火電廠燃煤全自動制樣機的運行特性

楊茂林，孫利娟，吳 偉，崔 凱，黃鑫亮，武文亮

（1.華能沁北發電有限公司，河南 濟源 459011；2.中國華能集團有限公司河南分公司，河南 鄭州 450018）

全自動制樣機的使用不僅能夠減少火電廠人員定額，減輕制樣人員的勞動強度，同時其生成樣品的化驗指標是火電廠燃煤采購的結算依據。因此，研究影響制樣效率的關鍵因素，分析樣品的穩定性和代表性對火電廠進行煤質管理具有重要意義。電力現貨市場［1］和輔助服務市場［2］的運營，加劇了火電行業之間的競爭，同時豐富了火電廠所需燃煤種類。煙煤、高熱值煤、低硫煤、經濟煤種［3-4］的合理庫存結構，是火電廠實現負荷靈活性調節的基礎［5］。燃煤采購是火電廠最大的成本支出，占總生產成本的60%～80%。面對新能源電力迅猛發展和煤價高企的雙重壓力，提高煤質管理水平，嚴控燃煤采購成本，已成為火電廠節約成本、扭虧為盈的重要抓手［6］?；痣姀S的燃煤采購以入廠煤的化驗指標作為結算依據［7］，同時碳排放工作的推進加強了國家對入爐煤指標的監管［8-10］。無論是入廠煤還是入爐煤，都需要進行樣品采集，均勻縮分，制備成?0.2 mm 的分析樣，以用于熱值、硫分等的指標化驗［11-12］。煤樣制備是火電廠進行煤質管理的重要環節，大型火電廠燃煤來量大、煤質雜更是加劇了煤樣制備的工作難度。

傳統的煤樣制備工作雖然已經實現了機械化，但仍需要人工參與。制樣員操作技能水平的高低、制樣流程的標準化把控、制樣過程中的灑煤都會影響所制備樣品的代表性和穩定性。煤樣制備量大、制樣工作的簡單重復加劇了制樣人員的勞動強度；制樣工作長期處于高粉塵環境，不利于制樣人員的身體健康；此外，人工制樣還存在較大的廉潔風險。為了建設數字化電廠［13-14］，降低勞動強度、規避廉潔風險，不需要人工參與的自動化、智能化燃煤制樣機一直是科研人員研發的重點［15］。

燃煤全自動制樣機依據GB 474—2008《煤樣的制備方法》［16］進行煤樣制備的全流程控制。然而在保證全水樣、分析樣質量和粒度達到要求的前提下，制樣效率、設備的積煤積粉、樣品的代表性和穩定性等同樣是決定全自動制樣機能否在火電廠廣泛應用的關鍵性因素［17-19］。以華能沁北電廠采購的全自動制樣機為研究對象，以當天采集的入廠煤和入爐煤樣品為試驗原料進行研究。通過記錄全自動制樣機的制樣時長，分析延時原因，揭示影響制樣效率的主要因素；通過進行質量守恒試驗和空載試驗，探明全自動制樣機各區域的積煤積粉情況；通過對比全自動制樣機生成的備份樣、存查樣、分析樣的化驗指標，以及對比人工制備分析樣和全自動制樣機制備分析樣的化驗指標，研究全自動制樣機生成樣品的代表性和穩定性。提高制樣效率、消除積煤積粉隱患、保證樣品的代表性和穩定性有助于推進全自動制樣機的技術進步，從而擴大其在火電廠的應用規模。

1 研究對象與方法

1.1 試驗原料

研究對象為全自動制樣機。全自動制樣機的試驗原料取自火電廠當天采集的入廠煤和入爐煤。入廠煤和入爐煤均使用機器自動化采樣，并通過集樣桶封裝。同一批次的入廠煤所采集的樣品質量不低于15 kg，同一臺機組的入爐煤所采集的樣品質量也不低于15 kg。

