智能化采制样技术趋向及应用探析

郭 清 杰

(淮北矿业股份有限公司 煤炭运销分公司，安徽 淮北 235000)

0 前 言

智能化采制样技术始于2013年，其初衷为防范营销风险，“燃料智能化管控”概念至2015年底在电力行业内逐步形成。其技术方面以模块化拼接制样室、管道气动传输、智能存取煤样、集中控制为主线，目前仍是市场主流的应用技术，已在煤炭及电力系统得以应用[1-13]。自2016年以来，部分煤样设备生产商开始研发机器人辅助制样并采用机械手传递样品，开辟了制样技术智能化的另一条途径。

1 技术应用现状

当前，国内已建成系统性的“智能化管控”项目114处，主要集中在电力行业，以国电集团居多，其他电力集团合计约30处，少量电厂仅在制样或存查煤样环节使用智能化设备。2018年5月，兖矿集团东滩矿开始招标智能化采制样项目，即其为国内煤炭行业率先实施智能化采制样的企业，设备目前正在进行安装调试。

2 技术特征

典型的智能化采制样项目在硬件上通常由采样机、智能化制样室、智能存取煤样间、气动传输管道和控制台组成。通过管控中心集中控制系统运行，采制样全程无需人员接触煤样，依据GB 474、GB 475设置流程和步骤，以杜绝人为因素干扰及充分防范营销风险。

常见的智能化采制样系统构成如图1所示。

2.1 采 样

采样技术相对成熟，近年来煤炭企业内各类采样机应用也较普遍，如胶带中部采样机、汽车门式采样机等。国内已出现研发机械手采样的公司，目前可做到快速抓取运动中的车辆顶部煤样，但仅在车表采样并不能满足商品煤采样的实际需要，该技术有待进一步开发。

图1 智能化采制样系统构成简图

成熟的智能化采样系统一般能通过改造企业原有的采样机集料装置衔接样品处理，采样系统通常要求满足以下4点:①设备堵煤、漏煤、撒煤等问题较少；②可接受监控中心指令，按胶带过煤量合理选择采样方案；③连续长期无故障运行，只需进行常规性保养、检修、巡视即可；④采出的煤样直接进入智能化制样间。

2.2 智能化制样

按制样顺序布局功能性单元、模块化制样是当前智能化制样系统的典型特征,常见有卧式、立式2种结构。目前市场已出现日制样量上限为48个的智能化制样系统，模块式布局制样系统自2013年出现以来，技术快速迭代升级，个别厂家已更新至第七代产品。典型卧式结构布局如图2所示。

图2 智能化制样系统典型卧式结构布局图

制样室各功能性模块逐级搭接，入料经称重后进行破碎、缩分及干燥、研磨等作业，样品制备后打包封装，经气动传输进入存查系统或用于化验。模块间通常以胶带输送进行连接，弃料集中堆放。针对目前的主流产品，各厂家分别采用不同的专有技术以防止样品交叉污染、防堵、防漏及防尘、防误操作等。在线检测全水分模块可以接入制样系统，各类数据可联网接入管理系统。

市场上主流厂家的制样系统破碎机大部分采用卧式、环锤静态筛底。缩分方式有旋转溜管、胶带挂扫、无极缩分等三类。研磨方式有球磨、圆盘研磨、旋转刀片、偏心振动研磨等。煤样烘干方式以红外加热最为常见，此外各厂家分别有光波加热、风透、负压吸风等技术应用于烘干。煤流通道以异型溜管或胶带转运最为常见。

近年来，诸多学者通过应用CFD技术对离心泵的汽蚀性能进行了大量的研究，也取得了一定的研究成果[2-7]，但对离心泵产生汽蚀的机理以及内部流场仍需要进一步研究。为此，本文应用ANSYS-CFX软件对1台比转数为132的离心泵进行了汽蚀性能的数值模拟，分析研究了泵汽蚀时叶片上的压力及气泡相的分布规律。

当前智能化制样的“智能”程度还有待进一步提高，尤其在故障自我侦测、远程运维等方面仍有不足之处，易损件(如筛网)耗量大，设备的可靠性不强，仍需靠专人连续运维。另外，设备在贴近上限运行的情况下，存在样品交叉污染的隐患。从智能化制样系统问世以来快速迭代的历程分析可知，上述问题应该会很快得到解决，更高端的智能化制样系统值得期待。

2.3 样品输送

管道输送样品是市场的主流，在技术上已能轻易地进行长距离(500 m以上)运输，且能杜绝人工接触煤样，任何管道的破坏均会引起气压的变化并报警，能够做到安全可靠。现场应用时有以下2个方面值得注意:①采样后物料进制样室之前，对转运环境的要求较高，在不能使用胶带或管道转运时通常只能使用密码电瓶车，需专人进行车辆运维。②在制样室与化验室之间传递样品，保密性有待改进。

2.4 存查柜管理及智能存样系统

气动管道把煤样瓶从智能制样系统的取样工作站送至智能存查样柜，机械手存取，样品储存数量可订制，可多点远程取样、分类保管，全程无人值守。存查煤样室可按存放时长自动剔除超时存放样，常规情况下非经授权则人员无法进入存查柜。气动传输及智能存样系统流程如图3所示。

图3 气动传输及智能存样系统流程

2.5 机器人制样

机器人制样目前还没有完整的智能管控系统应用案例。基本的形制是以“机器人”为核心，按样品的制作工艺流程在其周边布置功能性制样模块，逐级制样或根据需要灵活选择制样方案，外观如图4所示。

