煤炭全自动采制一体化系统应用与运行维护

张治防，张宏悦

(1.皖能铜陵发电有限公司，安徽 铜陵 244012；2.江西光正检验检测认证有限公司，江西 南昌 330096)

0 引 言

煤炭是燃煤电厂发电成本的主要组成部分，其占比约70%[1-3]，而煤炭结算价格主要取决于其检测指标。随着国家工业化、信息化的发展以及智慧工厂建设的推进，煤炭检测过程的自动化和智能化已成为行业高质量发展的必然趋势，因而此亦为避免火电企业在煤炭检测过程中引入人为误差风险并降低人力成本的有效手段。根据检测总方差的计算，在采样、制样、化验3个环节中，采样及制样产生的误差占总误差的96%，因此煤炭检测时采、制样的准确性与火电企业的经济效益具有密切关系。

近年来，各火电企业十分重视燃料智能化建设，通过自动采样与自动制样系统的一体化设计，以期实现采、制样全过程的无人干预，并确保样品准备的准确性、完整性和代表性。因而全自动采制样一体化系统在日常应用中应得到正确、专业的运行维护，此亦为采、制无人化作业运行及数据稳定可靠的保障。

1 全自动采制样系统结构及工艺简介

全自动采制样一体化系统由全自动采样系统和全自动制样系统 2 个部分组成[4-6]。全自动采样系统主要包括静止煤采样系统和煤流采样系统 2 种应用[7]。静止煤采样系统通常应用于汽车车厢和火车车厢采样的移动龙门式(或移动机器人式)全断面螺旋钻采样，而煤流采样系统则应用于输煤栈桥的中部或端部，其主要形式为切割斗全断面截取式。目前，行业内应用较多的采样系统当属全自动胶带中部采样系统。

全自动制样系统通常分为卧式结构的自动联合制样系统和机器人制样系统[8]。卧式结构的自动联合制样系统在电力能源行业的应用较为广泛。然而随着机器人技术的不断发展和推广，机器人制样系统将会在某些应用场景中展现出其灵活性。以下介绍具有代表性的全自动胶带中部采样系统和自动联合制样系统的系统结构与工艺流程。

1.1 全自动胶带中部采样系统结构

全自动胶带中部采样系统满足GB/T 19494.1—2004《煤炭机械化采样 第1部分：采样方法》[9]的技术要求，一般采用立式布置，其结构示意如图1所示，主要由采样头、整形托辊组、溜管、初级胶带给料机、初级破碎机[10]、二级胶带给料机、缩分装置、集样归批装置、斗式提升机、钢结构平台和旁路等装置组成。

图1 胶带中部采样系统结构示意Fig.1 Schematic diagram of the sampling system structure in the middle of the tape

全自动胶带中部采样系统的采样头架设在栈桥胶带输送机的中部，具体位置根据高度、整体布局、其他建筑物干涉等情况而定。采样头全断面切割获得的煤样通过溜管落至初级胶带给料机，经过拉长混匀、除铁、限流等步骤后进入破碎机。破碎机将原煤样破碎后，煤样进入二级胶带给料机，自动缩分装置对煤样进行间歇性的全断面截取，然后集样归批装置对缩分得到的煤样进行分批收集。

集样归批装置主要包括在线式和离线式2种形式，其中在线式为底开门式，可实现就地与自动制样系统的在线对接；而离线式可设置为电子密码桶式，主要应用于采、制对接距离较长的情形。前者各集样桶内的煤样可在固定位置自动打开底部门板，根据批次要求，自动将同批次煤样卸料至采制转接输送机，从而实现采制在线对接。后者煤样集样于密码桶后会进行自动封盖，各密码桶经人工或智能车转运至制样间由人工或自动归批后进行制样，属于采制离线对接方式。

