鄭金城,梁興國,張 卿,張秀峰,張 楠,高會穎

(1.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000； 2.天津美騰科技股份有限公司,天津 300380)

0 引言

在煤炭洗選過程中，原煤洗選粒度控制是一項重要的生產(chǎn)指標。當前，受制于技術(shù)，煤炭加工過程中只能靠崗位工人巡檢、調(diào)度室調(diào)節(jié)的方式調(diào)整毛煤下料時的粒度組成，以盡可能保證洗選質(zhì)量穩(wěn)定、處理量最大。這種傳統(tǒng)的“人肉運維”模式存在以下缺點：原煤倉下粉塵、噪聲大，影響工人身體健康；倉下無信號，傳統(tǒng)對講機傳遞和集控室操作的反應(yīng)速度慢；倉下給煤機多，需要靠人巡檢方式，故障發(fā)生率較高。在實際洗選加工過程中，加強原煤粒度控制、保證煤炭生產(chǎn)和加工的穩(wěn)定，是國內(nèi)外一直以來的研究重點[1-2]。同時，智能化的浪潮在工業(yè)界涌動。作為基礎(chǔ)工業(yè)重要分支的煤炭行業(yè)，為適應(yīng)未來工業(yè)的發(fā)展形勢，國家對選煤廠的智能化提出更深層次的要求?；谝陨媳尘?，內(nèi)蒙古地區(qū)某選煤廠進行了篩分系統(tǒng)原煤收集及轉(zhuǎn)載運輸環(huán)節(jié)數(shù)質(zhì)量管控系統(tǒng)智能化建設(shè)，以降低生產(chǎn)成本、挖掘企業(yè)經(jīng)濟效益，實現(xiàn)煤炭洗選產(chǎn)率最大化和效益最大化[3-5]。

本文采用粒度體積儀實現(xiàn)毛煤粒度識別，將實時數(shù)據(jù)用于毛煤統(tǒng)配系統(tǒng)的邏輯執(zhí)行，實現(xiàn)篩分系統(tǒng)原煤收集及轉(zhuǎn)載運輸環(huán)節(jié)數(shù)質(zhì)量管控系統(tǒng)智能化建設(shè)，解決了現(xiàn)有生產(chǎn)原煤粒度波動大、配煤調(diào)整困難的難題。

1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

內(nèi)蒙古地區(qū)某選煤廠為毛煤入選，原煤暫儲在3臺直徑為30 m的原煤倉中。原煤倉單倉儲能2.5萬噸。每臺原煤倉安裝有16臺振動給煤機，合計48臺給煤機。原料煤通過原煤倉中的153、154這2部皮帶收集，再通過201皮帶對153、154這2部皮帶的原料煤進行匯集轉(zhuǎn)載。常規(guī)原煤倉的給煤機投用在12～14臺[4]。

生產(chǎn)過程中，選煤廠需視各倉煤質(zhì)情況、給煤機投用時長、各給煤機大塊煤及矸石比例不同、201皮帶綜合帶量變化，調(diào)整給煤機投用臺套數(shù)及具體投用編號。201皮帶峰值處理量小于等于3 200 t/h。301皮帶峰值處理量小于等于1 500 t/h。201皮帶原煤經(jīng)301原料煤收集皮帶轉(zhuǎn)載進入主洗系統(tǒng)。主洗系統(tǒng)進行洗選時，當來自201皮帶的25 mm以上大塊煤及矸石比例較大或者301入洗皮帶超過入洗小時處理能力峰值時，選煤廠需及時調(diào)整給煤機投用編號或投用量。

實際生產(chǎn)啟車時，需要優(yōu)先開啟運行時長較低的給煤機，通過管理制度讓每個班組有固定使用的給煤機，以確保給煤機的運行時間相近。給煤機閘板為液壓控制，由現(xiàn)場崗位工就地控制其開閉。下游皮帶正常運行后，逐次手動開啟給煤機。為使得153、154皮帶運量均衡，一般對應(yīng)開啟相同數(shù)量的給煤機，且由崗位工實時調(diào)整給煤機頻率。這使得201皮帶瞬時帶煤量穩(wěn)定在3 200 t/h左右，301皮帶瞬時帶煤量穩(wěn)定在1 500 t/h左右。

2 原煤統(tǒng)配存在的問題

煤炭生產(chǎn)加工過程中，存在產(chǎn)品指標不穩(wěn)定、洗選系統(tǒng)處理量不穩(wěn)定等問題。受制于現(xiàn)有技術(shù)，煤炭加工過程中只能靠崗位工人巡檢、調(diào)度室調(diào)節(jié)的方式來調(diào)節(jié)毛煤下料時的粒度組成，從而盡可能保證洗選質(zhì)量穩(wěn)定、毛煤處理量最大。

