火電廠燃煤全自動制樣機的運行特性

楊茂林，孫利娟，吳 偉，崔 凱，黃鑫亮，武文亮

（1.華能沁北發(fā)電有限公司，河南 濟源 459011；2.中國華能集團有限公司河南分公司，河南 鄭州 450018）

全自動制樣機的使用不僅能夠減少火電廠人員定額，減輕制樣人員的勞動強度，同時其生成樣品的化驗指標(biāo)是火電廠燃煤采購的結(jié)算依據(jù)。因此，研究影響制樣效率的關(guān)鍵因素，分析樣品的穩(wěn)定性和代表性對火電廠進行煤質(zhì)管理具有重要意義。電力現(xiàn)貨市場［1］和輔助服務(wù)市場［2］的運營，加劇了火電行業(yè)之間的競爭，同時豐富了火電廠所需燃煤種類。煙煤、高熱值煤、低硫煤、經(jīng)濟煤種［3-4］的合理庫存結(jié)構(gòu)，是火電廠實現(xiàn)負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)［5］。燃煤采購是火電廠最大的成本支出，占總生產(chǎn)成本的60%～80%。面對新能源電力迅猛發(fā)展和煤價高企的雙重壓力，提高煤質(zhì)管理水平，嚴(yán)控燃煤采購成本，已成為火電廠節(jié)約成本、扭虧為盈的重要抓手［6］?；痣姀S的燃煤采購以入廠煤的化驗指標(biāo)作為結(jié)算依據(jù)［7］，同時碳排放工作的推進加強了國家對入爐煤指標(biāo)的監(jiān)管［8-10］。無論是入廠煤還是入爐煤，都需要進行樣品采集，均勻縮分，制備成?0.2 mm 的分析樣，以用于熱值、硫分等的指標(biāo)化驗［11-12］。煤樣制備是火電廠進行煤質(zhì)管理的重要環(huán)節(jié)，大型火電廠燃煤來量大、煤質(zhì)雜更是加劇了煤樣制備的工作難度。

傳統(tǒng)的煤樣制備工作雖然已經(jīng)實現(xiàn)了機械化，但仍需要人工參與。制樣員操作技能水平的高低、制樣流程的標(biāo)準(zhǔn)化把控、制樣過程中的灑煤都會影響所制備樣品的代表性和穩(wěn)定性。煤樣制備量大、制樣工作的簡單重復(fù)加劇了制樣人員的勞動強度；制樣工作長期處于高粉塵環(huán)境，不利于制樣人員的身體健康；此外，人工制樣還存在較大的廉潔風(fēng)險。為了建設(shè)數(shù)字化電廠［13-14］，降低勞動強度、規(guī)避廉潔風(fēng)險，不需要人工參與的自動化、智能化燃煤制樣機一直是科研人員研發(fā)的重點［15］。

燃煤全自動制樣機依據(jù)GB 474—2008《煤樣的制備方法》［16］進行煤樣制備的全流程控制。然而在保證全水樣、分析樣質(zhì)量和粒度達到要求的前提下，制樣效率、設(shè)備的積煤積粉、樣品的代表性和穩(wěn)定性等同樣是決定全自動制樣機能否在火電廠廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵性因素［17-19］。以華能沁北電廠采購的全自動制樣機為研究對象，以當(dāng)天采集的入廠煤和入爐煤樣品為試驗原料進行研究。通過記錄全自動制樣機的制樣時長，分析延時原因，揭示影響制樣效率的主要因素；通過進行質(zhì)量守恒試驗和空載試驗，探明全自動制樣機各區(qū)域的積煤積粉情況；通過對比全自動制樣機生成的備份樣、存查樣、分析樣的化驗指標(biāo)，以及對比人工制備分析樣和全自動制樣機制備分析樣的化驗指標(biāo)，研究全自動制樣機生成樣品的代表性和穩(wěn)定性。提高制樣效率、消除積煤積粉隱患、保證樣品的代表性和穩(wěn)定性有助于推進全自動制樣機的技術(shù)進步，從而擴大其在火電廠的應(yīng)用規(guī)模。