1.2 制樣流程

全自動制樣機包括一級破碎單元、二級破碎單元、三級破碎單元、干燥單元、清掃單元和棄料單元，其主要結構示意如圖1 所示。開始制樣前，全自動制樣機的機械手臂采用每桶依次入料的方式，將集樣桶中的煤樣倒入一級破碎單元中。同一煤樣的所有子樣品全部完成入料后，一級破碎單元才會進行工作。煤樣經一級破碎單元破碎至6 mm 后，生成不低于1.2 kg 的全水樣和不低于3.5 kg 的備份樣、制備樣，其余樣品通過皮帶轉運至棄料單元舍棄。備份樣通過機械手臂暫時放置在備份樣品柜中，制備樣通過機械手臂轉移至二級破碎單元。6 mm 制備樣經二級破碎單元破碎至3 mm 后，生成不低于800 g 的存查樣和干燥樣，其余樣品舍棄。干燥單元位于二級破碎單元下方，采用強制通風干燥，干燥溫度50 ℃，干燥時間20 min。干燥完成后，干燥樣通過機械手臂轉移至三級破碎單元。3 mm 干燥樣經三級破碎單元破碎至0.2 mm 后，生成不低于250 g 的分析樣，其余樣品由棄樣瓶收集，然后通過機械手臂轉移至棄料單元舍棄。清掃單元用于清洗集樣桶和樣品瓶。制樣結束后，全自動制樣機根據分析樣的質量進行判定，如果分析樣的質量大于250 g，則舍棄備份樣，如果分析樣的質量小于250 g，則留存備份樣，用于人工重新制備分析樣。

1.3 樣品表征

全自動制樣機制備的全水樣用于化驗收到基煤樣的水分，制備的分析樣用于化驗空干基煤樣的熱值、硫分和氫含量。水分化驗使用全自動水分儀，依據GB/T 211—2017《煤中全水分的測定方法》［20］進行測試。硫分化驗使用全自動測硫儀，依據GB/T 214—2007《煤中全硫的測定方法》［21］進行測試。熱值化驗使用全自動量熱儀，依據GB/T 213—2008《煤的發熱量測定方法》［22］進行測試。收到基煤樣的熱值通過式（1）進行折算，干燥基煤樣的硫分通過式（2）進行折算：

圖 1 全自動制樣機結構示意

式中Qar——收到基煤樣的熱值，MJ·kg-1；Qad——空干基煤樣的熱值，MJ·kg-1；Had——空干基煤樣的氫含量，%；Mar——收到基煤樣的水分，%；Mad——空干基煤樣的水分，%；Sad——空干基煤樣的硫分，%；Sd——干燥基煤樣的硫分，%。

2 制樣效率分析

制樣效率是全自動制樣機的關鍵性能指標之一，決定了其在火電廠的適用性。華能沁北電廠采購的燃煤全自動制樣機說明書指出：單個樣品制樣時長60 min，連續制樣間隔22 min，制樣效率20 樣/8 h。本研究全自動制樣機一個月內的制樣時長分布如圖2 所示，一個月內，全自動制樣機共制備煤樣223 個，其中最短制樣時長56 min，最長制樣時長319 min，去掉最短和最長制樣時長，得到平均制樣時長103.2 min。制樣時長在50～100 min 的煤樣共164 個，占比73.54%；制樣時長在100～150 min 的煤樣共22 個，占比9.87%；制樣時長在150～200 min 的煤樣共11 個，占比4.93%；制樣時長在200～250 min 的煤樣共19 個，占比8.52%；制樣時長在250～300 min 的煤樣共6 個，占比2.69%；制樣時長在300～350 min 的煤樣共1個，占比0.45%。統計數據顯示，該全自動制樣機的制樣時長主要分布在50～100 min，該區間范圍內的164 個煤樣的平均制樣時長為76 min?？梢娫趯嶋H運行中，該全自動制樣機并沒有達到說明書中所述的效率。按照平均制樣時長103.2 min計算，全自動制樣機連續進樣的制樣效率為18樣/8 h；按照平均制樣時長76 min 計算，全自動制樣機連續進樣的制樣效率為19 樣/8 h。

圖2 全自動制樣機制樣時長分布圖

全自動制樣機單個樣品制樣時長60 min，具體包括入料耗時16 min，一級破碎耗時5 min，二級破碎耗時5 min，干燥耗時20 min，三級破碎耗時10 min，出料耗時4 min。其中，入料時長和干燥時長是限制全自動制樣機連續制樣間隔時間的主要因素。

