智能化采制樣技術趨向及應用探析

郭 清 杰

(淮北礦業股份有限公司 煤炭運銷分公司，安徽 淮北 235000)

0 前 言

智能化采制樣技術始于2013年，其初衷為防范營銷風險，“燃料智能化管控”概念至2015年底在電力行業內逐步形成。其技術方面以模塊化拼接制樣室、管道氣動傳輸、智能存取煤樣、集中控制為主線，目前仍是市場主流的應用技術，已在煤炭及電力系統得以應用[1-13]。自2016年以來，部分煤樣設備生產商開始研發機器人輔助制樣并采用機械手傳遞樣品，開辟了制樣技術智能化的另一條途徑。

1 技術應用現狀

當前，國內已建成系統性的“智能化管控”項目114處，主要集中在電力行業，以國電集團居多，其他電力集團合計約30處，少量電廠僅在制樣或存查煤樣環節使用智能化設備。2018年5月，兗礦集團東灘礦開始招標智能化采制樣項目，即其為國內煤炭行業率先實施智能化采制樣的企業，設備目前正在進行安裝調試。

2 技術特征

典型的智能化采制樣項目在硬件上通常由采樣機、智能化制樣室、智能存取煤樣間、氣動傳輸管道和控制臺組成。通過管控中心集中控制系統運行，采制樣全程無需人員接觸煤樣，依據GB 474、GB 475設置流程和步驟，以杜絕人為因素干擾及充分防范營銷風險。

常見的智能化采制樣系統構成如圖1所示。

2.1 采 樣

采樣技術相對成熟，近年來煤炭企業內各類采樣機應用也較普遍，如膠帶中部采樣機、汽車門式采樣機等。國內已出現研發機械手采樣的公司，目前可做到快速抓取運動中的車輛頂部煤樣，但僅在車表采樣并不能滿足商品煤采樣的實際需要，該技術有待進一步開發。

圖1 智能化采制樣系統構成簡圖

成熟的智能化采樣系統一般能通過改造企業原有的采樣機集料裝置銜接樣品處理，采樣系統通常要求滿足以下4點:①設備堵煤、漏煤、撒煤等問題較少；②可接受監控中心指令，按膠帶過煤量合理選擇采樣方案；③連續長期無故障運行，只需進行常規性保養、檢修、巡視即可；④采出的煤樣直接進入智能化制樣間。

2.2 智能化制樣

按制樣順序布局功能性單元、模塊化制樣是當前智能化制樣系統的典型特征,常見有臥式、立式2種結構。目前市場已出現日制樣量上限為48個的智能化制樣系統，模塊式布局制樣系統自2013年出現以來，技術快速迭代升級，個別廠家已更新至第七代產品。典型臥式結構布局如圖2所示。

圖2 智能化制樣系統典型臥式結構布局圖

制樣室各功能性模塊逐級搭接，入料經稱重后進行破碎、縮分及干燥、研磨等作業，樣品制備后打包封裝，經氣動傳輸進入存查系統或用于化驗。模塊間通常以膠帶輸送進行連接，棄料集中堆放。針對目前的主流產品，各廠家分別采用不同的專有技術以防止樣品交叉污染、防堵、防漏及防塵、防誤操作等。在線檢測全水分模塊可以接入制樣系統，各類數據可聯網接入管理系統。

市場上主流廠家的制樣系統破碎機大部分采用臥式、環錘靜態篩底。縮分方式有旋轉溜管、膠帶掛掃、無極縮分等三類。研磨方式有球磨、圓盤研磨、旋轉刀片、偏心振動研磨等。煤樣烘干方式以紅外加熱最為常見，此外各廠家分別有光波加熱、風透、負壓吸風等技術應用于烘干。煤流通道以異型溜管或膠帶轉運最為常見。