1 研究對象與方法

1.1 試驗原料

研究對象為全自動制樣機。全自動制樣機的試驗原料取自火電廠當(dāng)天采集的入廠煤和入爐煤。入廠煤和入爐煤均使用機器自動化采樣，并通過集樣桶封裝。同一批次的入廠煤所采集的樣品質(zhì)量不低于15 kg，同一臺機組的入爐煤所采集的樣品質(zhì)量也不低于15 kg。

1.2 制樣流程

全自動制樣機包括一級破碎單元、二級破碎單元、三級破碎單元、干燥單元、清掃單元和棄料單元，其主要結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。開始制樣前，全自動制樣機的機械手臂采用每桶依次入料的方式，將集樣桶中的煤樣倒入一級破碎單元中。同一煤樣的所有子樣品全部完成入料后，一級破碎單元才會進行工作。煤樣經(jīng)一級破碎單元破碎至6 mm 后，生成不低于1.2 kg 的全水樣和不低于3.5 kg 的備份樣、制備樣，其余樣品通過皮帶轉(zhuǎn)運至棄料單元舍棄。備份樣通過機械手臂暫時放置在備份樣品柜中，制備樣通過機械手臂轉(zhuǎn)移至二級破碎單元。6 mm 制備樣經(jīng)二級破碎單元破碎至3 mm 后，生成不低于800 g 的存查樣和干燥樣，其余樣品舍棄。干燥單元位于二級破碎單元下方，采用強制通風(fēng)干燥，干燥溫度50 ℃，干燥時間20 min。干燥完成后，干燥樣通過機械手臂轉(zhuǎn)移至三級破碎單元。3 mm 干燥樣經(jīng)三級破碎單元破碎至0.2 mm 后，生成不低于250 g 的分析樣，其余樣品由棄樣瓶收集，然后通過機械手臂轉(zhuǎn)移至棄料單元舍棄。清掃單元用于清洗集樣桶和樣品瓶。制樣結(jié)束后，全自動制樣機根據(jù)分析樣的質(zhì)量進行判定，如果分析樣的質(zhì)量大于250 g，則舍棄備份樣，如果分析樣的質(zhì)量小于250 g，則留存?zhèn)浞輼?，用于人工重新制備分析樣?/p>

1.3 樣品表征

全自動制樣機制備的全水樣用于化驗收到基煤樣的水分，制備的分析樣用于化驗空干基煤樣的熱值、硫分和氫含量。水分化驗使用全自動水分儀，依據(jù)GB/T 211—2017《煤中全水分的測定方法》［20］進行測試。硫分化驗使用全自動測硫儀，依據(jù)GB/T 214—2007《煤中全硫的測定方法》［21］進行測試。熱值化驗使用全自動量熱儀，依據(jù)GB/T 213—2008《煤的發(fā)熱量測定方法》［22］進行測試。收到基煤樣的熱值通過式（1）進行折算，干燥基煤樣的硫分通過式（2）進行折算：

圖 1 全自動制樣機結(jié)構(gòu)示意

式中Qar——收到基煤樣的熱值，MJ·kg-1；Qad——空干基煤樣的熱值，MJ·kg-1；Had——空干基煤樣的氫含量，%；Mar——收到基煤樣的水分，%；Mad——空干基煤樣的水分，%；Sad——空干基煤樣的硫分，%；Sd——干燥基煤樣的硫分，%。

