濟的重要支撐，在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位[1]，從發(fā)電的方式看，火力發(fā)電仍是我國發(fā)電行業(yè)主要組成部分[2]。作為煤炭質(zhì)量檢測的第一環(huán)節(jié)，煤炭采樣在實際生產(chǎn)運用中有著十分重要的作用[3]?；痣姀S燃料質(zhì)量監(jiān)督-采、制、化，采樣是第一道工序，也是后續(xù)兩道工序的基礎，若以方差表示采制化總誤差，則采樣誤差占總誤差的80%[4]，當采樣不具備代表性，依據(jù)煤質(zhì)指標反饋進行的后續(xù)智能化環(huán)節(jié)都將失去意義[5]。由于機械化采樣機可規(guī)避人工采樣的各種弊端，近年來越來越多的煤礦開始使用煤炭機械化采樣機進行采樣操作[6]。煤炭品質(zhì)檢驗結(jié)果的準確程度直接影響到煤炭貿(mào)易雙方的經(jīng)濟利益和用煤企業(yè)的安全運行[7-8]。輸送帶中部采樣機是基于刮掃的形式對皮帶輸送機上的煤炭進行全斷面的切割方式獲取樣品[9]，這種采樣又叫做皮帶上切割采樣[10]。中部采樣機一般由采樣頭、料流檢測裝置、溜管、初級給料機、次級給料機、破碎機、縮分器、樣品收集器和余煤回送設備等組成[5]，每個環(huán)節(jié)均可能產(chǎn)生過大偏倚，引起樣品測定值不能代表批煤真實品質(zhì)[11]。因此，采樣機的準確性、采樣精密度和偏倚是否優(yōu)于人工采樣是目前絕大部分使用煤炭機械化采樣機用戶所關心的問題[12]。煤炭機械采樣機使用單位應對機械采樣的代表性清楚明了，定期對機械采樣機代表性進行核驗，為貿(mào)易結(jié)算雙方和煤炭使用單位提供準確可靠的煤質(zhì)數(shù)據(jù)[13]。

采樣系統(tǒng)偏倚試驗是性能試驗最重要的內(nèi)容之一，其表征采樣機所采樣品測定值的系統(tǒng)誤差[14]。偏倚試驗的原理是對同一種煤采取一系列成對試樣，一個用被試驗的采樣系統(tǒng)或其部件采取，另一個用一參比方法采取，然后測定每對試樣的試驗結(jié)果間的差值，并對這些差值進行統(tǒng)計分析，最后用t檢驗進行判定[15]，其中試驗采樣機采取的樣品叫系統(tǒng)樣，參比方法采取的樣品叫參比樣[16]。輸送帶中部采樣機偏倚試驗一般為停皮帶采樣法，具體方法為：啟動采樣系統(tǒng)，當初級采樣器采取一子樣后，立即停止輸煤皮帶（但制樣系統(tǒng)繼續(xù)運行），在初級子樣點前或后、緊靠但不交叉、煤流未被擾亂處采取一參比樣；同時收集采樣系統(tǒng)的最后縮分階段的縮分后試樣；兩個子樣構(gòu)成一試樣對[17]，而完成采樣機偏倚試驗至少需要重復上述操作20次，且為防止因煤質(zhì)、采樣、制樣和化驗環(huán)節(jié)中造成的較大偏差[18]，偏倚試驗時輸煤皮帶的制動次數(shù)將會更多。但是連續(xù)頻繁地緊急拉停輸煤皮帶，極易導致輸煤電機故障，引發(fā)輸煤皮帶驟停、鍋爐MFT連鎖觸發(fā)，甚至發(fā)電機組非停事故[18]。

在需要頻繁啟動電動機時，啟停間隔有明確規(guī)定，如進行動平衡試驗時，200 kW以下的電機不應＜0.5h，200～500kW的電動機不應＜1h，500kW及以上的電動機不應＜2h[19]，這使得整個偏倚試驗作業(yè)時間過長，影響企業(yè)正常生產(chǎn)，且采樣人員存在連續(xù)疲勞作業(yè)的情況。為保證企業(yè)安全生產(chǎn)，降低設備和人員作業(yè)風險，楊傳[18]、王良東等人[20]已提出了不同于GB/T 19494.3-2004[17]規(guī)定的偏倚試驗方法——非停皮帶采樣法，但該方法所采參比樣的代表性有待商榷，且未得到廣泛應用。