①入選原煤數(shù)質(zhì)量、粒度波動較大。

內(nèi)蒙古地區(qū)某選煤廠為毛煤直接入選，因煤礦多工作面開采地質(zhì)構(gòu)造時毛煤質(zhì)量、粒度波動較大，導(dǎo)致選煤廠毛煤給煤、輸送、轉(zhuǎn)載、分選、洗選等過程中的質(zhì)量和粒度不均。

②給煤機卡堵及流量不穩(wěn)定。

不均勻質(zhì)量、粒度的毛煤，在給煤過程中經(jīng)常引發(fā)給煤機卡堵，導(dǎo)致給煤不暢，使給煤機不能穩(wěn)定流量給煤。

③系統(tǒng)運行未達到最大能力。

由于給煤環(huán)節(jié)的流量波動，導(dǎo)致入選、洗選環(huán)節(jié)處理量短時波動嚴重，短時系統(tǒng)處理能力未達到設(shè)計值。

④系統(tǒng)故障停車風(fēng)險。

毛煤中大塊較多時，301皮帶輸送量增加。瞬時帶煤量超過1 500 t/h時，有淺槽溜槽及脫泥篩下料溜槽堵塞引發(fā)故障停車的風(fēng)險。

⑤壓皮帶事故風(fēng)險。

在毛煤品質(zhì)發(fā)生變化且排除矸石量大時，如果不能有效調(diào)整毛煤入洗量，主洗車間淺槽塊矸石皮帶存在因過載導(dǎo)致壓皮帶的事故風(fēng)險。

⑥制約系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

毛煤的粒度不均會導(dǎo)致大顆粒物料集中上皮帶，引發(fā)運輸膠帶集中受力沖擊受損、各部轉(zhuǎn)載溜槽經(jīng)常卡堵、設(shè)備內(nèi)部保護刮卡動作、刮煤棒受力不均刮卡變形、淺槽分選機刮板受力刮卡變形等風(fēng)險，嚴重制約系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。

3 毛煤統(tǒng)配系統(tǒng)解決方案

毛煤統(tǒng)配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，近年來機器視覺技術(shù)迅猛發(fā)展。針對內(nèi)蒙古地區(qū)某選煤廠的毛煤特點，毛煤統(tǒng)配系統(tǒng)利用機器視覺技術(shù)，結(jié)合最先進的人工智能(artificial intelligent,AI)圖像分析技術(shù)，實時檢測給煤機下料粒度和重量。同時，毛煤統(tǒng)配系統(tǒng)利用機器視覺技術(shù)，集成設(shè)計粒度、體積檢測，實現(xiàn)給煤機下料粒度和質(zhì)量的識別。進一步通過毛煤統(tǒng)配系統(tǒng)，可實時調(diào)節(jié)毛煤粒度組成及運輸量，保證洗選質(zhì)量、處理量穩(wěn)定與效率最大化。

3.1 智能傳感

3個原煤倉共安裝24個粒度體積儀。倉下粒度體積儀的布置如圖2所示。倉下粒度體積儀對振動給料機的下料粒度組成及體積進行監(jiān)控。給煤機輪循開啟后，倉下粒度體積儀能實現(xiàn)單一給煤機粒度和給料量的模糊計算，并輸出信號值。同時，利用體積儀檢測數(shù)據(jù)，能實時判斷該該給煤機是否卡堵、給料量是否滿足條件等，并輸出信號至毛煤統(tǒng)配系統(tǒng)。

圖2 倉下粒度體積儀的布置圖

粒度體積儀主要包含物料體積檢測和物料粒度檢測這2個功能。體積檢測的基本原理是激光三角法。激光三角法是通過對圖像坐標系與激光平面坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，完成對實際高度的測量；然后，利用時序積分，根據(jù)皮帶的速度，得出固定時間內(nèi)皮帶運動的物料體積。物料體積檢測原理如圖3所示。

圖3 物料體積檢測原理圖

在垂直于皮帶的工業(yè)相機成像中，煤塊以固定速度通過攝像機視場,成像的煤塊與煤塊之間存在間隙，故邊緣信息比較清晰。首先通過圖像增強技術(shù)，強化通過攝像機視場的煤塊間的邊緣梯度；然后利用圖像分割與輪廓追蹤方法，實現(xiàn)原煤粒度組成的識別[5-8]。

