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述目前國內市場汽車采樣全斷面采樣頭存在的問題及解決方案

 某汽車入廠煤采樣機改造方案

 青島精睿澤電力科技有限公司  2020年3月

 一、改造原因

1、設備概況：

目前使用的汽車入廠煤采樣機之前由某公司設計生產，橋式結構，4臺聯(lián)排布置。采用全斷面采樣頭（頂部帶縮分斗），采樣頭垂直升降采用液壓驅動，螺旋葉片旋轉采用液壓馬達驅動，縮分斗開關門采用液壓驅動。最大采樣深度2500mm左右，采樣筒直徑273mm，采樣過程進行縮分，采樣頭采3點回送一次料，3點采樣初級縮分后樣量約30公斤。破碎粒度要求6mm，實際破碎粒度不達標。二次縮分后留樣進集樣器，棄煤進料斗暫存，定期清理。

設備運行控制方式為手動控制電腦軟件，采樣點隨機生成，設備自動完成采樣流程。

2、存在的主要問題：

2.1汽車入廠煤采樣比入爐煤采樣熱值高；

2.2機采比人工采樣熱值高500大卡。

3、原因及分析：

3.1根據現場實地勘查及用戶對設備運行情況的介紹，判斷問題的主要原因是機采所采取的煤樣不具有代表性。

理論計算：采樣深度按2500mm，采樣筒徑273mm，筒壁厚按9mm，螺旋主軸直徑按60mm，煤的比重按0.9計，采1點理論子樣量約為108.5公斤，經采樣頭初級縮分后實際留樣量僅為10公斤左右，縮分比為1:10.85。按此比例，換算成筒壁上的縮分開口寬度約為72mm，按“縮分口寬度應為采樣標稱粒度的3倍”計算，此采樣頭的采樣標稱粒度僅為24mm，也就是說，大于24mm的煤塊或矸石都有可能采不進去，被作為縮分棄煤棄掉了。而現實中的汽車煤中大于24mm的煤塊和矸石比比皆是，由此可以推斷，此采樣頭不具有代表性。該采樣頭最終采取的煤樣粉狀物較多，是造成最終熱值偏高的主要原因。

3.2 破碎機出料粒度超標存在的隱患。

經觀察機采棄煤的粒度發(fā)現，目前破碎機粒度超標情況嚴重，破碎機出料粒度大直接會造成縮分機精密度，縮分機的縮分刮板尺寸是根據破碎機最大出料粒度決定的，破碎機粒度超標直接會導致設備精密度不符合要求，最終也會造成縮分后的子樣熱值偏高。

縮分器縮分次數或切割煤流次數能否達到要求，而且必須截取煤流的全斷面。

在沒有進行采樣機性能檢定情況下，縮分器縮分次數（切割煤流）為：

  —當采樣機破碎機出料粒度為13mm時，切割煤流次數應大于10次以上；

  —當采樣機破碎機出料粒度為6mm時，切割煤流次數應大于5次以上；

機械采樣機有些問題一般都出在縮分器上，不按照規(guī)定粒度要求保留樣品質量，不管縮分精密度是否合格，任意改變留樣量。有些廠家采樣機縮分器要達到縮分精密度合格，留樣量很大，制樣人員為減少制樣工作量就少取樣?？s分器縮分次數不夠，直接影響煤樣的代表性。

3.3 設備的控制方式存在隱患。

目前設備的控制方式為手動控制，采樣點位置、采樣深度隨機生成。沒有做到設備的無人值守操作狀態(tài)。

二、改造方案

發(fā)電廠入廠煤、入爐煤熱量差是經濟性評價及燃煤管理的重要指標，將其熱量差控制在一定范圍內可以體現出燃料管理和采制化工作的水平。如何采取一個有代表性的煤樣，用一個能代表整批煤的樣品來用于對外核算，控制電廠發(fā)電成本是整個燃料管理過程中重中之重。