鑒于GB/T 19494.3-2004規(guī)定的皮帶中部采樣機偏倚試驗方法在實際應用過程中存在較大缺陷，本文擬對皮帶中部采樣機偏倚試驗方法進行改良，以期在不影響試驗結(jié)果代表性的前提下，有效降低設備和人員作業(yè)風險，保障企業(yè)安全生產(chǎn)。

2 研究方法

2.1 采樣機作業(yè)流程

試驗用采樣機是固定式橫過皮帶中部采樣機，采樣頭沿一與皮帶中心線平行的軸旋轉(zhuǎn)，當采樣頭旋轉(zhuǎn)橫過皮帶全寬時，其邊板前緣切割煤流，后板將煤樣推出[21]。

采樣機的工藝流程如圖1所示，其中Y型三通I的結(jié)構(gòu)如圖2所示。Y型三通II主要結(jié)構(gòu)與Y型三通I相同，但不含有側(cè)管、滑槽、插板和滑塊。默認采樣機自動運行時Y型三通的物料出口管為主出口管，擋板用于改變Y型三通I入口管與主副出口管連接狀態(tài)。采樣機系統(tǒng)為自動運行狀態(tài)時，采樣機通過PLC自動或手動控制采樣單元的采樣頭動作及采樣間隔，其作業(yè)程序為：采樣頭所采集的子樣→Y型三通I的主出口→一級給料皮帶→破碎機→二級給料皮帶→縮分單元→留樣／棄樣；留樣→收集器；棄樣→Y型三通II的主出口管→斗提機→輸送帶。

圖2 Y型三通I示意圖Fig.2 Diagram of Y-shaped three-way Pipe(Ⅰ)

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

皮帶中部采樣機主要技術(shù)參數(shù)詳如表1所示。

表1 皮帶中部采樣機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of sampling machine for test

2.3 試驗準備

2.3.1 設備檢查與消缺

采樣頭能否截取整個截面的煤流，刮板式縮分器所設定的參數(shù)及擋板高度是否合理、刮板能否截取整個煤流的樣品[22]是輸送帶中部采樣機使用過程中需要重點關注的。偏倚試驗前需要對采樣機進行檢查與消缺，包含但不限于：

（1）檢查采樣頭和縮分器刮頭端部耐磨橡膠磨損情況，確保采樣頭和縮分器能截取一個完整的煤流橫截段，且無煤樣從采樣頭和縮分器中溢出。

（2）檢查采樣頭、縮分器、給料皮帶破碎機、落煤管等部件，確保無漏煤、漏粉、積煤現(xiàn)象。

（3）檢查整流擋板高度設置情況，確保經(jīng)整形后的煤流厚度不超過煤樣標稱最大粒度3倍。

（4）檢查縮分程序，確?？s分程序涵蓋整個破碎后的煤流，且有效縮分次數(shù)不少于4次。

（5）對破碎機出料進行篩分試驗，確保出料粒度合格。

2.3.2 試驗參數(shù)測量

如圖1所示，將光電傳感器緊鄰采樣單元安裝。所需測量的試驗參數(shù)如表2所示。

表2 待測量參數(shù)表Tab.2 Test parameters to be measured

2.4 偏倚試驗

2.4.1 試驗優(yōu)化

GB/T 19494.3-2004規(guī)定的偏倚試驗方法在實施過程中，每啟停一次輸煤皮帶，只能采集一對系統(tǒng)樣和參比樣，完成整個偏倚試驗至少需要啟停皮帶20次。改良法的核心是：停止輸送帶，人工按順序依次采集一系列的參比樣，然后啟動輸煤皮帶，通過光電傳感器控制采樣頭在參比樣采樣區(qū)的旁邊依序采集一系列的系統(tǒng)樣。如此操作可實現(xiàn)通過啟停一次輸送皮帶完成多對的系統(tǒng)樣和參比樣的采集。這樣極大減少了偏倚試驗全過程輸送帶的啟停次數(shù)，進而在縮短了試驗時間，降低了安全風險的同時，保證系統(tǒng)樣和參比樣的采樣代表性。改良法進行皮帶中部采樣機偏倚試驗的簡示圖如3圖所示。

