平顶垛自动堆料工艺和控制方法

张有超

神华黄骅港务有限责任公司



平顶垛自动堆料工艺和控制方法

张有超

神华黄骅港务有限责任公司

堆料机是煤炭码头重要的堆场作业设备，主要功能是将翻车机卸下的煤炭堆存到堆场上，以便取料机进行取料装船作业。黄骅港一期通过改进堆料机的堆料工艺和控制方法，在国内主要煤炭码头中首次实现将堆场的尖顶煤垛改变为平顶煤垛，显著提高了取料装船作业效率。

平顶垛； 堆料工艺； 控制方法

1　前言

堆料机是煤炭码头重要的堆场作业设备，主要由行走机构、回转机构、俯仰机构、尾车机构、悬臂皮带机构等组成。它的主要功能是将翻车机卸下的煤炭堆存到堆场上，以便取料机进行取料作业。黄骅港是我国西煤东运第2条大通道的出海口，是集矿、路、港、航、电为一体的神华工程的重要组成部分，2015年煤炭下水量达到1.16亿 t。黄骅港一期和二期工程各有3台堆料机，已经于2013年3月全部实现全天候无人值守的全自动堆料。

2　平顶垛自动堆料工艺

2015年10月之前，国内主要煤炭码头的堆料机堆出的煤垛都是尖顶垛 ，取料机在尖顶垛进行取料作业时，存在着塌垛现象频繁、分层较多等问题，严重影响取料效率。2015年6月，黄骅港一期堆场自动化项目组为提高生产效率，根据堆场设备特点优化了堆料机自动控制方法和堆料工艺，将堆料机自动堆料方式由行走定点堆料方式改为行走回转定点折返堆料方式，将堆场的尖顶垛改变为平顶垛。本工艺已经于2015年10月投入生产，在国内主要煤炭码头中首次实现将堆场的尖顶煤垛改为平顶煤垛，运行平稳可靠。

本工艺的主要过程如下：

(1)堆料机做行走动作至指定位置。堆料机接收到中控作业指令后，行走到目标堆场。

(2)堆料机悬臂做俯仰动作向上抬至安全高度。这是为了防止堆料机回转过程中悬臂碰到煤垛或其他障碍物。

(3)堆料机悬臂做回转动作至指定堆料位置。

(4)堆料机悬臂做俯仰动作向下降至堆料高度。为了减少扬尘、保护环境，堆料机堆料作业时悬臂头部出料口与煤垛距离控制在5 m以内。

(5)启动堆料机悬臂皮带机开始堆料作业。

(6)堆料机悬臂高度根据煤垛高度的增加而增加，煤垛高度达到14 m后，堆料机悬臂高度停止增加。设堆料机开始作业时悬臂头部位置为A1，当煤垛高度达到14 m时，堆料机开始做行走动作和回转动作，使堆料机悬臂头部位置移动至A2；堆料机悬臂头部位置移动至A2后，停止行走动作和回转动作，待煤垛高度重新达到14 m时，堆料机再次开始做行走动作和回转动作，使堆料机悬臂头部位置移动至A3……以此类推，堆料机在每个堆料点煤垛高度达到14 m后，就通过做行走动作和回转动作，使堆料机悬臂头部按照A1→A2→A3→A4→B4→B3→B2→B1→C1→C2→C3→C4→D4→……的轨迹移动，直至堆满整个堆场(见图1)。通过如此行走回转定点折返堆料，即可使堆料机堆出的煤垛为平顶垛。

图1　堆料工艺

(7)堆料完毕，堆料机悬臂皮带机停止后，堆料机悬臂做回转动作至零位。

3　平顶垛的自动堆料控制方法

3.1硬件要求

(1)本工艺需要在堆料机的行走机构、回转机构和俯仰机构分别安装编码器，或者在堆料机上合适位置安装GPS设备，以获取准确的堆料机行走距离、回转角度和俯仰角度数据。目前黄骅港一期3台堆料机均已经全部安装编码器和GPS设备，2套系统独立运行可以互相对比确定数据精度，同时也可以应对设备故障保证生产不受影响。

(2)本工艺还需要在堆料机悬臂头部安装雷达测距仪，用于测量堆料机悬臂头部到煤垛的距离。目前黄骅港一期3台堆料机悬臂头部分别安装了3台VEGA雷达测距仪，以提高数据精度并预防故障风险。