全自動制樣機程序控制系統和硬件執行機構頻繁故障是造成制樣延時的主要原因。程序控制系統故障主要發生在入料工藝。全自動制樣機采用輥筒輸送入料，入料工藝包括摘蓋、倒樣、清桶、合蓋、返桶5 個過程。集樣桶的桶蓋上內嵌芯片，用于綁定所采集的煤樣信息。摘蓋機構因為讀取不到芯片信息或在連續進子樣時無法跳轉至下一個開蓋程序，導致開蓋失敗，造成制樣延時。全自動制樣機的旋蓋機故障是造成制樣延時的另一個重要原因。全自動制樣機制備的全水樣、存查樣、分析樣存放在樣品瓶內，旋蓋機用于封裝樣品瓶的瓶蓋。旋蓋機故障分為取瓶蓋失敗和蓋瓶蓋失敗。取瓶蓋失敗主要是因為存放在導向機構內的瓶蓋在下落過程中卡澀，無法到達瓶蓋轉移托盤內。蓋瓶蓋失敗主要是因為識別器不能準確讀取到旋蓋機內的瓶蓋信號，導致蓋瓶蓋操作無法執行。全自動制樣機發生故障后，整個制樣流程停滯無法繼續進行，需要人工干預消除故障后，方可繼續進行制樣。消除程序控制系統和硬件執行機構故障是實現全自動制樣機穩定、高效運行的前提。優化入料工藝、縮短入料時長以及擴充干燥單元、消除干燥等待時間是提高全自動制樣機制樣效率的有效手段。

3 運行特性分析

3.1 積煤積粉分析

全自動制樣機采用連續進樣運行方式，上一個煤樣如果存在積煤積粉，則會直接混入到下一個煤樣中，造成不同煤樣之間混樣，導致化驗結果失真。積煤積粉是影響全自動制樣機能否在火電廠應用的決定性因素。通過質量守恒試驗能夠驗證全自動制樣機是否存在積煤積粉。全自動制樣機質量守恒試驗結果如圖3 所示。質量守恒試驗入料質量37.82 kg，出料質量包括全水樣1.82 kg、存查樣0.87 kg、分析樣0.26 kg、棄料35.12 kg，總計38.07 kg，可見出料質量比入料質量多0.25 kg，二者相對誤差0.66%。質量守恒試驗證實了該全自動制樣機內部存在積煤積粉，然而無法明確各個區域具體的積煤積粉情況。因此，需要改進試驗方案，以探明一級破碎單元、二級破碎單元、三級破碎單元內的積煤積粉質量，從而對全自動制樣機的穩定性和可靠性進行評估。

圖3 全自動制樣機質量守恒試驗結果

進行空載試驗，即入料質量0 kg，一級破碎完成后，拍下全自動制樣機的急停按鈕，停止工作流程，取出備份樣和制備樣，從而確保機械手臂倒入二級破碎單元內的制備樣為0 kg。二級破碎及干燥完成后，再次拍下急停按鈕，停止工作流程，取出存查樣和干燥樣，從而確保機械手臂倒入三級破碎單元內的干燥樣也為0 kg?？蛰d試驗產生的全水樣、備份樣、制備樣為一級破碎單元內的積煤積粉，存查樣和干燥樣為二級破碎單元內的積煤積粉，分析樣和棄樣為三級破碎單元內的積煤積粉。

空載試驗結果顯示，全自動制樣機各區域的積煤積粉情況如圖4 所示?？蛰d試驗生成的制備樣和備份樣共168.04 g，全水樣24.07 g，說明一級破碎單元積煤積粉192.11 g。全自動制樣機正常運行時，生成的制備樣和備份樣均不低于3.5 kg，因此一級破碎單元內的積煤積粉占制備樣或備份樣的5.49%?？蛰d試驗生成的存查樣和干燥樣共0.72 g，說明二級破碎單元積煤積粉0.72 g。全自動制樣機正常運行時，生成的存查樣和干燥樣都不低于800 g，因此二級破碎單元內的積煤積粉占存查樣或干燥樣的0.09%?？蛰d試驗生成的分析樣9.88 g，棄樣47.63 g，說明三級破碎單元積煤積粉57.51 g。全自動制樣機正常運行時，生成的分析樣不低于250 g，因此三級破碎單元內的積煤積粉占分析樣的23.00%。由此可見，全自動制樣機內部全流域存在積煤積粉，一級破碎單元最多，三級破碎單元次之，二級破碎單元最少；然而，三級破碎單元內的積煤積粉占生成樣的比例最高，一級破碎單元次之，二級破碎單元最少。

