城郊煤矿选煤厂自动化及系统优化研究与应用

徐世辉，郭立欣

河南能源化工集团永煤公司城郊煤矿 河南永城 476600

城 郊煤矿选煤厂隶属于河南能源化工集团永煤公司，为矿井型选煤厂，现处理能力达到 500万 t/a。该厂现采用块煤斜轮分选、末煤有压两产品重介旋流器分选、粗煤泥 TBS 分选、煤泥浮选联合工艺流程。入选原煤为无烟煤，主要产品有洗中块、洗小块、洗小粒、末精煤和末原煤。

随着集团对产品质量要求的提高和生产成本的严格控制，要求城郊煤矿深挖潜力，降低生产成本，提高选煤厂自动化及系统优化水平。

1 自动化及系统优化问题的提出

城郊煤矿选煤厂自建厂以来，经过几次的设计改造，均将生产能力和产品质量作为主要关注对象，对其他环节关注度不够。选煤厂建厂已久，部分设备工艺没有跟上科技的进步，全员效率还有待提高[1]，自动化及系统优化水平较低，具体表现在以下方面。

(1) 人工调节给煤量 原煤仓下振动给煤机需要专人看管，给煤机的运行情况和给煤量需要实时观察和调节，包括闸板开度、给煤机的启停、溜槽疏通等。工人要连续值守才能保证给煤机正常稳定的运行，一旦给煤机下料溜槽堵塞，需要人工疏通。闸板给料全靠人力调节，难以实现精确控制。

(2) 人工监测产品转载过程 选煤厂的输送带、刮板等的检修与维护量大。刮板输送机依靠工人巡岗检查和专业工人上岗检查维修，无法实时监控；在生产过程中还会出现错牙、断链、跳链等现象，影响安全生产；带式输送机长度长，依靠人力巡检监测运行及溜槽情况，效率低。

(3) 机电设备多 选煤厂设备众多，而现有的监控系统并不完善，需要岗位工现场查岗，同时也加重了机电车间的任务，传统的检修方法难以保证设备处于最佳工作状态。

(4) 外运装车存在自动控制盲点 外运装车是选煤厂自动控制的盲点，机械化、自动化程度偏低，职工劳动强度大，作业环境恶劣，煤尘等一系列因素影响职工的身体健康。此外，人工清理车厢、平车、修复外胀车厢，劳动量大，不仅耗时费工，效率低，而且不利于人力资源的优化配置。

针对上述问题，城郊煤矿选煤厂开展自动化及系统优化技术研究，从而达到节能降耗、减人增效的目的[2]。

2 研究与应用过程

2.1 生产过程自动化及系统优化

2.1.1 优化工艺

为适应市场和扩能需求，城郊煤矿选煤厂新建了一套处理能力为 174.78 t/h 的块煤车间，用于洗选大块煤，但因扩能后“大马拉小车”现象较多，部分选煤瓶颈问题凸显，使得部分设备的性能没有得到充分发挥，间接造成吨煤成本仍然较高。针对瓶颈环节进行改造，合理优化工艺配置，释放产能，为实现自动化及系统优化打好基础。

(1) 将主井至原煤车间输送带的速度由 1.6 m/s 提高到 2.4 m/s，大幅度提高了处理能力。

(2) 优化工艺质量流程，合理分配块煤车间与洗煤车间的处理量，将其分级粒度由 55 mm 降低至 37 mm，提高了进入块煤车间的处理量，实现各系统满负荷均衡生产。

(3) 改造末煤重介系统。将 4 台φ710 mm 末煤重介旋流器更换为 840 mm 旋流器，对 4 台末精煤脱介筛及弧形筛扩能改造，释放重介系统产能，处理能力提高 100 t/h 左右，进一步提高处理能力和分选效果。

通过以上措施，选煤厂的处理能力真正实现了900 t/h 的设计目标，全厂吨煤电耗也大幅度降低。

2.1.2 依据原煤质量变化调节生产

(1) 将原振动给煤机改为带式给煤机，将闸板改为远程遥控，能够较好地控制给煤量。通过远程控制闸板开度和给煤机无级变速机的转速，来调节输送带的运行速度，从而控制给料量。

(2) 在原煤输送带上安装灰分仪和视频监控系统，通过两者结合综合判断可选性和矸石量的变化。矸石量增大，可选性变差，必须降低处理能力，调节入选量后，再根据精煤质量和其他生产情况进行适量调节。

(3) 在洗选关键岗位加装 LED 大屏，实时显示灰分仪、核子秤、流量计等各项生产数据，建立煤质洗选实时预警联动网络，实现入选、配煤、入洗所有流程联动操作，提高全厂生产的稳定性和连续性，将矿井提煤煤质波动对全厂煤炭洗选的影响降至最低，保证各产品各项指标在达标范围内，并提高全厂煤炭洗选的生产效率。

