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【重大进展】雷贵生董事长:智能化选煤厂关键技术研究与应用

2023-03-27 19:30:55  来源:智能矿山杂志  作者:雷贵生,李团结,王鹏飞
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智能化选煤厂建设的背景及意义

当前,我国煤炭行业面临严峻的形势以及不断增大的环保压力和人工成本,加快煤炭供给侧结构性改革,推动煤炭企业升级转型发展迫在眉睫。随着国家“创新驱动”要求的逐步推动,结合目前计算机技术、PLC技术、网络技术、应用软件技术和通信技术的发展趋势,智能化建设将成为选煤行业发展的重要途径。2021年9月,国家能源局、国家矿山安全监察局研究制定了《煤矿智能化建设指南(2021年版)》,智能化选煤厂建设已成为趋势,2022年9月国家能源局综合司下发的关于《组织开展煤矿智能化建设先进典型案例征集工作的通知》,再次为智能化选煤厂的建设按下了加速键。目前,选煤厂智能化建设在国内还处于探索和起步阶段,很多检测装置和智能化系统都缺乏实践验证,在生产管理及综合控制、设备管理维护以及成本消耗管控等方面,仍依靠管理人员的工作经验来实现分析决策和运营管理;企业整体的生产效率和经济效益较低,工人的劳动强度较大。随着国家能源局和陕煤集团对智能化选煤厂的“建设指南”和“验收办法”逐步确定,重点围绕基础平台建设、基础自动化、智能控制、智能管理与决策4 个方面构建完整的选煤厂智能化体系;实现“人员盯岗向定点巡岗转变、设备人工巡检向在线实时诊断转变、设备被动维护向超前维护转变、工艺参数经验调整向大数据分析转变、生产经营数据汇总通报向实时展示转变、备件材料由自备自用向全公司共享转变”六大转变,达到“减少用工数量、稳定产品质量、节约生产成本、提高经济效益、改善作业环境”的目标。

陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿(以下简称一号煤矿)是黄陵矿业公司下属核心骨干矿井,根据陕煤集团、黄陵矿业“智能矿井、智慧矿区”建设规划,遵循“健全系统、完善功能、改造升级、确保一流”的总体思路,致力于打造国际一流智能化示范矿井,而一号煤矿选煤厂作为黄陵一号煤矿配套建设项目,原煤处理能力与矿井生产能力相同,处理能力为600万t/年,主要负责矿井原煤的筛分处理、洗选加工及装车任务。近年来,先后荣获煤炭工业“全国十佳选煤厂”“优质高效选煤厂”、行业级“质量标准化选煤厂”等荣誉称号。2021年11月,黄陵矿业公司与北京华宇工程有限公司组织召开了《黄陵一号矿选煤厂智能化升级改造》项目方案评审会,面对能源转型和环保压力,如何实现煤炭清洁高效利用和商品煤质量提升,以及安全生产管理产生的压力亟需破解,在此背景下,一号煤矿加快了智能化选煤厂的建设。

智能化选煤厂建设的主要内容

一号煤矿选煤厂根据国家能源局下发的关于《智能化选煤厂建设指南及验收办法》要求,围绕陕煤集团、黄陵矿业“智能矿井、智慧矿区”建设规划,结合选煤厂实际现状,围绕“以质定产、以产保质”的核心,从夯实生产工艺基础平台、提升核心设备自动化配比、辐射全工艺智能监测与控制、闭环智能诊断与决策4个方面进行了系统性的升级改造,建成“智选、质检、质售”为一体的高质量、高智能、高效率选煤厂生产管理体系,最终实现煤炭清洁高效利用和商品煤质量跨步提升。

一号煤矿选煤厂智能化建设主要包括以下智能化子系统。

质智能检验系统

基于工业机器人、智能生产线、工业物联网、高能脉冲激光、鹰眼精准定位等多项前沿尖端和智联交互技术,建设“采制化全流程+在线检测”煤炭质量数字化车间及智能成套系统,实现采样、制样、化验设备集成优化及智能控制、数据信息自动采集与分析、在线监督管理,达到煤质“在线监测实时调整生产工艺”和“全自动采制化系统贸易结算”同步推进的目的,完成“数据生产、数据加工、数据使用”3个方面的数据流、信息流、控制流闭环,为上、中、下游提供全面质量及数量控制手段,完成公平、公正的贸易交互。