圖4 全自動制樣機各區域積煤積粉分布

3.2 樣品代表性分析

全自動制樣機生成的備份樣和存查樣與分析樣相互補充與佐證。當需要對燃煤指標進行定期抽檢，或分析樣化驗指標與燃煤采購預報指標存在較大偏差時，可以重新化驗存查樣，以驗證分析樣化驗指標的真實性和準確性。如備份樣和存查樣的化驗結果一致，則說明全自動制樣機生成的樣品能夠代表采購燃煤的真實指標。即使在分析樣化驗結果出現失真的情況下，仍能夠通過存查樣找回真實的燃煤化驗指標。為了驗證全自動制樣機的代表性，共進行3 組試驗。每組試驗使用不同的入廠煤或入爐煤樣品，3 組試驗采用連續進樣的運行方式。在試驗過程中，取出備份樣，然后人工分別將備份樣和存查樣制成?0.2 mm 的樣品。同時化驗備份樣和存查樣的熱值、硫分，對比分析化驗結果的一致性。備份樣和存查樣熱值、硫分的化驗指標如圖5 所示。

圖5 備份樣和存查樣的熱值、硫分化驗結果

備份樣-1 和存查樣-1 的熱值分別為19.64、19.67 MJ·kg-1，二者相差0.03 MJ·kg-1。備份樣-1和存查樣-1 的硫分分別為1.25%，1.23%，二者相差0.02%。備份樣-2 和存查樣-2 的熱值分別為17.12，17.17 MJ·kg-1，二者相差0.05 MJ·kg-1；備份樣-2 和存查樣-2 的硫分分別為1.32%，1.31%，二者相差0.01%。備份樣-3 和存查樣-3 的熱值分別為20.92，20.85 MJ·kg-1，二者相差0.07 MJ·kg-1。備份樣-3 和存查樣-3 的硫分分別為2.20%，2.22%，二者相差0.02%。

由3 組試驗結果顯示，備份樣和存查樣熱值最大偏差為0.07 MJ·kg-1，低于GB/T 213—2008規定的重復限定值0.12 MJ·kg-1。備份樣和存查樣硫分最大偏差0.02%，低于國標GB/T 214—2007 規定的重復限定值0.05%。由此可見，雖然一級破碎單元和二級破碎單元會存在少量的積煤積粉，但是由于一級破碎單元和二級破碎單元生成樣品的質量基數大，且大部分入料樣品在縮分的過程中會被舍棄，因此一級破碎單元和二級破碎單元內的積煤積粉并沒有對制備樣和存查樣的化驗指標造成影響。制備樣和存查樣是同一煤樣生成的樣品，均能夠代表該煤樣的真實特性。制備樣和存查樣熱值、硫分的化驗指標低于國標規定的重復限定值，說明該全自動制樣機一級破碎單元和二級破碎單元生成的樣品具有良好的代表性。

3.3 樣品穩定性分析

火電廠日常工作中，只有分析樣才會用于化驗熱值和硫分，并將分析樣的化驗指標作為燃煤采購的結算依據。因此，全自動制樣機生成的分析樣是否具有穩定性、分析樣的化驗指標是否真實可靠對燃煤采購具有重要的指導作用。

全自動制樣機、人工分別制備分析樣的熱值和硫分化驗結果如圖6 所示。全自動制樣機、人工使用同一入廠煤或入爐煤采集的樣品分別制備分析樣，然后化驗其熱值和硫分。通過對比，分析三級破碎單元內的積煤積粉是否會影響全自動制樣機生成分析樣的代表性和穩定性。人工制備分析樣先后使用聯合制樣機、電動縮分機、對輥破碎機、烘干箱和制樣粉碎機，此套設備在火電廠具有較長的應用基礎，可以人工打開設備外殼清理上一個煤樣遺留的積煤積粉，因此試驗結果具有良好的穩定性。