破碎机和二级胶带给料机(含缩分装置)安装在整体钢架平台上，方便检修。破碎机及以下部分机器检修或维护时，为不增加人工采样的工作量，可将采样头落煤溜管设置成“人”型，以实现旁路收集原煤样的功能。或将初级胶带给料机设置成可正反转式，反转时其上的原煤样则进入旁路系统，人工用桶或其他容器接取即可。二级胶带给料机缩分后的余煤经溜槽进入斗式提升机，提升弃料至栈桥胶带输送机采样头的后方，随煤流进入煤场(入厂煤)或筒仓、锅炉(入炉煤)。

自动胶带中部采样流程如图2所示。

图2 自动胶带中部采样系统流程Fig.2 Process of automatic tape central sampling system

1.2 自动联合制样系统的结构组成

自动联合制样系统满足GB/T 19494.2—2004《煤炭机械化采样 第2部分:煤样的制备》[11]、GB/T 474—2008《煤样的制备方法》[12]和GB/T 30731—2014《煤炭联合制样系统技术条件》[13]国家标准的技术要求。系统通常采用卧式平铺结构，如图3所示。

图3 自动联合制样系统结构示意Fig.3 The structure diagram of automatic joint sample preparation system

自动联合制样系统的主要结构包括称重入料装置、一级破碎装置、全水分缩分装置、定质量缩分装置、二级破碎装置、备查样缩分装置、弃料暂存装置、干燥研磨装置、一般分析样缩分装置、封装标识装置、给瓶装置、收瓶装置、除尘单元和控制单元等。

称重入料装置对在线或离线来样进行称重后转运至一级破碎装置，通常一级破碎装置采用锤式破碎结构，并具备自刮扫清样功能，破碎后的煤样通过全水分样缩分装置截取出全水分样，得出6 mm全水分样。定质量缩分装置以来料质量为依据并实现自动定质量缩分，缩分出符合国标质量要求的样品进入二级破碎装置破碎后进行缩分，得出3 mm备查样，余样进入干燥研磨装置进行空气干燥及研磨后，得出0.2 mm一般分析试样，弃料暂存装置对弃样进行暂存管理待最终样品制备完成后自动输送至指定位置。封装标识装置对各环节制成的装瓶样品进行称重、封装及标识，统一收集于收瓶装置。整个制样工艺流程作业时除尘单元同步运行，其节拍由控制单元进行协调联动，实现与制样系统在线一体化无人化自动作业。

自动联合制样系统流程如图4所示。

图4 自动联合制样系统流程Fig.4 The system process of automatic joint sample preparation

2 系统运行常见问题分析

因煤炭全自动采制样系统流程长、结构庞大、机械装置及传动多、操作复杂，且受煤炭成分复杂性高、采制样人员专业能力各异等因素的影响，在缺乏专业、系统性的维护保养时，煤炭全自动采制样系统在实际使用过程中经常出现留样量不足、各级粒度不达标和采制样损失率过大等问题，由此影响设备的正常使用及对样品的精密度产生较大的不良影响。

以下将从设备的使用、维护和管理等方面对上述问题进行原因分析。

2.1 初采样量与各级缩分留样量不足

对于采样阶段的初采样量不足以及制样阶段的各级缩分留样量不足，分析其原因主要包括以下3个方面：

(1)系统在使用过程中，采样头(取样器)采样间隔、缩分器缩分频率等关键参数设置错误，未根据来煤样量及时进行相应参数的调整；未进行必要的设备日常点检，各缩分器进、出口处密封装置存在漏、撒煤情况，或胶带自动刮扫装置运行不正常，造成各转运输送机存在积、堵煤情况。

(2)在维护方面，未定期对各缩分器(采样头取样器)等进行维护，或未及时更换取样器和缩分器上的柔性贴合片等易损件，不能保证缩分器为全断面切割；未检查各缩分器开口是否变形，造成其开口尺寸达不到应不小于来料3倍标称粒度的要求；未检查、维护各输送胶带、密封挡板及刮扫器的磨损情况，造成缩分时存在积、堵、撒、漏煤等情况。