2.1.3 产品质量稳定自动化控制

(1) 城郊选煤厂末精煤主要由浮选精煤、重介精煤、TBS 生产的粗煤泥精煤、离心液经分级旋流器回收的煤泥 4 部分组成。在上仓产品输送机给料端安装水分测定仪，同时根据各精煤的水分组成估算末煤的水分，使末精煤产品的含水率控制在 8.8% 左右，接近 9% 产品要求[3]。而末原煤是按照发热量计价，在末原煤灰分一定的情况下，升高一个水分相当于降低了 66 cal，提高一个灰分相当于降低了 87 cal。利用该智能水分控制系统也可起到稳定发热量的目的[4]。

(2) 在分级旋流器底流泵安装可远程控制的变频器，在分级旋流器入口安装压力传感器测定压力，并将压力信号传递给分级旋流器压力稳定控制仪。将实时信号与压力设定值进行对比，由压力稳定控制仪发出信号，通过变频器自动调节旋流器入料泵的流量，达到稳定旋流器压力的目的，从而减少旋流器底流夹细，稳定末精煤质量。

(3) 针对末原煤发热量波动较大问题，建立高发热量末原煤与低发热量中煤掺配系统。根据末原煤灰分仪发出的信号自动控制低发热量中煤的掺配量，以自动改善末原煤质量，实现了低发热量中煤掺配的连续性和均匀性，从而达到末原煤销售效益的最大化。

2.2 集中控制与区域集控

为应对近年来选煤厂人员流失严重、招工困难、用人紧张的局面，城郊煤矿选煤厂提出了“集中控制与区域集控走岗操作”的管理模式。

2.2.1 区域集控室的建设

在原有集控室的基础上，新增 7 个区域集控室。区域集控室与厂集控室的功能一样，包括视频监控、问题干扰和现场操作，只是管辖范围为各自所负责的区域。目前全厂 7 个区域视频监控分别为原煤集中控制监控、块煤集中控制监控、主洗集中控制监控、浓缩集中控制监控、压滤集中控制监控、产品仓集中控制监控和装运集中控制监控，明确了各自区域视频监控管辖范围、职责和与厂调度室的关系。

2.2.2 厂集控监控系统扩容改造

在原有的智能球形摄像仪 (37 套)、配电室监控(15 套)、现场放射源监控 (13 套) 等的基础上，新增加了包括智能球形摄像仪、防爆形摄像仪和自动光圈固定高清摄像仪等 42 套监控设备，实现全厂范围内区域全覆盖。现场视频监控图像进入位于现场机箱内的小型 8 路一分二的视频分配器，一路通过视频光端机把视频图像传输至调度室，另一路通过视频光端机把视频图像传输到区域集控监控室。

2.2.3 新增各种检测仪表

在选煤厂关键部分安装液位计、压力表 (旋流器入料、加压过滤机、压滤机、各种风包等)、流量计(旋流器给料量、浅槽介质循环量、浮选入料量、循环水等)、浓度计 (浮选入料、浓缩机底流、循环水、各介质系统中的磁性物含量和非磁性物含量)、在线灰分仪、皮带秤等，并把测量信号传输至厂集中控制室和区域集控室。

2.2.4 区域集控远程操作

在所有的输送带和刮板机上安装保护装置和溜槽防堵塞检测装置。对全厂经常需要开关和调节的部位全部更换为可远程操控的液压或电动阀门，如原煤仓下给煤机改为远程遥控，洗煤各输送带转载点的机尾翻板改为电动控制，产品仓上入仓卸料小车改为雷达料位计测距自动卸料，装车放煤插板改为电液动并由岗位司机使用液晶触摸屏控制，有效促进生产系统运行，实现无人值守。这些阀门不仅能在现场操控，还可在区域集控监控室和厂集控室进行远程操作，大大减少了工人数量。

2.3 装车过程自动化

装车过程包括车辆牵引与装车过程的配合、车厢清洗、定量装车、平车、火车外胀修复等环节，各个环节由于存在空间位置的变化、局部变化、不确定因素的变化，要求快速准确达到、迅速装车。火车在选煤厂停留有严格的装车时间限制，按照规定的车厢节数设有标准时间，超出标准时间外按小时收取装车延时费用。目前大部分选煤厂采用大量的人工装车，机械化与自动化水平偏低，职工劳动强度大、危险系数大。为此，城郊煤矿选煤厂开展了装车过程自动化研究[5]。

2.3.1 自动清洗风干车厢

装车前为了减少原车箱残留的杂质，如水泥、黄沙、石粉等对精煤产品的污染，必须对车厢进行清理，选煤厂采用了水力自动清洗、风力干燥车厢的方法。

(1) 自动冲洗车厢系统 由泵将冲洗水 (3 级净化后的水) 送至位于装车的 2 道、3 道铁路上方，距离产品仓约 500～ 800 m 的高压喷水枪头，通过装运车间的区域集控监控室的远程操作喷枪冲洗车厢。冲洗后的污泥水通过三级闭路循环系统进行净化，净化后的水继续作为冲洗用水。