圖6 全自動制樣機、人工分別制備分析樣的熱值、硫分化驗結果

全自動制樣機、人工分別制備分析樣共進行4 組試驗，而全自動制樣機采用連續進樣的運行方式。分析樣4-機的熱值為20.36 MJ·kg-1，硫分為1.99%。分析樣4-人的熱值為20.45 MJ·kg-1，硫分為2.20%。分析樣5-機的熱值為19.93 MJ·kg-1，硫分為2.89%。分析樣5-人的熱值為17.89 MJ·kg-1，硫分為3.12%。分析樣5-機比分析樣5-人的熱值高2.04 MJ/kg，原因是分析樣4 的熱值高于分析樣5，分析樣4-機在三級破碎單元內的積煤積粉混入分析樣5-機中，導致分析樣5-機的熱值偏高。相似地，分析樣5-機的硫分比分析樣5-人低0.23%，原因是分析樣4 的硫分低于分析樣5，分析樣4-機在三級破碎單元內的積煤積粉混入分析樣5-機中，導致分析樣5-機的硫分偏低。同理，分析樣5-機在三級破碎單元內的積煤積粉混入分析樣6-機中，分析樣6-機在三級破碎單元內的積煤積粉混入分析樣7-機中，導致分析樣6-機和分析樣6-人以及分析樣7-機和分析樣7-人的熱值、硫分偏差均高于國標規定的重復限定值。由此可見，全自動制樣機三級破碎單元內的積煤積粉直接導致了分析樣化驗結果失真，使其不再具有代表性和穩定性。

三級破碎單元體積小、動力弱無法將煤樣完全破碎至?0.2 mm 以下，使其通過?0.2 mm 篩網落入到分析樣的樣品瓶中，產生較多的篩上物是造成積煤積粉的主要原因。去掉?0.2 mm 篩網，利用全自動制樣機重新制備分析樣，以驗證篩上物對分析樣化驗結果的影響。去掉?0.2 mm 篩網后，使用入廠煤或入爐煤采集的樣品，全自動制樣機仍采用連續進樣的運行方式，進行3 組試驗。

備份樣、存查樣、分析樣熱值、硫分的化驗結果如圖7 所示。備份樣-8、存查樣-8、分析樣-8 的熱值分別為19.64，19.72，19.67 MJ·kg-1，三者最大相差0.08 MJ·kg-1，低于國標規定的重復限定值。備份樣-8、存查樣-8、分析樣-8 的硫分分別為1.25%，1.23%，1.21%，三者最大相差0.04%，也低于國標規定的重復限定值。相似地，備份樣-9、存查樣-9、分析樣-9 以及備份樣-10、存查樣-10、分析樣-10 的熱值、硫分的最大偏差均低于國標規定的重復限定值。由此可以證實，三級破碎單元內的篩上物殘留是造成積煤積粉的原因，而積煤積粉是造成分析樣化驗結果失真的原因。去掉?0.2 mm 篩網后，全自動制樣機生成的備份樣、存查樣、分析樣的熱值、硫分顯示出高度的一致性，因此三級破碎單元的破碎能力及樣品過篩率成為了限制全自動制樣機廣泛應用的主要因素。

圖7 備份樣、存查樣、分析樣的熱值、硫分化驗結果

4 結語

燃煤全自動制樣機的制樣效率、積煤積粉、樣品的代表性和穩定性是限制其在火電廠廣泛應用的關鍵因素。通過實際試驗，揭示了影響全自動制樣機制樣效率的主要原因，驗證了全自動制樣機生成樣品的代表性和穩定性。

（1）設備頻繁故障是造成單個樣品制樣延時的主要原因。單個樣品制樣時間從60 min 延時至76 min，制樣效率從20 樣/8 h 下降至19 樣/8 h。消除設備故障、縮短入料時長、避免干燥等待時間等是提高制樣效率的有效手段。

（2）全自動制樣機內部全流域存在積煤積粉，一級破碎單元最多，三級破碎單元次之，二級破碎單元最少。制備樣和存查樣的熱值、硫分化驗結果低于國標規定的重復限定值，說明一級破碎單元和二級破碎單元生成的樣品具有良好的代表性。

（3）三級破碎單元內的篩上物殘留是造成積煤積粉、分析樣化驗結果失真的原因。去掉?0.2 mm 篩網后，備份樣、存查樣、分析樣的熱值和硫分化驗結果顯示出高度的一致性，表明三級破碎單元的破碎能力及樣品過篩率是限制全自動制樣機在火電廠廣泛應用的主要因素。