2 制樣效率分析

制樣效率是全自動制樣機的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，決定了其在火電廠的適用性。華能沁北電廠采購的燃煤全自動制樣機說明書指出：單個樣品制樣時長60 min，連續(xù)制樣間隔22 min，制樣效率20 樣/8 h。本研究全自動制樣機一個月內(nèi)的制樣時長分布如圖2 所示，一個月內(nèi)，全自動制樣機共制備煤樣223 個，其中最短制樣時長56 min，最長制樣時長319 min，去掉最短和最長制樣時長，得到平均制樣時長103.2 min。制樣時長在50～100 min 的煤樣共164 個，占比73.54%；制樣時長在100～150 min 的煤樣共22 個，占比9.87%；制樣時長在150～200 min 的煤樣共11 個，占比4.93%；制樣時長在200～250 min 的煤樣共19 個，占比8.52%；制樣時長在250～300 min 的煤樣共6 個，占比2.69%；制樣時長在300～350 min 的煤樣共1個，占比0.45%。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，該全自動制樣機的制樣時長主要分布在50～100 min，該區(qū)間范圍內(nèi)的164 個煤樣的平均制樣時長為76 min?？梢娫趯嶋H運行中，該全自動制樣機并沒有達到說明書中所述的效率。按照平均制樣時長103.2 min計算，全自動制樣機連續(xù)進樣的制樣效率為18樣/8 h；按照平均制樣時長76 min 計算，全自動制樣機連續(xù)進樣的制樣效率為19 樣/8 h。

圖2 全自動制樣機制樣時長分布圖

全自動制樣機單個樣品制樣時長60 min，具體包括入料耗時16 min，一級破碎耗時5 min，二級破碎耗時5 min，干燥耗時20 min，三級破碎耗時10 min，出料耗時4 min。其中，入料時長和干燥時長是限制全自動制樣機連續(xù)制樣間隔時間的主要因素。

全自動制樣機程序控制系統(tǒng)和硬件執(zhí)行機構(gòu)頻繁故障是造成制樣延時的主要原因。程序控制系統(tǒng)故障主要發(fā)生在入料工藝。全自動制樣機采用輥筒輸送入料，入料工藝包括摘蓋、倒樣、清桶、合蓋、返桶5 個過程。集樣桶的桶蓋上內(nèi)嵌芯片，用于綁定所采集的煤樣信息。摘蓋機構(gòu)因為讀取不到芯片信息或在連續(xù)進子樣時無法跳轉(zhuǎn)至下一個開蓋程序，導(dǎo)致開蓋失敗，造成制樣延時。全自動制樣機的旋蓋機故障是造成制樣延時的另一個重要原因。全自動制樣機制備的全水樣、存查樣、分析樣存放在樣品瓶內(nèi)，旋蓋機用于封裝樣品瓶的瓶蓋。旋蓋機故障分為取瓶蓋失敗和蓋瓶蓋失敗。取瓶蓋失敗主要是因為存放在導(dǎo)向機構(gòu)內(nèi)的瓶蓋在下落過程中卡澀，無法到達瓶蓋轉(zhuǎn)移托盤內(nèi)。蓋瓶蓋失敗主要是因為識別器不能準(zhǔn)確讀取到旋蓋機內(nèi)的瓶蓋信號，導(dǎo)致蓋瓶蓋操作無法執(zhí)行。全自動制樣機發(fā)生故障后，整個制樣流程停滯無法繼續(xù)進行，需要人工干預(yù)消除故障后，方可繼續(xù)進行制樣。消除程序控制系統(tǒng)和硬件執(zhí)行機構(gòu)故障是實現(xiàn)全自動制樣機穩(wěn)定、高效運行的前提。優(yōu)化入料工藝、縮短入料時長以及擴充干燥單元、消除干燥等待時間是提高全自動制樣機制樣效率的有效手段。

3 運行特性分析

3.1 積煤積粉分析

全自動制樣機采用連續(xù)進樣運行方式，上一個煤樣如果存在積煤積粉，則會直接混入到下一個煤樣中，造成不同煤樣之間混樣，導(dǎo)致化驗結(jié)果失真。積煤積粉是影響全自動制樣機能否在火電廠應(yīng)用的決定性因素。通過質(zhì)量守恒試驗?zāi)軌蝌炞C全自動制樣機是否存在積煤積粉。全自動制樣機質(zhì)量守恒試驗結(jié)果如圖3 所示。質(zhì)量守恒試驗入料質(zhì)量37.82 kg，出料質(zhì)量包括全水樣1.82 kg、存查樣0.87 kg、分析樣0.26 kg、棄料35.12 kg，總計38.07 kg，可見出料質(zhì)量比入料質(zhì)量多0.25 kg，二者相對誤差0.66%。質(zhì)量守恒試驗證實了該全自動制樣機內(nèi)部存在積煤積粉，然而無法明確各個區(qū)域具體的積煤積粉情況。因此，需要改進試驗方案，以探明一級破碎單元、二級破碎單元、三級破碎單元內(nèi)的積煤積粉質(zhì)量，從而對全自動制樣機的穩(wěn)定性和可靠性進行評估。