国内有多家公司都在研发机器人制样，早期开发的机器人制样室已在徐塘电厂率先试用两年，经不断升级改进，已实现逐级稳定缩分出所需样品。用户方面，国电山东分公司已有下属四家电厂订购机器人制样系统，酒泉钢铁机器人制样系统已投入使用3个月。机器人制备煤样流程如图5所示。

图4 制样机器人外观

图5 机器人制备煤样流程

目前机器人制样存在的不足之处主要包括以下3个方面:①更适合偏干的煤样；②功能性欠缺，如数据上传、自动分拣、合批尚待改进；③故障解除方面，如断电后复位需要人工手动辅助，影响连续制样。

3 智能化采制样技术趋向

智能化采制样技术自出现以来，即处于快速迭代升级中，大量光电技术与针对采制样特征的专有技术不断融合，设备性能持续改进。从最初仅用于电厂来煤制样，向采制、存储、输送、数据管控的一体化无人值守系统发展。

(2)煤样管理的可控性方面。采、制、输、存全流程避免人工参与，人工操作误差被消除，人为造假的可能性被杜绝。采样机的性能评价方法已成熟，煤样存取处于加密状态，制样按模块模拟人工流程，安全程度较高。

(3)设备的可靠性方面。虽智能化采制样系统结构复杂，涉及机械、电气、自动化、软件等多方面，但随着持续改进升级，在正常保养、简单巡检条件下，智能化采制样系统将具备成月连续稳定运行的能力。

今后的发展趋势包括以下4个方面:①向更高的集成度发展，新技术将不断与采制样功能、数据、模式、业务进行整合，智能化程度会更高，将形成具有自我故障诊断、煤样状态分析、辅助决策能力的智能化系统。②制样模块衔接更灵活，根据样品需要，智能制样系统能自我判断制样方式，模块间智能组合。③功能将进一步扩展，如与机器人化验结合，与在线测水、测灰等技术相结合，实现产品检测更高水平的智能化。④性价比更高。目前1套完整的智能化采制样管控系统动辄以千万元计，在人工成本较低的情况下，智能化采制样技术的推广速度有限，但随着技术发展，性价比更高的系统将有利于促进智能化采制样技术的大规模推广。

4 煤炭行业智能化采制样技术应用分析

智能化采制样系统目前在煤炭行业的应用还有待进一步深度推广，其与设备成本、技术推广程度、行业内对采制样技术的关注程度、智能化的可靠性和性价比等密切相关。煤矿、选煤厂的工业广场布局具有不同于电厂的复杂性，智能化采制样技术应用于煤炭行业是未来的全新课题。

(1)建设及运维费用。智能化采制样系统通常由采样、制样、样品传递、存取、管控中心建设及整合化验室等组成。参考大多数电厂燃料智能化管控新建系统费用:采样及封装200万元，智能化制样室200万元，样品存取及传递230万元，管控中心约320万元，集控软件及接口、整合等200万元。

运维情况:受设备可靠性制约，目前各地电厂已建成的智能化系统基本均由总包商负责运维。质保期满后，运维、第三方性能检定、耗材等费用，单套每年约50万元。

上述费用除智能化制样室费用相对固定外，其余费用视现场条件、规模及要求达到的效果而变化，通常1套系统建设费用在1 000万元以上，建设及使用成本仍偏高。

(2)技术推广情况。智能化采制样技术起步的2013年，正是煤炭行业“黄金十年”结束时，期间大量煤企亏损，产品检测做为企业生产销售的辅助性环节，其智能化未引起足够关注，当前矿井、选煤厂、港口等涉煤单位较少采用智能化采制样技术。随着煤炭企业基于自身发展驱动的装备升级步伐加快和智能化技术的加速扩散，煤炭行业相关人员已敏锐注意到该项技术，智能化与煤炭行业采制样的结合有待进一步提升。

(3)对煤炭行业的意义。当前，智能化采制样装备已在煤炭行业的下游用户尤其在电厂稳步推广，随着技术发展，装备性能趋于稳定，煤炭企业若使用智能化装备，则能够与下游用户在质检标准上对等，可实现采、制、存、运的闭环管理，同时能减少人为干扰、减轻职工劳动强度，有利于充分防范营销风险。

(4)智能化采制样技术在煤企的嵌入口。此处主要探讨智能化技术如何结合当前煤炭行业采制样现状进行实施。煤炭行业应用智能化采制样特点如下:①与电厂相比，煤炭企业日处理样品量相对偏少，现有的智能化采制样装备并不能因为样品少而减小，设备处理能力有较大富余。②在现有智能技术条件下，样品存在交叉污染隐患，故选煤厂中煤、煤泥等副产品不宜与精煤共用同一系统。③近年来采样机在选煤厂及矿井得到普及，为避免重复建设，需对原有采样机进行合理改造。④多数煤矿、选煤厂工业广场布局复杂，需寻求合理的方案，同时要考虑为将来智能化验室建设预留空间和接口。⑤智能化技术培训方面，当前的智能化设备在故障诊断、日常管控方面还需人员维护，需要为企业培养运维人员。

上述问题，解决的方向是需要研发适用煤矿、选煤厂特点的专用设备，尤其在故障侦测与修复、物料转运、管控中心布局方面需开发新技术以提高其对煤企的适应性，并在该过程中不断提高专用设备的性价比。