近年來，諸多學者通過應用CFD技術對離心泵的汽蝕性能進行了大量的研究，也取得了一定的研究成果[2-7]，但對離心泵產生汽蝕的機理以及內部流場仍需要進一步研究。為此，本文應用ANSYS-CFX軟件對1臺比轉數為132的離心泵進行了汽蝕性能的數值模擬，分析研究了泵汽蝕時葉片上的壓力及氣泡相的分布規律。

當前智能化制樣的“智能”程度還有待進一步提高，尤其在故障自我偵測、遠程運維等方面仍有不足之處，易損件(如篩網)耗量大，設備的可靠性不強，仍需靠專人連續運維。另外，設備在貼近上限運行的情況下，存在樣品交叉污染的隱患。從智能化制樣系統問世以來快速迭代的歷程分析可知，上述問題應該會很快得到解決，更高端的智能化制樣系統值得期待。

2.3 樣品輸送

管道輸送樣品是市場的主流，在技術上已能輕易地進行長距離(500 m以上)運輸，且能杜絕人工接觸煤樣，任何管道的破壞均會引起氣壓的變化并報警，能夠做到安全可靠。現場應用時有以下2個方面值得注意:①采樣后物料進制樣室之前，對轉運環境的要求較高，在不能使用膠帶或管道轉運時通常只能使用密碼電瓶車，需專人進行車輛運維。②在制樣室與化驗室之間傳遞樣品，保密性有待改進。

2.4 存查柜管理及智能存樣系統

氣動管道把煤樣瓶從智能制樣系統的取樣工作站送至智能存查樣柜，機械手存取，樣品儲存數量可訂制，可多點遠程取樣、分類保管，全程無人值守。存查煤樣室可按存放時長自動剔除超時存放樣，常規情況下非經授權則人員無法進入存查柜。氣動傳輸及智能存樣系統流程如圖3所示。

圖3 氣動傳輸及智能存樣系統流程

2.5 機器人制樣

機器人制樣目前還沒有完整的智能管控系統應用案例。基本的形制是以“機器人”為核心，按樣品的制作工藝流程在其周邊布置功能性制樣模塊，逐級制樣或根據需要靈活選擇制樣方案，外觀如圖4所示。

國內有多家公司都在研發機器人制樣，早期開發的機器人制樣室已在徐塘電廠率先試用兩年，經不斷升級改進，已實現逐級穩定縮分出所需樣品。用戶方面，國電山東分公司已有下屬四家電廠訂購機器人制樣系統，酒泉鋼鐵機器人制樣系統已投入使用3個月。機器人制備煤樣流程如圖5所示。

圖4 制樣機器人外觀

圖5 機器人制備煤樣流程

目前機器人制樣存在的不足之處主要包括以下3個方面:①更適合偏干的煤樣；②功能性欠缺，如數據上傳、自動分揀、合批尚待改進；③故障解除方面，如斷電后復位需要人工手動輔助，影響連續制樣。

3 智能化采制樣技術趨向

智能化采制樣技術自出現以來，即處于快速迭代升級中，大量光電技術與針對采制樣特征的專有技術不斷融合，設備性能持續改進。從最初僅用于電廠來煤制樣，向采制、存儲、輸送、數據管控的一體化無人值守系統發展。

(2)煤樣管理的可控性方面。采、制、輸、存全流程避免人工參與，人工操作誤差被消除，人為造假的可能性被杜絕。采樣機的性能評價方法已成熟，煤樣存取處于加密狀態，制樣按模塊模擬人工流程，安全程度較高。

(3)設備的可靠性方面。雖智能化采制樣系統結構復雜，涉及機械、電氣、自動化、軟件等多方面，但隨著持續改進升級，在正常保養、簡單巡檢條件下，智能化采制樣系統將具備成月連續穩定運行的能力。