圖3 全自動制樣機質(zhì)量守恒試驗結(jié)果

進行空載試驗，即入料質(zhì)量0 kg，一級破碎完成后，拍下全自動制樣機的急停按鈕，停止工作流程，取出備份樣和制備樣，從而確保機械手臂倒入二級破碎單元內(nèi)的制備樣為0 kg。二級破碎及干燥完成后，再次拍下急停按鈕，停止工作流程，取出存查樣和干燥樣，從而確保機械手臂倒入三級破碎單元內(nèi)的干燥樣也為0 kg?？蛰d試驗產(chǎn)生的全水樣、備份樣、制備樣為一級破碎單元內(nèi)的積煤積粉，存查樣和干燥樣為二級破碎單元內(nèi)的積煤積粉，分析樣和棄樣為三級破碎單元內(nèi)的積煤積粉。

空載試驗結(jié)果顯示，全自動制樣機各區(qū)域的積煤積粉情況如圖4 所示?？蛰d試驗生成的制備樣和備份樣共168.04 g，全水樣24.07 g，說明一級破碎單元積煤積粉192.11 g。全自動制樣機正常運行時，生成的制備樣和備份樣均不低于3.5 kg，因此一級破碎單元內(nèi)的積煤積粉占制備樣或備份樣的5.49%。空載試驗生成的存查樣和干燥樣共0.72 g，說明二級破碎單元積煤積粉0.72 g。全自動制樣機正常運行時，生成的存查樣和干燥樣都不低于800 g，因此二級破碎單元內(nèi)的積煤積粉占存查樣或干燥樣的0.09%。空載試驗生成的分析樣9.88 g，棄樣47.63 g，說明三級破碎單元積煤積粉57.51 g。全自動制樣機正常運行時，生成的分析樣不低于250 g，因此三級破碎單元內(nèi)的積煤積粉占分析樣的23.00%。由此可見，全自動制樣機內(nèi)部全流域存在積煤積粉，一級破碎單元最多，三級破碎單元次之，二級破碎單元最少；然而，三級破碎單元內(nèi)的積煤積粉占生成樣的比例最高，一級破碎單元次之，二級破碎單元最少。

圖4 全自動制樣機各區(qū)域積煤積粉分布

3.2 樣品代表性分析

全自動制樣機生成的備份樣和存查樣與分析樣相互補充與佐證。當(dāng)需要對燃煤指標(biāo)進行定期抽檢，或分析樣化驗指標(biāo)與燃煤采購預(yù)報指標(biāo)存在較大偏差時，可以重新化驗存查樣，以驗證分析樣化驗指標(biāo)的真實性和準(zhǔn)確性。如備份樣和存查樣的化驗結(jié)果一致，則說明全自動制樣機生成的樣品能夠代表采購燃煤的真實指標(biāo)。即使在分析樣化驗結(jié)果出現(xiàn)失真的情況下，仍能夠通過存查樣找回真實的燃煤化驗指標(biāo)。為了驗證全自動制樣機的代表性，共進行3 組試驗。每組試驗使用不同的入廠煤或入爐煤樣品，3 組試驗采用連續(xù)進樣的運行方式。在試驗過程中，取出備份樣，然后人工分別將備份樣和存查樣制成?0.2 mm 的樣品。同時化驗備份樣和存查樣的熱值、硫分，對比分析化驗結(jié)果的一致性。備份樣和存查樣熱值、硫分的化驗指標(biāo)如圖5 所示。