粒度識別精度如表1所示。

表1 粒度識別精度

3.2 系統(tǒng)平臺

毛煤統(tǒng)配系統(tǒng)平臺架構(gòu)如圖4所示。

圖4 毛煤統(tǒng)配系統(tǒng)平臺架構(gòu)圖

毛煤統(tǒng)配系統(tǒng)平臺通過大數(shù)據(jù)分析，結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、預(yù)測控制、模糊控制、智能前饋等先進控制算法，實現(xiàn)毛煤統(tǒng)配過程各參數(shù)數(shù)據(jù)的聯(lián)動邏輯運算。該算法可以給定毛煤的輸送量、煤質(zhì)及粒度分布等指標，自動選擇給煤機的狀態(tài)。通過以上方式調(diào)整工藝設(shè)備，可實現(xiàn)毛煤智能統(tǒng)配[9-12]。

3.3 算法邏輯

(1)生產(chǎn)參數(shù)可配置。

為確保內(nèi)蒙古地區(qū)某選煤廠301皮帶瞬時帶煤量穩(wěn)定在1 500 t/h左右，同時將201皮帶瞬時帶煤量穩(wěn)定在3 200 t/h左右，結(jié)合大樣數(shù)據(jù)，毛煤統(tǒng)配系統(tǒng)自動設(shè)定粒度組成目標范圍。同時，105～152共48臺給煤機的啟用臺數(shù)、閘板開度、啟停機及頻率均接入毛煤統(tǒng)配系統(tǒng)，毛煤統(tǒng)配系統(tǒng)平臺可根據(jù)實際生產(chǎn)適時調(diào)整。同時，系統(tǒng)生產(chǎn)中的201、301目標量，以及給煤機狀態(tài)量均可配置。

(2)給煤機輪循啟動。

毛煤統(tǒng)配系統(tǒng)平臺中配置給煤機使用時間記憶算法。系統(tǒng)啟動時，優(yōu)先開啟運行時長較低的給煤機。同時，生產(chǎn)過程中會依據(jù)時間規(guī)劃算法自動切換給煤機。通過以上邏輯，確保各臺給煤機的運行時間相近，原煤倉內(nèi)的煤不會長時間處于靜止狀態(tài)，以避免原煤發(fā)熱和倉內(nèi)自燃的風(fēng)險[13]。

給煤機采用輪循開啟，正常生產(chǎn)時每個倉下給煤機開啟4～5臺，3個倉下共開啟12～14臺，設(shè)置給煤機開啟上限為15臺。

(3)毛煤統(tǒng)配邏輯。

基于201和301的帶料量目標值，計算得到目標原煤粒度組成及塊煤率。當目標帶煤量突破區(qū)間時，觸發(fā)調(diào)整邏輯。毛煤統(tǒng)配邏輯如下。

①當201皮帶瞬時量和301皮帶瞬時量均高于輸送物料的瞬時量上限時，調(diào)整給煤機的開啟數(shù)量或降低給煤機的給料頻率。對此，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整最接近目標粒度組成的給煤機，從而將201和301皮帶的瞬時帶料量穩(wěn)定在目標區(qū)間內(nèi)。

②當201皮帶瞬時量高于目標瞬時量上限，而301皮帶瞬時量低于目標瞬時量或在目標瞬時量區(qū)間時，說明原煤粒度組成塊煤率過低。對此，應(yīng)提高塊煤率高的給煤機頻率、降低塊煤率低的給煤機頻率、優(yōu)化原煤粒度組成，從而將201和301皮帶的瞬時帶料量穩(wěn)定在目標區(qū)間內(nèi)。

③當201皮帶瞬時量低于目標瞬時量上限，而301皮帶瞬時量高于目標瞬時量或在目標瞬時量區(qū)間時，說明原煤粒度組成塊煤率過高。對此，應(yīng)提高塊煤率低的給煤機頻率、降低塊煤率高的給煤機頻率、優(yōu)化原煤粒度組成，從而將201和301皮帶的瞬時帶料量穩(wěn)定在目標區(qū)間內(nèi)。

④當201皮帶瞬時量和301皮帶瞬時量均低于輸送物料的瞬時量上限時，應(yīng)調(diào)整給煤機的開啟數(shù)量或提高給煤機的給料頻率，并優(yōu)先調(diào)整最接近目標粒度組成的給煤機，從而將201和301皮帶的瞬時帶料量穩(wěn)定在目標區(qū)間內(nèi)。