(3)在管理方面，管理者对设备使用环境不重视，对设备操作人员的业务能力、操作水平要求不高，且对设备的日常点检、维护不在意，过度依赖设备的自动化、智能化功能，易造成设备带障作业及非正常运行的状况。

2.2 过筛率不达标

依据GB/T 19494.2—2004《煤炭机械化采样 第2部分：煤样的制备》的相关要求，采、制样过程中的一般初级破碎粒度为13 mm，全水分样粒度为6 mm，备查样粒度为3 mm，一般分析试样粒度为0.2 mm。综合考虑采、制样过程的样品水分损失，13 mm和6 mm粒度的过筛率要求不小于95%且小于100%。而3 mm和0.2 mm的过筛率要求为100%。全自动采、制样系统在实际使用过程中易出现过筛率不达标的原因主要包括以下3个方面：

(1)系统使用过程中，锤破、对辊或研磨装置来料粒度超出要求，造成破碎设备堵料，从而使得大颗粒煤块溢出；未检测和清理除铁装置，造成铁块等异物进入破碎装置；未注意到各级破碎装置的筛网破损；未注意到各转运输送胶带存在积、存料情况。

(2)系统维护时未定期对锤头、对辊辊筒、研磨头、筛网、刮扫器等易损件的磨损、损坏等情况进行检查和更换配件。

(3)在设备管理方面，未制订设备的保养、维护计划，未建立合理的易损件采购、更换计划，设备仅在产生故障时进行临时性维修或临时性替代措施复位。

2.3 采制样过程中的样品损失

全自动采制样系统采取混匀、破碎、缩分几个动作的多次循环，中间采用输送胶带或转运容器进行煤料的转运，因而落煤溜管、存样斗、盛样桶、容器、破碎腔、缩分器、转运输送机等各环节在使用过程中普遍存在因刮扫、清洁不彻底、密封不严实、刮扫器磨损等情况而造成积、漏、撒、扬、存煤，从而不仅使得整个采、制样过程中的损失率超过2%，同时可能造成前后批次煤交叉混样的发生，将导致样品数据的严重失真。故在维护时除需对上述各零配件进行及时检查、维护和更换外，还应对各级称重模块进行定期的校准，保证来样、留样和弃样质量数据的准确性。

2.4 设备运行稳定性

目前市面上应用较多的全自动采制一体化系统，其自动化、智能化程度较高，通常需与PLC控制系统[14-15]、上位机和管控软件联用。因系统光电开关、近接开关、磁性开关、射频芯片等传感器应用较多，因而通讯接口、协议又存在多家设备厂商相互对接的情况。另外，系统工作环境还存在粉尘大、湿度大、温度变化大等特点，在操作、使用设备时，若未严格按照使用说明书与操作规范等进行日常点检或未及时进行设备操作系统的更新维护，将导致设备经常性出现一些非性能原因的故障，导致采、制样流程无法正常、有效进行。

3 采制一体化系统维护后的数据验证

对于全自动采制一体化系统，其系统稳定性是保证所采制样品代表性的关键。衡量 1 套全自动采、制一体化系统的稳定性，其检测数据一般包括采样系统和全自动制样系统的精密度、偏倚、水分损失率、制样损失率及过筛率等。尤其针对系统的精密度和偏倚，通常依据相关国家标准要求并通过统计学、概率学等数学模型进行批量试验数据验证，再将之与经验值进行比较，较完善地得出系统的精密度和偏倚范围，且该两值和整个系统的运行维护、检修、零配件更换等关联性极高，可直接反馈出系统的整体运行稳定性。以下通过实际案例，以胶带中部采样系统的灰分性能试验数据的测试及推算为主，以期发现全自动采制一体化系统运行维护对其精密度等数据的影响。

试验样机为1套已运行3 a 的自动胶带中部采样系统，其在系统性维护检修前已出现精密度严重超差情况，见表1。其中，维护前采制样和化验的单样、双样检测灰分分别为Ad1、Ad2。