针对全智能采制化系统+信息化管理系统这一逻辑,对现有选煤厂煤质管理进行优化和改进, 实现原料及产品检验流程的智能化、标准化、信息化,达到全过程绿色环保无人(少人)值守的智能质量管理流。煤质智能检验系统如图1所示。image.png

图1  煤质智能检验系统

智能选矸系统

基于X射线智能识别方法,针对煤和矸石所含元素、对辐射吸收量的不同,根据探测器接收到X 射线强弱不同,按照不同煤质特征建立相适应的分析模型,通过数据算法,对煤与矸石的元素含量、位置等进行精准数字化识别和跟踪,可将大小在50~300 mm的原煤混合物进行自动煤矸分离。智能选矸系统如图2所示。image.png

图2  智能选矸系统

智能火车装车系统

对原有快速定量装车的硬件系统以及 PLC 控制系统基础上,增加定位、测量、通信、控制等软、硬件设备,搭建1 套具有车号识别、车厢定位、溜槽定位、防冻液喷洒自动控制、绞车自动控制、自动平煤拓字、智能报表、报警信息查询等功能的智能化装车平台,通过雷达扫描进行实时装载质量检测,装煤的偏载、超高、平整度精度可达厘米级,以减少偏载、撒料等事故,避免了偏载等装车质量现象。智能火车装车系统如图3所示。image.png

图3  智能火车装车系统

智能化生产系统

将先进的传感监测、大数据、人工智能、物联网、云计算等新兴技术深度融合到复杂选煤工艺生产过程,实现设备智能运行与运维、状态智能监测、过程智能控制、工艺参数智能设定、管理智能精细和决策智能调节,并建立生产安全监测系统, 应用于入洗原煤杂物监控,如锚杆、木块、金属、编织袋等杂物识别;人员的不安全行为监控,如未戴安全帽、未戴口罩耳塞、吸烟等行为识别;设备的状态监控,如刮板输送机断链、溜槽管道堵漏、输送带跑偏撕裂等;安全区域的保护监控,如转动机构安全区域入侵、检修配电室安全区域入侵等, 具备选煤厂全区域、所有物的行为状态监测,将生产状态、制度管理等联动起来,指导选煤厂的生产管理。具备生产控制状态、设备运行状态的数据采集、展示、分析功能的智能化生产集中控制中心,如图4所示。

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图4  智能化生产集中控制中心

智能管控云平台及 3D 可视化系统

在提高装备可靠性和工业自动化水平的基础上,以现代信息技术和人工智能技术为手段,以集成和利用全流程信息资源为起点,以自动化、信息化、智能化的管控平台为依托,兼顾选煤厂实际生产、管理与销售情况,制定智能化选煤厂“控制层、管理层、决策层和平台层”总体架构,

基于倾斜摄影、激光点云、BIM技术对现场进行测量及建模,通过三维处理技术,搭建一个与现实完全一致的虚拟选煤厂。3D可视化系统能够以三维立体的形式显示选煤厂内的场景结构、设备布局,并采用先进的数据采集技术,将选煤厂内部的设备运行、环境、能耗等实时数据,统一传入数字孪生平台,与信息模型进行匹配与融合。该系统设置完善的视频感知、安全监测系统,对入选原煤杂物、人员不安全行为、设备运行危险状态等进行监测,并通过智能分析功能实现智能预测、预警、联动。智能管控云平台如图5所示。

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图5  智能管控云平台

关键技术突破与创新

(1) 创新研发了全国首套“采制化全流程+ 在线检测”煤炭质量控制与管理系统,建立了基于自适应、自感知、自反馈、自学习的系统控制模型,全过程可实现“数据不落地、过程不干预、数据不失真”,实现原煤产品与精煤产品煤炭质量控制的“双联动”功能,通过原煤在线检测数据联动控制自动分仓;精煤在线检测数据实现产品灰分和重介分选密度的联动控制。破解了因人工影响因素大,导致的煤样检验代表性差的难题,达到了采制样及煤炭质量管理的规范化、标准化、信息化、科学化。

(2) 通过应用智能干选机,结合矿井原煤的煤质情况,针对好煤、湿煤、杂煤不同煤种,建立专属选矸套餐,有效筛除50 mm以上煤炭的矸石、夹矸煤,煤质出现变化时,可通过调整套餐满足生产需求,排矸率提升6~8倍。