汽車運煤本身就有煤情比較復雜，便于人為摻假，礦多不易管理的特點。要從一車煤中（幾十噸煤）采取少量煤樣（目前采樣機約25-30公斤），經過制樣程序制成數量較少，僅約100克，粒度<0.2mm的試樣，供化驗使用，即用少量煤樣（單次測定僅為1克左右的樣）的分析結果去推斷一車燃煤的質量和特性，就必然會存在偏差，這些偏差由采樣偏差、制樣偏差和分析偏差構成。在此條件下，表示總偏差，則有如下表達式：總S=采樣S+制樣S+分析S。其中采樣偏差最大，占總偏差80%，制樣偏差16%，分析偏差4%。從以上分析結果可以看出，分析結果的可靠性，在很大程度上取決于樣本的代表性，因此采樣過程中盡可能的多采多制所獲得的煤樣更能接近于來煤實情。另外，煤的粒度越大，越不均勻，而且粒度大的一般以矸石或石頭居多。在實際采樣操作中，機械采樣頭的直徑一般在273毫米，扣除中間的螺旋桿直徑，大于100毫米以上的矸石或石頭也難被采到。此類采樣頭適用于煤的最大粒度為33毫米，被采到的概率可達95%，超過這一最大粒度的煤被采到的概率隨最大粒度的增加而降低。因此隨煤的最大粒度的增加，機械采樣容易造成入廠煤的熱量偏高。
     1、更換采樣頭及提升機構

拆除原采樣頭及液壓系統(tǒng)，更換成穩(wěn)定可靠的鏈條提升機構，更換下出料式全斷面采樣頭，采樣頭采用325mm圓筒制作（現場采用的時候273mm），可以將標稱粒度50的煤塊采集到；不帶縮分斗，采樣過程不縮分，采單點回送料，螺旋葉片反轉連續(xù)卸料，子樣全部進入破碎縮分系統(tǒng)。單車采樣時間、縮分留樣量及棄煤量相應增加。三點采樣時間約為4.5-5分鐘。

2、更換出力大不堵煤的鏈式破碎機

由于初級子樣量大幅度增加，原破碎機出力不夠，更換新型的專利產品（專利號201720128722.4）-鏈式破碎機，不堵煤且能保證粒度要求。

3、更新控制系統(tǒng)，實現全自動控制、無人操作，避免人為因素干擾。

一、 目前全自動系統(tǒng)現狀和存在問題

目前，市場上汽車運煤自動采樣設備對汽車車廂的定位主要采用影像定位系統(tǒng)、超聲波定位系統(tǒng)，影像定位系統(tǒng)多采用人工選定采樣區(qū)域方式，存在人為干擾采樣情況，圖像識別技術也因受制于現場臟亂環(huán)境準確率不能滿足需要；超聲波定位系統(tǒng)受溫度、濕度、粉塵等因素對其影響大，定位準確度不能完全保證。這就需要一種不受外界環(huán)境干擾的測量準確率滿足要求的定位系統(tǒng)。

本系統(tǒng)內容簡介

本系統(tǒng)目的是提供一種測量準確率高的車廂精確定位系統(tǒng)；無人值守的最大限度的去除人為因素。

本系統(tǒng)的技術方案是：運煤車廂采樣頭行走三維精確定位系統(tǒng)，其特征是由激光測距傳感器、光電開關、計算機、行車行走系統(tǒng)、射頻卡系統(tǒng)組成，所述的激光測距傳感器、光電開關、行車行走系統(tǒng)和射頻卡系統(tǒng)分別與計算機連接。

全自動精確定位系統(tǒng)，由激光測距傳感器、光電開關、計算機、行車行走系統(tǒng)和射頻卡系統(tǒng)組成，激光測距傳感器、光電開關、行車行走系統(tǒng)和射頻卡系統(tǒng)分別與計算機連接。

汽車二維激光定位行車精確行走控制系統(tǒng)就是通過采用激光測距傳感器和光電開關組合尋找車廂所處位置，通過射頻卡系統(tǒng)讀取卡內的汽車長寬高等信息從而有效解決人為因素干擾及其他方式受外界環(huán)境影響大等缺點；實現準確停位，有效解決采樣區(qū)域偏差的問題，大大增強采樣的代表性。