圖5 備份樣和存查樣的熱值、硫分化驗結(jié)果

備份樣-1 和存查樣-1 的熱值分別為19.64、19.67 MJ·kg-1，二者相差0.03 MJ·kg-1。備份樣-1和存查樣-1 的硫分分別為1.25%，1.23%，二者相差0.02%。備份樣-2 和存查樣-2 的熱值分別為17.12，17.17 MJ·kg-1，二者相差0.05 MJ·kg-1；備份樣-2 和存查樣-2 的硫分分別為1.32%，1.31%，二者相差0.01%。備份樣-3 和存查樣-3 的熱值分別為20.92，20.85 MJ·kg-1，二者相差0.07 MJ·kg-1。備份樣-3 和存查樣-3 的硫分分別為2.20%，2.22%，二者相差0.02%。

由3 組試驗結(jié)果顯示，備份樣和存查樣熱值最大偏差為0.07 MJ·kg-1，低于GB/T 213—2008規(guī)定的重復(fù)限定值0.12 MJ·kg-1。備份樣和存查樣硫分最大偏差0.02%，低于國標(biāo)GB/T 214—2007 規(guī)定的重復(fù)限定值0.05%。由此可見，雖然一級破碎單元和二級破碎單元會存在少量的積煤積粉，但是由于一級破碎單元和二級破碎單元生成樣品的質(zhì)量基數(shù)大，且大部分入料樣品在縮分的過程中會被舍棄，因此一級破碎單元和二級破碎單元內(nèi)的積煤積粉并沒有對制備樣和存查樣的化驗指標(biāo)造成影響。制備樣和存查樣是同一煤樣生成的樣品，均能夠代表該煤樣的真實特性。制備樣和存查樣熱值、硫分的化驗指標(biāo)低于國標(biāo)規(guī)定的重復(fù)限定值，說明該全自動制樣機一級破碎單元和二級破碎單元生成的樣品具有良好的代表性。

3.3 樣品穩(wěn)定性分析

火電廠日常工作中，只有分析樣才會用于化驗熱值和硫分，并將分析樣的化驗指標(biāo)作為燃煤采購的結(jié)算依據(jù)。因此，全自動制樣機生成的分析樣是否具有穩(wěn)定性、分析樣的化驗指標(biāo)是否真實可靠對燃煤采購具有重要的指導(dǎo)作用。

全自動制樣機、人工分別制備分析樣的熱值和硫分化驗結(jié)果如圖6 所示。全自動制樣機、人工使用同一入廠煤或入爐煤采集的樣品分別制備分析樣，然后化驗其熱值和硫分。通過對比，分析三級破碎單元內(nèi)的積煤積粉是否會影響全自動制樣機生成分析樣的代表性和穩(wěn)定性。人工制備分析樣先后使用聯(lián)合制樣機、電動縮分機、對輥破碎機、烘干箱和制樣粉碎機，此套設(shè)備在火電廠具有較長的應(yīng)用基礎(chǔ)，可以人工打開設(shè)備外殼清理上一個煤樣遺留的積煤積粉，因此試驗結(jié)果具有良好的穩(wěn)定性。

圖6 全自動制樣機、人工分別制備分析樣的熱值、硫分化驗結(jié)果

全自動制樣機、人工分別制備分析樣共進行4 組試驗，而全自動制樣機采用連續(xù)進樣的運行方式。分析樣4-機的熱值為20.36 MJ·kg-1，硫分為1.99%。分析樣4-人的熱值為20.45 MJ·kg-1，硫分為2.20%。分析樣5-機的熱值為19.93 MJ·kg-1，硫分為2.89%。分析樣5-人的熱值為17.89 MJ·kg-1，硫分為3.12%。分析樣5-機比分析樣5-人的熱值高2.04 MJ/kg，原因是分析樣4 的熱值高于分析樣5，分析樣4-機在三級破碎單元內(nèi)的積煤積粉混入分析樣5-機中，導(dǎo)致分析樣5-機的熱值偏高。相似地，分析樣5-機的硫分比分析樣5-人低0.23%，原因是分析樣4 的硫分低于分析樣5，分析樣4-機在三級破碎單元內(nèi)的積煤積粉混入分析樣5-機中，導(dǎo)致分析樣5-機的硫分偏低。同理，分析樣5-機在三級破碎單元內(nèi)的積煤積粉混入分析樣6-機中，分析樣6-機在三級破碎單元內(nèi)的積煤積粉混入分析樣7-機中，導(dǎo)致分析樣6-機和分析樣6-人以及分析樣7-機和分析樣7-人的熱值、硫分偏差均高于國標(biāo)規(guī)定的重復(fù)限定值。由此可見，全自動制樣機三級破碎單元內(nèi)的積煤積粉直接導(dǎo)致了分析樣化驗結(jié)果失真，使其不再具有代表性和穩(wěn)定性。