(3) 智能火车装车创新使用机器学习、机器识别、通信引擎、信标系统,可以实现火车进站、装车控制、重装检测的全流程无人化管理。包含了火车进站后的车型检测、运销系统对接、火车指挥、防冻液自动喷洒、装车自动化控制、装车质量检测、抑尘剂喷洒、自动平煤拓字等功能全流程自动控制。

(4) 构建了全域感知、全局协同、全线智能的选煤AI超脑平台,包含原煤智能选干;重介分选自动控制、浮选药剂自动添加、智能加介系统、智能浓缩压滤系统、泵类阀门联动、智能仓储检测改造、离心液、溜槽堵塞检测改造、刮板输送机监测系统、泵状态监测系统、智能视频等生产智能化系统。

(5) 全厂智能化子系统齐聚“云端”,实现对生产、安全、调度等系统的全面监测、控制,再与业务管理系统融合共享,避免信息孤岛,真正实现了选煤厂数据“采集—分析—管控—决策”的全周期管控,很大程度上降低了人工干预,增加了行业用工工效,实现了选煤厂生产管理全流程的信息化、网络化、制度化、规范化、统一化、智能化。

难题攻克与解决方案

建成首套在线+全流程煤炭质量与管理系统

在线+全流程煤炭质量与管理系统涵盖了煤质激光在线检测及原煤、商品煤的智能化采、制、样以及信息质量控制,研发采用全新无输送带式全密封采制一体化设计方案,有效解决了以往设备使用中漏、粘、堵煤及残留等问题,最大限度降低了煤样的水分损失,保证了整个采样系统的精密度和偏倚满足国标要求,研发全智能机器人制样系统,

智能完成样品识别感知、制备、转运、封装、写码、存储等流程,输出满足标准要求的多批次各级样品,实现自感知、自判断、自适应、自执行制样。研发了全智能化验系统将煤炭全水分、灰分、挥发分、硫分、发热量、碳氢等结算用常规检测项目所有设备智能化集成,针对所要求的工作环境及设备运行参数要求和化验效率。集中管控及煤质管控系统集中监管与管理煤质信息系统以物料检验检测标准与服务要求为准则,集过程管理、资源管理、数据自动收集、数据统计分析、信息体系管理、资料编码管理和安全管理等七大功能模块于一身,能对煤矿质量数据和管理数据实施收集、录入、报送、保存、传递、检索等统一管理,涵盖了物料采样、制样和化验等全部过程。能够实现对采制化现场及实验室资源的全面管控,建立基于工业物联网通信规范的设备信息化模型,实现各环节信息及数据的写入、读取和实时交换。所有过程数据不落地,实现自动采集、汇总、分析、处理,数据可溯源,采制化全过程实现在线实时监控,避免人为干扰。国内首套在线+全流程煤炭质量控制与管理系统,如图6所示。

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图6 在线+全流程煤炭质量控制与管理系统

精准排矸实现新突破

作为中厚煤层生产矿井,一号煤矿半煤巷工程量大,开采过程中矸石产量较大,加之环保政策收紧因素,一定程度上影响原煤质量,制约了矿井高效生产。通过X射线穿透物块进行识别,将物块信息转化为数字,通过服务器对数字的高速计算, 下达开阀信息,高频电磁阀准确喷吹物块。每百万吨混煤可分离出矸石5万t,按年600万t的核定能力计算,每年多提升30万t优质混煤。

火车装运全过程实现无人操作

原有火车装车装车、防冻液、绞车系统相互独立,操作复杂,装车时需要安排3—4人相互配合才能完成单节装车作业,具有机械性、连续性、频繁性等特点,需要操作人员时刻保持精力集中,劳动强度很大,容易造成时间长、故障率高、安全隐患大等情况;通过建设车号识别、车厢定位、车皮牵引、溜槽控制、自动平煤拓字智能火车装运系统,实现了装车过程无人操作,达到了减员增安的目的。

智能生产系统联动煤炭质量控制

通过对生产工艺环节各项智能化子系统的建设,利用高能量脉冲激光在线检测数据联控控制产品参数调整。原煤产品在线检测数据实时联动控制自动分仓,即以5500 大卡发热量为基准,大于5500大卡发热量的原煤产品进入产品仓,小于5500大卡发热量进入杂煤仓。研发精煤在线检测数据实现对精煤产品灰分和重介分选密度的联动控制,精煤在线检测数据建立产品分析与分选密度之间关系模型,实现循环介质密度和入料压力等分选工艺参数的在线智能给定,产品形态为可手动设定或自动计算给定重介工艺参数的软件程序。根据重介质分选工艺参数预测结果的输出,系统根据预测结果,直接将预测的给定值输入到控制端,脱离人为操控,实现快速、自动、精准运行。重介分选联动控制界面如图7所示。