2.4.2 試驗步驟

試驗用煤情況：煙煤，干基灰分約13%，標稱最大粒度為50 mm。結(jié)合圖3，采用改良法進行偏倚試驗的步驟為：

圖3 改良法簡示圖Fig.3 Diagram of the improved method

（1）啟動給煤機和煤輸送帶，采樣機系統(tǒng)處于自動運行狀態(tài)，等待采樣頭自動采樣2次，完成給料、破碎和縮分等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)采樣機系統(tǒng)預清洗。

（2）預清洗結(jié)束后，當試驗煤流完全覆蓋采樣機所在的煤輸送帶時，立即拉停輸送帶。

（3）如圖4所示，在靜止、有煤的輸送帶上設置n個采樣區(qū)，采樣區(qū)沿煤輸送方向上依次設有人工采樣區(qū)I、系統(tǒng)采樣區(qū)II和反光板放置區(qū)III，其中：

圖4 采樣區(qū)的設置示意圖Fig.4 Diagram of sampling area setup

①人工采樣區(qū)I緊鄰系統(tǒng)采樣區(qū)II，且邊界不交叉；為保證采樣代表性，人工采樣區(qū)I的采樣寬度應大于待采煤樣標稱最大粒度的3倍以上（試驗時為240 mm）。

②系統(tǒng)采樣區(qū)是采樣機進行采樣的區(qū)域，由于固定式采樣頭所采截斷橫斷面與輸送帶中心線成一定的傾角，為避免系統(tǒng)采樣區(qū)與人工采樣區(qū)交叉，所以設置系統(tǒng)采樣區(qū)II寬度大于采樣頭寬度的3倍以上（試驗時設為500 mm）。

③系統(tǒng)采樣區(qū)IIn，與反光板放置區(qū)IIIn的中心距d2應略大于（t1×v-d1），人工采樣區(qū)In，與反光板放置區(qū) III（n-1）的中心距d3應大于（t2＋t3）×v。據(jù)表2計算得d2和d3的最小值分別為0.40 m和15.6 m（試驗中取d2和d3分別為0.5 m和16.0 m）。

④由過程①～③知，輸煤皮帶上每17.74 m的煤流段可完成一對系統(tǒng)樣和參比樣的采集，則上一級落煤管到采樣頭中心的范圍內(nèi)煤流上可布置10.9個采樣區(qū)，本試驗中設置10個采樣區(qū)，即可完成10對系統(tǒng)樣和參比樣的采集。

（4）使用采樣框[22]依次完成人工采樣區(qū)I1～I10處的參比樣（C1～C10）的采集，裝袋備用，并在反光板放置區(qū)III1～III10處依序放置并固定帶有編號的一次性可燃反光板。

（5）將采樣機調(diào)整至偏倚試驗狀態(tài)。此時：光電傳感器信號接入采樣機的控制系統(tǒng)，采樣機采樣動作受光電傳感器控制；一級給料皮帶、二級給料皮帶、破碎單元和縮分單元停止運行；Y型三通I的入料管連接副出料管、接樣袋。

（6）啟動煤輸送帶，當III10處放置的反光板隨輸送帶移動至光電傳感器正下方時，光電傳感器感應到反光板并將信號傳輸給控制系統(tǒng)，此時II10恰好移動到采樣頭正下方，控制系統(tǒng)控制采樣頭在II10處進行一次采樣。所采煤樣（J10）經(jīng)過采樣單元下料管和Y型三通I的副出料管全部落入10號接樣袋中，然后迅速更換接樣袋。

（7）當III9處放置的反光板隨輸送帶移動至光電傳感器正下方時，光電傳感器感應到反光板并將信號傳輸給控制系統(tǒng)，此時II9恰好移動到采樣頭正下方，控制系統(tǒng)控制采樣頭在II9處進行一次采樣。所采煤樣（J9）經(jīng)過采樣單元下料管和Y型三通I的副出料管全部落入接樣袋中，然后迅速更換接樣袋。