主要改造內容

現場增加和激光測距傳感器來實現車廂橫向定位。

增加互射式光電開關來實現車廂的起始位置定位。

增加一個外置采樣按鈕來實現司機必須下車進行采樣也可將采樣按鈕移到采樣集中控制室內遠程操作。

增加射頻卡讀寫器來實現對運煤車輛數據的采集和寫入

增加無人值守的全自動軟件實現無人值守的全自動控制功能。

實施方案

采用激光測距傳感器和光電開關組合尋找車廂所處位置。橫向采用在大行車垂下一對互射式光電開關，高度低于汽車車廂靠，大行車移動過程中光電開關信號變化來判斷車廂起始位置，同時通過編碼裝置記錄大行車移動距離從而判斷停車位置。縱向采用激光測距傳感器直接測量出車輛的停車位置，通過射頻卡系統(tǒng)讀取貼在車頭玻璃上的射頻卡內的車輛數據信息來確定車輛的車型和拉筋位置，在設備架體的前部立柱上安裝一個采樣按鈕（或將此按鈕移到采樣集中控制室遠程操作），司機必須下車后按一下按鈕，采樣機采開始自動采樣，保證了運煤車司機采樣時必須下車的要求。激光測距傳感器能夠實現自動測量，解決了影像定位造成的人為因素干擾，另外激光測距適應環(huán)境能力強，精確度高(毫米級)，連續(xù)運行穩(wěn)定性強，解決了超聲波定位系統(tǒng)受外界環(huán)境干擾等問題。定位系統(tǒng)啟動，系統(tǒng)自動對車廂位置進行識別和定位，在車廂范圍內將車廂分成18個采樣區(qū)域，系統(tǒng)隨機在這18個采樣區(qū)域內生成三個采樣點位置和采樣深度（采樣深度可以是全深度也可以為隨機采樣深度），采樣點數可根據需要設置，上位機反饋信息給PLC，PLC發(fā)出指令使大小行車啟動，到達采樣點位置時采樣頭自動下降取樣，返回原點卸料，進入后面的流程。系統(tǒng)可以生成采樣點及采樣深度報表，便于燃料管理統(tǒng)計。

實現以上功能的前提是系統(tǒng)對車廂進行智能定位，需增加大小行車變頻器、計數裝置，激光測距儀、光電開關及支架等，需編寫全自動控制軟件。

操作界面示意圖如下：

登錄界面：每人有單獨登錄名及密碼。同時不同級別人員設定不同的操作界別設置，高級別的操作人員可以對采樣機相關參數進行修改。

    功能選擇界面：可以根據不同的需要，選擇不同的功能進行設備操作。

     采樣機操作主控界面：可以顯示設備運行狀態(tài)（上圖中的參數可以根據實際情況修改）

三、設備介紹

1. 下出料全斷面采樣頭

全斷面采樣頭主要由螺旋主軸、螺旋筒、采樣鉆頭、探桿、支架及減速機組成。結構簡圖見附頁三維圖。

工作原理：采樣系統(tǒng)包括動力系統(tǒng)、采樣頭、螺旋系統(tǒng)、減振系統(tǒng)。①動力系統(tǒng)：動力系統(tǒng)主要包括升降機構。鏈條機構可以使采樣頭在垂直方向0～4米范圍內上下移動，完成不同煤層深度的采樣。②采樣頭：采樣頭為全斷面，采樣頭頭部設有鉆刃，采樣頭結構上有過載保護裝置，采樣頭使用壽命不小于8000小時。采樣頭為圓筒結構，在提升機構的推動下，采樣頭插入到不同深度的煤層，即可獲得一個全斷面子樣。做到不堵煤、不混樣，卸料完全。③螺旋系統(tǒng)：由減速機帶動螺旋絞龍具有將煤攪松，使減少采樣頭下行阻力，并將煤樣提升暫存于蔡陽筒中，適應我國運煤的國情。④減振系統(tǒng)：利用減振彈簧減弱系統(tǒng)對其它機構產生的不必要的振動，對采樣頭起保護作用。