⑤當給煤機的開啟數(shù)量已至上限，并且各給煤機頻率無論如何調(diào)整，201皮帶瞬時量均已至上限，而301皮帶的瞬時量仍低于目標區(qū)間，說明此時系統(tǒng)塊煤率偏低，無論如何調(diào)整均無法保證301皮帶的目標瞬時量。此時，智能化系統(tǒng)給出相應(yīng)的提示與報警。

⑥當給煤機的開啟數(shù)量已至上限，并且各給煤機頻率無論如何調(diào)整，301皮帶瞬時量均已至上限，而201皮帶的瞬時量仍低于目標區(qū)間，說明系統(tǒng)塊煤率偏高，無論如何調(diào)整均無法保證201皮帶的目標瞬時量。此時，智能化系統(tǒng)給出相應(yīng)的提示與報警。

4 系統(tǒng)價值

通過篩分原煤收集及轉(zhuǎn)載運輸環(huán)節(jié)數(shù)質(zhì)量管控技術(shù)的研究與創(chuàng)新應(yīng)用，為選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運行提供了前提，有效促進了企業(yè)經(jīng)濟效益的穩(wěn)步提升。

實現(xiàn)篩分原煤收集及轉(zhuǎn)載運輸環(huán)節(jié)數(shù)質(zhì)量管控技術(shù)得到突破后，可在一定程度上控制毛煤轉(zhuǎn)載運輸工藝煤流的煤質(zhì)、煤量及粒度分布，改進因毛煤煤質(zhì)波動而導(dǎo)致的洗選工藝控制持續(xù)調(diào)整、洗選產(chǎn)品質(zhì)量短時波動問題，可提升生產(chǎn)效率0.28%；改進因毛煤粒度不均而導(dǎo)致的系統(tǒng)帶料量波動，可提升系統(tǒng)處理能力3.75萬噸；改進因毛煤大顆粒煤及矸石集中運輸導(dǎo)致的溜槽卡堵、設(shè)備刮卡等停機事件，可降低事故處理時間750 min。經(jīng)濟效益綜合如表2所示。由表2可知，全年合計增加經(jīng)濟效益1 028萬元。

表2 經(jīng)濟效益綜合表

5 展望

目前，國內(nèi)大部分選煤廠都實現(xiàn)了自動化控制管理。選煤廠自動化控制程度得到明顯提升，同時較為先進的大數(shù)據(jù)技術(shù)、機器學(xué)習(xí)技術(shù)等技術(shù)也在煤炭行業(yè)得到發(fā)展和應(yīng)用。國內(nèi)某些大型的選煤廠正在對建設(shè)智能化選煤廠進行探索，形成了智能化選煤廠建設(shè)方案，并且在某些生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)實現(xiàn)了智能化。由于信息的互聯(lián)互達，跨行業(yè)的智能技術(shù)成果已經(jīng)應(yīng)用在選煤行業(yè)中，市場上新生的科技研發(fā)企業(yè)、高等院校、大型企業(yè)之間形成了初步的產(chǎn)學(xué)研用新格局[14-18]。

由于現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和煤炭資源的有限性，使得煤炭分選的重要性越來越突出，需要進一步發(fā)展洗選系統(tǒng)的智能化。同時，毛煤統(tǒng)配的智能化需求也日益突出，只有實現(xiàn)了從入廠毛煤運輸?shù)较春螽a(chǎn)品無人裝車、配煤的全流程智能化，才能在真正意義上實現(xiàn)選煤廠的智能化。

6 結(jié)論

毛煤統(tǒng)配系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)、機器視覺等算法開展研究。系統(tǒng)平臺上線后，可實現(xiàn)篩分原煤粒度統(tǒng)配、收集、轉(zhuǎn)載運輸環(huán)節(jié)數(shù)質(zhì)量管控的目標。同時，系統(tǒng)所研究的粒度識別裝置可在一定程度上控制毛煤轉(zhuǎn)載運輸工藝煤流的煤質(zhì)、煤量及粒度分布，避免因毛煤煤質(zhì)波動導(dǎo)致洗選工藝控制持續(xù)調(diào)整、洗選產(chǎn)品質(zhì)量短時波動問題。這將解決毛煤中粒度分布不均、大顆粒煤及矸石集中運輸導(dǎo)致的溜槽卡堵、設(shè)備刮卡等停機問題，從而避免因給煤不均、給煤人工調(diào)控造成的毛煤運輸量浮動嚴重或降量低負荷運行問題。系統(tǒng)上線后，為選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運行提供了前提，有效促進了企業(yè)經(jīng)濟效益的穩(wěn)步提升。