表1 维护前采制样和化验灰分(Ad)总精密度试验数据Table 1 The precision test data of sampling and testing total ash(Ad)before maintenance

从表1可明显看出，维护前采制样和化验的灰分离群值较多，最后精密度上限为2.16%，远大于最差允许精密度(Pw)1.60%，该采样系统的灰分精密度值不符合要求。后经对该采样系统进行检修维护，发现采样头与输煤栈桥胶带之间的取样器完全磨损，其间隙已达15～25 mm，远超过其设计间隙2～8 mm的范围，且该采样系统还有仿形托辊变形、溜管转角处积煤、初级破碎锤头磨损严重、筛网脱漏、二级缩分器缩分频率过低等故障情况发生。

针对采样系统上述灰分离群值较多的情况，重新更换设备的仿形托辊、采样斗取样器、锤头及初级破碎筛网等配件，并调整采样器间隙至2～8 mm，调整二级缩分器频率至1 次/s的出厂设置值，同时采取清理干净一级给料输送机和溜管上的积煤等措施。在原有采样方案不变的基础上重新对该采样系统进行精密度试验，试验结果见表2，其中维护后采制样和化验的单样、双样检测灰分分别为Ad3、Ad4。

表2 维护后自动采制样和化验灰分(Ad)总精密度试验数据Table 2 The precision test data of sampling and testing total ash(Ad)after maintenance

由试验结果可知，在该批煤以10个采样单元采样的条件下，灰分测定平均值的真实精密度在95%置信概率下落在0.15%～0.37%范围内。由于αHp

自动采制样系统在实际应用过程中，其运行稳定性和采样切割、混匀、缩分、破碎、刮扫及清洁等各环节的运行维护效果关联性较大，因此自动采制样系统使用过程中的运行维护对系统的稳定性及样品数据准确性至关重要。

4 采制一体化系统运维措施

结合全自动采制一体化系统的结构组成和工艺流程，由系统运行常见问题分析与性能试验数据验算可知，全自动采制一体化系统在实际运行过程中应采取相应的维护措施，以保证系统运行的稳定性及数据的准确性。基于全自动采制一体化系统的自动化、数字化、网络化等智能化程度较高，对于全自动采制一体化系统的日常使用，从运行维护角度提出建立完善的设备维护保养制度与管控系统、定期对设备故障日志进行统计分析等措施。

4.1 建立完善的设备维护保养制度

(1)为了确保全自动采、制一体化系统正常运行，需定期进行维护和保养。① 主要检查设备的电机、减速机、轴承等各机械部件与转动件的温升、润滑情况；② 定期检查并调整采样头与输煤胶带间隙，保证全断面子样切割；③ 定期检查初级给料机和二级胶带给料机刮扫装置，保证胶带上无残留；④ 定期检查缩分器伺服控制器，保证缩分次数满足国标要求；⑤ 定期检查和校准称重入料装置的称重模块，确保其准确性；⑥ 定期清理和维护上料装置、一级锤破装置、存查样缩分装置、热风干燥装置、研磨粉碎装置等部件，确保其正常运转；⑦ 定期检查设备的各电器元件，如按钮开关、急停、变频器、驱动器、电源、传感器、通讯模块、电磁阀、制动整流模块、称重传感器或变送器等是否正常工作；⑧ 定期清洁设备内部和外部，保持采、制样环境，定期更换胶带、取样器等易损件等。

(2)对全自动采制一体化系统需定期进行质量比对试验和筛分试验，确保各粒度级留样量和过筛率符合国家标准要求。

(3)需对操作人员进行专业培训，令其掌握正确的操作方法和注意事项，避免误操作导致的设备损坏和安全事故。

(4)制定规范的操作流程，包括采、制样的步骤、采样方案的选择和处理、设备的调试和使用等，确保操作人员能够按照规定的流程进行操作。

(5)在设备周围设置安全警示标识，确保操作人员遵守安全操作规程，防止意外事故的发生。制定应急预案，对设备故障、采、制样异常、安全事故等进行应急处理，减少损失和影响。