今后的發展趨勢包括以下4個方面:①向更高的集成度發展，新技術將不斷與采制樣功能、數據、模式、業務進行整合，智能化程度會更高，將形成具有自我故障診斷、煤樣狀態分析、輔助決策能力的智能化系統。②制樣模塊銜接更靈活，根據樣品需要，智能制樣系統能自我判斷制樣方式，模塊間智能組合。③功能將進一步擴展，如與機器人化驗結合，與在線測水、測灰等技術相結合，實現產品檢測更高水平的智能化。④性價比更高。目前1套完整的智能化采制樣管控系統動輒以千萬元計，在人工成本較低的情況下，智能化采制樣技術的推廣速度有限，但隨著技術發展，性價比更高的系統將有利于促進智能化采制樣技術的大規模推廣。

4 煤炭行業智能化采制樣技術應用分析

智能化采制樣系統目前在煤炭行業的應用還有待進一步深度推廣，其與設備成本、技術推廣程度、行業內對采制樣技術的關注程度、智能化的可靠性和性價比等密切相關。煤礦、選煤廠的工業廣場布局具有不同于電廠的復雜性，智能化采制樣技術應用于煤炭行業是未來的全新課題。

(1)建設及運維費用。智能化采制樣系統通常由采樣、制樣、樣品傳遞、存取、管控中心建設及整合化驗室等組成。參考大多數電廠燃料智能化管控新建系統費用:采樣及封裝200萬元，智能化制樣室200萬元，樣品存取及傳遞230萬元，管控中心約320萬元，集控軟件及接口、整合等200萬元。

運維情況:受設備可靠性制約，目前各地電廠已建成的智能化系統基本均由總包商負責運維。質保期滿后，運維、第三方性能檢定、耗材等費用，單套每年約50萬元。

上述費用除智能化制樣室費用相對固定外，其余費用視現場條件、規模及要求達到的效果而變化，通常1套系統建設費用在1 000萬元以上，建設及使用成本仍偏高。

(2)技術推廣情況。智能化采制樣技術起步的2013年，正是煤炭行業“黃金十年”結束時，期間大量煤企虧損，產品檢測做為企業生產銷售的輔助性環節，其智能化未引起足夠關注，當前礦井、選煤廠、港口等涉煤單位較少采用智能化采制樣技術。隨著煤炭企業基于自身發展驅動的裝備升級步伐加快和智能化技術的加速擴散，煤炭行業相關人員已敏銳注意到該項技術，智能化與煤炭行業采制樣的結合有待進一步提升。

(3)對煤炭行業的意義。當前，智能化采制樣裝備已在煤炭行業的下游用戶尤其在電廠穩步推廣，隨著技術發展，裝備性能趨于穩定，煤炭企業若使用智能化裝備，則能夠與下游用戶在質檢標準上對等，可實現采、制、存、運的閉環管理，同時能減少人為干擾、減輕職工勞動強度，有利于充分防范營銷風險。

(4)智能化采制樣技術在煤企的嵌入口。此處主要探討智能化技術如何結合當前煤炭行業采制樣現狀進行實施。煤炭行業應用智能化采制樣特點如下:①與電廠相比，煤炭企業日處理樣品量相對偏少，現有的智能化采制樣裝備并不能因為樣品少而減小，設備處理能力有較大富余。②在現有智能技術條件下，樣品存在交叉污染隱患，故選煤廠中煤、煤泥等副產品不宜與精煤共用同一系統。③近年來采樣機在選煤廠及礦井得到普及，為避免重復建設，需對原有采樣機進行合理改造。④多數煤礦、選煤廠工業廣場布局復雜，需尋求合理的方案，同時要考慮為將來智能化驗室建設預留空間和接口。⑤智能化技術培訓方面，當前的智能化設備在故障診斷、日常管控方面還需人員維護，需要為企業培養運維人員。

上述問題，解決的方向是需要研發適用煤礦、選煤廠特點的專用設備，尤其在故障偵測與修復、物料轉運、管控中心布局方面需開發新技術以提高其對煤企的適應性，并在該過程中不斷提高專用設備的性價比。