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图7  重介分选联动控制界面

管控云平台信息融合展示共享

搭建完善的数据孪生系统,设置完善的视频感知、安全监测系统,对入选原煤杂物、人员不安全行为、设备运行危险状态等进行监测,并通过智能分析功能实现智能预测、预警、联动。创新应用大数据进行分析建模,实现自主分析和预测工艺参数,从配煤—重介旋流器主选—TBS粗煤泥分选— 浮选—煤泥水浓缩压滤全过程实现了高效可靠、自动化运行。

研发了行业智能决策管理系统,包括数据资源管理技术和大数据建模技术。数据资源管理技术用于建设数据中枢系统,打造数据池;大数据算法建模技术应用于选煤厂各工艺系统、管理系统、控制系统、决策系统,可以快速完成数据模型建立、调优、部署应用,可在外部技术的基础上进行模块化的深入自主开发,掌握自主的数据利用能力。全面推进选煤厂数字化、智能化转型,深入挖掘数据带来的价值,实现设备智能运行与运维、状态智能监测、过程智能控制、工艺参数智能设定、管理智能精细和决策智能调节,达到产品质量稳定、劳动强度低、经济效益高的目标。智能决策管理系统如图8所示。

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图8  智能决策管理系统

应用效果与推广前景

应用效果

目前,黄陵矿业一号煤矿选煤厂通过首批智能化选煤厂的验收,实现了设备状态智能监测、生产系统智能调整、产品质量智能检测,整体技术水平处于国内领先水平。整个系统平台具有成熟的功能和技术,精细指导选煤厂生产,降低生产运营成本,提高分选效率和产率,稳定产品质量, 使有效生产能力最大化,增加经济效益,现阶段介耗控制在1.4 kg/t,药耗控制在0.15 kg/t,中煤损失控制在2%以内,矸石带煤为0,精煤灰分控制在7.5%~8.0%。有效提升精煤采出率1%;煤质激光在线检测及原煤、商品煤智能化采样、制样、化验、信息质量控制的全套智能化系统。黄陵矿业一号煤矿选煤厂成为全国智能选煤厂建设的典范,真正实现了“人与煤样分离、人与数据分离、人与控制分离”,对实现生产工艺过程控制与产品质量保障意义重大,煤炭化验过程中分析检验的准确率从95%提升至99%以上;有效降低了煤炭贸易过程中的质量分歧;实现人员组织的精干高效,大幅减轻工人劳动强度,改善作业环境,简化组织机构,提高工作效率,达到了减员增安的目的,累计减少作业人员30人以上;高效监控选煤设备性能,及时掌握设备状态,消除隐患,延长设备使用寿命和配件更换时间,减少事故发生率以及停产维修时间, 统筹管理配件和大型部件资源,实现了对矿井生产的“零”影响;提升安全管理水平,实现安全生产和科技强安,连续实现安全生产“零”伤害;建立畅通、准确的信息流体制,以信息系统支撑精细化管理模式运行,以生产调度为中心指挥全部生产流程,实现选煤厂生产运营的集中管控,使选煤厂业务高效运转,保障生产顺畅运行;有效促进了选煤行业持续发展和产业深度变革,并推动形成新型选煤模式。

推广前景

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑,代表着煤炭先进生产力的发展方向。建成智能感知、智能决策、自动执行的智能化选煤厂体系,对实现生产工艺过程控制与产品质量保障意义重大,是解决煤炭清洁高效利用和商品煤质量提升的关键,黄陵一号煤矿选煤厂是全国首家建成全套智能化煤炭质量控制与管理系统的矿井。选煤厂智能化建设涵盖了生产过程中的煤质激光在线检测及原煤、商品煤智能化采样、制样、化验、信息质量控制的全套智能化系统。建设速度快,建设水平高,功能齐全,技术水平先进,成为全国智能选煤厂建设的典范。真正实现了人与煤样分离,人与数据分离,人与控制分离,对实现生产工艺过程控制与产品质量保障意义重大,描绘了煤炭质量控制智能化的发展方向,在整个煤炭行业具有显著的示范推广价值。

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