(6)定期对自动采、制样系统进行检查和检验，确保设备符合相关标准和技术要求，保证设备的精度和可靠性。

通过以上措施的实施，可以保障全自动采、制样系统的正常运行，提高采、制样的效率和准确性，为后续的样品分析提供可靠的数据支持。

4.2 建立完善的管控系统

全自动采制一体化系统是 1 套自动化、智能化、信息化程度较高的系统，在实现全自动在线运行时牵涉到较多的物流信息、数据信息、控制信息等在各设备间的自动存储、传输、调用，因此为保证各信息的传递准确性，各控制程序应协调运行，因而为全自动采制一体化系统设计开发 1 套完整的管控系统软件非常必要。

全自动采制一体化管控系统还需与栈桥胶带输送机、数字化煤场、锅炉机组等电厂其他数据岛实现互联互通，必要时设备之间还需进行互联互锁。例如，采样头动作与栈桥胶带输送机动作互锁，可避免采样头停留在栈桥胶带输送机上造成“犁煤”的采样事故发生。

4.3 对设备故障日志定期统计分析的措施

建立全自动采制一体化系统的设备故障日志实属非常重要，可通过对日志的定期统计分析实时了解设备的运行状况、故障模式和维修需求。对设备故障日志定期统计分析的具体措施主要包括以下3个方面：

(1)收集设备故障的所有相关信息，包括故障时间、故障部位、故障类型、维修记录等，以确保对故障日志的全面了解。

(2)将收集到的故障信息进行整理和分析，发现设备的故障规律和故障模式。通过对数据的系统分析，确定设备的维护和维修需求，制定和调整相应的维修计划和预防措施；通过对故障原因的深度调查，找出导致设备故障的根本原因，从而采取相应的改进措施和预防措施，避免类似故障的再次发生。

(3)根据对设备故障日志的分析和调查结果，制定或修改相应的维修计划。维修计划应包括维修周期、维修内容、维修方法等，以确保设备能够及时得到维护和维修；除了制定维修计划外，还可根据设备故障日志的分析结果以制定相应的预防措施。预防措施包括定期更换易损件、检查设备状态、加强设备维护等，从而有效延长设备的使用寿命和减少故障率。

通过定期对全自动采制一体化系统的设备故障日志进行统计分析，可更好地了解设备的运行状况和故障模式，制定相应的维护和维修计划，提高设备的可靠性和稳定性，确保自动采、制样系统的正常运行。

5 结 论

(1)结合全自动采制一体化系统的结构和工艺，针对系统应用现状和相关问题进行原因分析，通过实际案例的试验数据验证与对比，得出因该采制一体化系统具有高度自动化、智能元器件应用广泛、使用环境恶劣、来料复杂度高等特点，在实际使用中的运行维护对系统性能稳定性和数据准确性具有非常重要的影响，因此全自动采制一体化系统的实际运行维护对于保障其稳定性和准确性尤为关键。

(2)结合全自动采制一体化系统的实际应用经验，给出包括但不限于定期检查设备的运行状态、及时更换易损件、保持设备清洁卫生、建立完善的维护档案等一系列具体的运行维护保障措施。通过专业、规范的运行维护管理措施则可确保全自动采制一体化系统的稳定运行，提高采制样工作的效率和准确性，为用煤企业的质量控制及其他研究领域提供可靠的数据支持。

(3)基于全自动采制一体化系统的运行维护对于其稳定性和准确性的重要性，现场应用时应结合面临的实际情况从而制定更加全面、科学、有效的运行维护管理制度和办法，确保全自动采制一体化系统在各应用领域中发挥最大的潜力，并为相关行业的发展提供强有力的支持。