主要特點：

①采用鏈條升降機構，保證有足夠的動力使采樣頭插入煤層并提升，運行穩(wěn)定可靠。

②采樣頭頭部設有鉆刃，便于下鉆到煤層中，同時采樣筒中設置保護裝置滿足采樣頭既可以采到車廂最低部又不會把車廂軋穿，確保煤車底部的煤樣可以全部采集。

③采樣頭結構上設過載保護裝置，利用減振彈簧系統(tǒng)降低對設備的振動影響，對采樣頭起保護作用。

2. 鏈式破碎機（專利號：ZL  2017  2  0128722.4）

結構特點：

● 鏈式破碎機為立式結構，無篦條設計。由底座、機殼、轉子軸、破碎鏈裝置、進出料口，驅動裝置等組成。

● 在轉子底層隔板的下面設置自清掃裝置，能有效避免混樣問題。

● 機殼由兩層組成，內層為耐磨襯板，機殼上設置兩個觀察門，可方便的打開檢修。

工作原理：

電機啟動，主動帶輪通過三角皮帶帶動轉子轉動。物料靠自重均勻進入破碎室內，在自由下落的過程中，被高速旋轉的鏈條反復敲擊，從而達到破碎的目的，被破碎的物料由破碎室底部直接排出，通過出管落入下級設備。當進入鐵塊或矸石等高硬度難以破碎的物料時，由于高速旋轉的鏈條具有一定的柔性，則可使得硬度極大的物料直接排出破碎室外，避免因應力集中現象對設備造成破壞。由于隔板與襯板內壁的空間最大化，物料的通過性更好，大大降低了堵塞的機會。破碎粒度和出力大小可通過每層鏈條的數量及鏈條的層數加以調節(jié)。

綜述：改造后采樣部分采用全斷面采樣，采樣機在車廂中采取一個從頂部到底部的一個煤層全斷面，采樣筒選用直徑為325mm,采樣螺旋葉片間距200mm，可以將煤中的塊狀物取出 ；采樣機將取出的煤樣全部送入制樣系統(tǒng)，由我公司研制的專利產品鏈式破碎機可以在短時間內將這大量的初級子樣進行破碎，并且做到不賭煤、不混樣，最終經破碎機破碎后的子樣經原縮分機進行縮分。

在這一整個采樣流程中，采樣點是隨機生成的18個區(qū)域任意三點，采取哪一點任何人不知道，但這18個點的被采概率是一樣的，經一個階段的運行后，設備每個點位的被采數量可以自動統(tǒng)計出來，可以生成采樣點的被采數量的柱狀圖。這樣人為在車廂中摻假的區(qū)域就不好控制，避免從采樣區(qū)域上進行作弊；采樣機采用全斷面結構，采樣機將全部的煤樣進行收集破碎，不再在采樣過程中進行縮分（國標中明確要求：未經破碎的煤樣不允許進行縮分的）。煤層從頂部到底部全部收集，而且采樣筒由原有273加大到325,可以盡可能的將煤種的塊狀物收集（原采樣機理論上大于24mm 的塊狀物就不能完整收集），這樣可以避免人為在裝煤深度上作弊行為，而且如果人為摻加塊狀物也不能獲取利益。

改造完畢后，該系統(tǒng)可以做到從煤車頂部到煤車底部全斷面煤樣，在每個深度層都可以采到，整個斷面的煤樣全部進入制樣系統(tǒng)進行制樣，這樣可以避免人為在煤層高度范圍內摻假。采樣筒加大后也可以將煤中的塊狀物（主要塊狀物為矸石）采集到。而無人值守的全自動控制系統(tǒng)可以隨機自動生成采樣點進行采樣頭選點采樣，這樣可以避免人為在車廂平面范圍內區(qū)域摻假；從而采取一個更接近于來煤實情的標準煤樣。

目前這種盡可能多的采樣制樣方案所采取的煤樣相關專業(yè)人員都知道更具代表性，但該方案國內相關生產廠家沒有這樣做的 ，是因為沒有可以短時間匹配破碎這么大煤樣的破碎機，我公司自主研發(fā)的鏈式立式破碎機可以出力可以完全滿足上述采樣方案對破碎機的要求，并且保證在任何情況下不發(fā)生堵煤問題。

縱然這樣的采樣方式會增加人力處理余煤和子樣的工作量和加快設備磨損程度，但能采取一個更真實的煤樣，使機械化采樣機能公正、公平的為電廠燃料管理工作提供一個準確的煤樣，給電廠對外結算提供一個合理依據，我認為這些問題都可以忽略不計。我們深信設備改造后，采取的煤樣更具代表性，可以為廠里節(jié)省一筆巨大的支出，燃料管理工作更規(guī)范，更科學。