(2) 自动干燥车厢系统 为排出自动冲洗后车厢内残留的水对产品水分的影响，自行设计了风力自动干燥车厢系统。利用高压风将车厢底部残留的水吹走，达到干燥车厢的目的。

(3) 三级闭路循环系统 为避免冲车污水造成的环境污染，建立了车厢冲车用水三级闭路循环净化系统，实现了冲车污水的零排放。

2.3.2 创新装车技术

(1) 原来块煤由放煤溜槽直接进入火车，装煤高度落差比较大，块煤破碎严重，块煤限下率经常超标。为此，设计安装了“合页”式液压给煤装置，即在放煤溜槽上安装一个液压闸门，在溜槽放煤时，通过闭合液压装置，中块先在放煤溜槽中储存，然后缓慢放开液压闸门，使中块以滑落的方式装车，最大限度地减少块煤的破碎，同时降低了给料速度，使给料更加均匀。

(2) 装车明确规定外运煤装车高度要控制在冒出车厢 10 cm 以下，不得超高，且车帮及车辆连接处撒煤要清扫干净等。为此，自行设计制造了振动平煤器，其原理是振动电动机带动平煤板将煤在竖直方向上震动夯实，在水平方向上与 W 型平煤器一起做二次平整，工字钢固定装置在两侧钢丝绳滑道上上下滑动，起到缓冲作用。振动平煤器不用时可提升至高处。

(3) 火车装煤后一些车厢会出现外胀现象，一般采用人工对其修复。为了提高装车速度，满足列车快进快出的要求，自行设计了火车外胀液压修复装置。当车厢由于物料堆积、挤压而产生外胀变形时，把校正装置平放到变形车厢的上边缘，启动液压站，通过控制操作阀伸开液压缸推杆，将 2 个方形挂钩钩住车厢两侧边缘，然后由操作阀控制液压缸伸缩，使变形的车厢向内拉紧，从而得到校正恢复。

2.3.3 装车过程自动化控制

(1) 在装车楼设置区域集控和视频监控室，将整个装车过程的控制和视频监控全部接入该区域集控和视频监控室，便于操作人员全面掌握现场情况。

(2) 在装车区域集控室内架设独立 PLC 子站，使用触摸屏与 PLC 子站连接起来组成控制系统。将装运车间二楼 19 台振动给煤机更换为液压插板，并附加限位开关及监控摄像头，所有生产设备控制信号接入操作房 PLC 子站，生产现场视频信号接入装车操作房内显示屏。

(3) 编制程序建立液压插板与供煤输送带、装车斗子的互相闭锁关系，提升装车安全系数，实时监控、调整液压插板开关量，从而调节供煤量；监控、启动供煤输送带供煤；监控、控制装车斗为外运煤装车。

3 实施效果

(1) 洗选系统根据不同煤质自动调节入洗量及配煤量，在保障精煤质量和效率的前提下，最大限度地提高了洗选系统的处理能力，实现节能降耗、减人提效的目的。

(2) 实现以小集控为区域中心的集生产远程监视、生产设备选择性启停与操控、故障应急报警功能为一体的集约化自动控制单元系统，替代原来岗位司机的操作。

(3) 对装运车间进行自动化改造，装车效率提高30% 以上，人员减少 50%。

(4) 实现全厂自动化及系统优化改造，减少人力消耗，人员减少 60 人，末精煤产率提高，块精煤限下率明显降低，产生的直接经济效益 2 000 余万元。

4 经济效益分析

(1) 建立煤质洗选实时预警联动网络，提高全厂煤炭洗选的生产效率。自行设计了智能水分控制仪，产品水分稳定且接近用户要求，末精煤平均含水率由 8.0% 提高到近 8.8%。2020 年原煤入洗量为 350 万t，末精煤回收率为 60%，年创经济效益约为 1 512 万元。

(2) 应用“集中控制与区域集控走岗操作”管理模式，提高了员工的责任感和工作效率，减少了检修时间。全年影响生产时间同比减少 500 min，车间人员减少了 20 人/班，直接效益约为 432 万元/a。

(3) 应用快速装车系统，每个班减少 5 人，年减少材料消耗约 15 万元，年节省装车延时费用约 50 万元。此外，设计了“合页”式液压给煤装置，实现远程控制的同时，降低了块煤破碎率，块煤率提高了 1个百分点，年创经济效益约为 350 万元。

综上所述，通过自动化和系统优化，每年产生的经济效益为 2 294 万元，实际的经济效益还包括因降低动力消耗、药剂消耗及介质消耗等所产生的效益。

5 结语

城郊煤矿选煤厂通过自动化及系统优化的研究与应用，取得了明显的经济效益。提高选煤厂自动化水平符合我国目前减人增效的国有企业改革思路，对于降低选煤生产成本起到显著作用。我国能源结构中煤炭占有大部分，未来几十年对煤炭的需求量依然很大，煤炭的入选比例还会进一步增加，选煤厂的自动化可确保各设备处于最佳的工作状态，可以节约大量的宝贵资源，对行业发展有着深远的意义。