三級破碎單元體積小、動力弱無法將煤樣完全破碎至?0.2 mm 以下，使其通過?0.2 mm 篩網(wǎng)落入到分析樣的樣品瓶中，產(chǎn)生較多的篩上物是造成積煤積粉的主要原因。去掉?0.2 mm 篩網(wǎng)，利用全自動制樣機重新制備分析樣，以驗證篩上物對分析樣化驗結(jié)果的影響。去掉?0.2 mm 篩網(wǎng)后，使用入廠煤或入爐煤采集的樣品，全自動制樣機仍采用連續(xù)進樣的運行方式，進行3 組試驗。

備份樣、存查樣、分析樣熱值、硫分的化驗結(jié)果如圖7 所示。備份樣-8、存查樣-8、分析樣-8 的熱值分別為19.64，19.72，19.67 MJ·kg-1，三者最大相差0.08 MJ·kg-1，低于國標(biāo)規(guī)定的重復(fù)限定值。備份樣-8、存查樣-8、分析樣-8 的硫分分別為1.25%，1.23%，1.21%，三者最大相差0.04%，也低于國標(biāo)規(guī)定的重復(fù)限定值。相似地，備份樣-9、存查樣-9、分析樣-9 以及備份樣-10、存查樣-10、分析樣-10 的熱值、硫分的最大偏差均低于國標(biāo)規(guī)定的重復(fù)限定值。由此可以證實，三級破碎單元內(nèi)的篩上物殘留是造成積煤積粉的原因，而積煤積粉是造成分析樣化驗結(jié)果失真的原因。去掉?0.2 mm 篩網(wǎng)后，全自動制樣機生成的備份樣、存查樣、分析樣的熱值、硫分顯示出高度的一致性，因此三級破碎單元的破碎能力及樣品過篩率成為了限制全自動制樣機廣泛應(yīng)用的主要因素。

圖7 備份樣、存查樣、分析樣的熱值、硫分化驗結(jié)果

4 結(jié)語

燃煤全自動制樣機的制樣效率、積煤積粉、樣品的代表性和穩(wěn)定性是限制其在火電廠廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。通過實際試驗，揭示了影響全自動制樣機制樣效率的主要原因，驗證了全自動制樣機生成樣品的代表性和穩(wěn)定性。

（1）設(shè)備頻繁故障是造成單個樣品制樣延時的主要原因。單個樣品制樣時間從60 min 延時至76 min，制樣效率從20 樣/8 h 下降至19 樣/8 h。消除設(shè)備故障、縮短入料時長、避免干燥等待時間等是提高制樣效率的有效手段。

（2）全自動制樣機內(nèi)部全流域存在積煤積粉，一級破碎單元最多，三級破碎單元次之，二級破碎單元最少。制備樣和存查樣的熱值、硫分化驗結(jié)果低于國標(biāo)規(guī)定的重復(fù)限定值，說明一級破碎單元和二級破碎單元生成的樣品具有良好的代表性。

（3）三級破碎單元內(nèi)的篩上物殘留是造成積煤積粉、分析樣化驗結(jié)果失真的原因。去掉?0.2 mm 篩網(wǎng)后，備份樣、存查樣、分析樣的熱值和硫分化驗結(jié)果顯示出高度的一致性，表明三級破碎單元的破碎能力及樣品過篩率是限制全自動制樣機在火電廠廣泛應(yīng)用的主要因素。