（8）重復過程（7），依次完成系統(tǒng)采樣區(qū)II8～II1處的機械采樣，得到系統(tǒng)樣（J8～J1）。

（9）重啟給煤機，當煤流再次完全覆蓋采樣機所在的輸送帶時，停止給煤機，拉停輸煤帶。

（10）重復過程(4)～(8)，完成I11vI20處的人工參比樣（C11～C20）和 II11～II20處的系統(tǒng)樣（J11～J20）的采樣。

（11）重復過程(9)和(10)，完成I21～I30處的人工參比樣（C21～C30）和II21～II30處的系統(tǒng)樣（J21～J30）的采樣。

（12）停止給煤機和皮帶運行，將光電傳感器信號移除采樣機控制系統(tǒng)，恢復采樣機為就地運行狀態(tài)，此時：采樣頭受采樣機控制系統(tǒng)控制；Y型三通I的入料管與主出料管相連接，Y型三通II的入料管連接副出料管、接樣袋；啟動一、二級給料皮帶和破碎單元，縮分單元按表1中參數(shù)運行。

（13）拔出Y型三通I的插板，并連結(jié)側(cè)管。

（14）將J1倒入側(cè)管，完成流程：Y型三通I的主出口→一級給料皮帶→破碎機→二級給料皮帶→縮分單元→L1和Q1；L1→接樣袋；Q1→Y型三通II→副出料管→接樣袋。

（15）重復過程(14)，將J2～J30分別依序倒入側(cè)管，分別收集得到L2～L30和Q2～Q30。

（16）按照《煤樣的制備方法》（GB/T 474-2008）[23]，使用機械破碎設備和二分器將上述過程得到的C和Q制備成6 mm全水分煤樣和一般分析試驗煤樣，將L制備成一般分析試驗煤樣。

通過上述試驗步驟可知，采用改良法進行試驗的全過程共啟停輸送帶3次，而如果按照GB/T 19494.3-2004規(guī)定的方法進行試驗則需啟停輸送帶30次。

3 結(jié)果與討論

按照《煤中全水分的測定方法》（GB/T 211-2017）[24]測定所得全水分煤樣的M1，按照《煤的工業(yè)分析方法》（GB/T 212-2008）[25]測定所得一般分析試驗煤樣的Mad和Aad，并計算出Ad，詳如表3所示。依據(jù)《煤炭機械化采樣第3部分精密度測定和偏倚試驗》（GB/T 19494.3-2004）[17]對偏倚試驗數(shù)據(jù)進行離群值檢驗、差值獨立性檢驗、樣本容量核對和偏倚最終評定，結(jié)果如表4所示。

表3 試驗用采樣機偏倚試驗結(jié)果Tab.3 Experiment results of bias test of sampling machine for use

表4 試驗用采樣機偏倚試驗結(jié)果統(tǒng)計分析Tab.4 Statistical analysis on bias test results of sampling machine for use

試驗用皮帶中部采樣機偏倚試驗通過差值獨立性檢驗，試驗數(shù)據(jù)未有離群值，試驗對數(shù)存夠。從表4可以看出，在95%置信水平下，采用改良方法進行皮帶中部采樣機偏倚試驗時，皮帶中部采樣機的全水分偏倚和灰分偏倚分別為0.37%和0.60%，均小于最大允許偏倚。

4 結(jié)論

鑒于《煤炭機械化采樣第3部分 精密度測定和偏倚試驗》（GB/T 19494.3-2004）規(guī)定的皮帶中部采樣機偏倚試驗方法在實際應用中存在缺陷，本文結(jié)合光電傳感器控制技術(shù)對其進行改良，以期在不影響試驗結(jié)果代表性的前提下，有效降低設備和人員作業(yè)風險，保障企業(yè)安全生產(chǎn)。并進行了例證。結(jié)果表明：

（1）在95%置信水平下，采用改良法進行偏倚試驗時，皮帶中部采樣機的全水分偏倚和灰分偏倚分別為0.37%和0.60%，均小于最大允許偏倚。

（2）改良法的皮帶啟停次數(shù)與偏倚試驗組數(shù)和采樣機安裝位置、運行參數(shù)有關。

（3）采用改良法進行偏倚試驗的皮帶啟停次數(shù)遠小于按照《煤炭機械化采樣第3部分精密度測定和偏倚試驗》GB／T 19494.3-2004規(guī)定方法開展的次數(shù)。