(3)除了相关测量设备，堆料机还需要安装悬臂微波开关、悬臂拉绳、摄像头等设备，用以保证堆料机全天候无人值守全自动堆料时的安全。

3.2控制方法

(1)建立堆场空间直角坐标系。黄骅港目前已经将一期和二期的所有堆场坐标化，根据堆场的GPS数据建立了一个空间直角坐标系，其中东西方向(堆料机和取料机行走轨道方向)为X轴，南北方向为Y轴，垂直地面方向为Z轴。建立了空间直角坐标系后，堆料机的位置、煤垛的位置、取料机的位置等都可以用空间的一个点来表示。整个黄骅港堆场的坐标化，为平顶垛堆料工艺推广到二期、实现堆场自动化奠定了基础。

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(2)建立煤垛模型系统。黄骅港目前已经分别建立了一期和二期的煤垛模型系统，堆料机进行堆料作业和取料机进行取料作业时，都会将相关作业数据信息通过控制网发送给煤垛模型系统，煤垛模型系统根据接收到的堆料和取料作业数据信息，实时进行煤垛模型的更新。煤垛模型系统为堆料机自动移垛、自动对垛、自动堆料作业提供了精确的位置信息，具有非常重要的作用。

(3)煤垛高度的计算。根据黄骅港一期和二期堆料机的机械设计，堆料机悬臂头部的雷达测距仪安装为活动性安装，不管堆料机俯仰角度多少，雷达测距仪都可以在落料点正上方保持垂直向下。设煤垛高度为H1，堆料机俯仰铰点到堆场地面的高度为H0，堆料机悬臂长度为L，俯仰角度为β(堆料机悬臂头部高于俯仰铰点时β为正值，反之为负值)，则可得：

H1=H0+Lsinβ

根据这个方程即可得到实时的煤垛高度数据。

(4)煤垛静安息角的确定。堆料机自动堆料过程中落料点的范围是由煤垛高度H1和煤垛静安息角γ决定的，堆料机悬臂头部离堆场边缘的距离S=H1/tanγ。根据煤炭种类不同，煤垛静安息角也不同。黄骅港一期堆场堆存超过10种煤炭，静安息角从33°到39°不等。堆料机选择不同堆场作业时，煤垛模型系统可以给堆料机发送相应堆场煤种的静安息角。

Z1=Z0+Lsinβ

根据这个方程组，可以将堆料机的行走位置、回转角度、俯仰角度与堆料机悬臂头部位置进行相互转化。

堆料机进行堆料作业时，煤垛模型系统根据目标堆场的堆存情况，向堆料机发一个堆料位置坐标，即图1中A1点的坐标，堆料机自动控制程序会通过上面的方程组计算出堆料机悬臂头部在A1点时相应的堆料机的行走位置、回转角度、俯仰角度，堆料机根据计算出的行走位置、回转角度、俯仰角度做相应的行走、回转、俯仰动作，即可使堆料机悬臂头部到达指定位置A1点。在堆料机进行行走回转定点折返堆料作业的过程中，堆料机悬臂头部位置到达指定点位置后，堆料机自动控制程序就会计算出下一个指定点位置对应的堆料机行走位置、回转角度(第一个点煤垛高度达到14 m以后，在之后的堆料作业过程中俯仰角度保持不变)，待煤垛高度达到14 m，堆料机就会自动做相应的行走、回转动作，使堆料机悬臂头部移动到下一个指定点位置。同时，根据堆料机实时的行走位置、回转角度、俯仰角度，可以计算出当时的堆料机悬臂头部坐标位置，再加上当时的煤垛高度H1，即可得到当时的煤炭落料点的坐标位置为(X1，Y1，H1)，堆料机自动控制程序通过控制网将落料点坐标位置实时发送给煤垛模型系统，即可建立起该堆场的煤垛模型。

4　工艺效果

(1)平顶垛可以在同等堆场条件下增加场存。以黄骅港一期100 m×48 m堆场为例，按照煤垛静安息角36°、煤炭密度0.8 t/m3计算：尖顶垛工艺，煤垛高度最高为17 m(实际堆料堆到15～16 m)，场存为24 000 t；平顶垛工艺，煤垛实际高度14 m，场存为27 000 t。

(2)平顶垛可以显著改善取料机取料时的塌垛现象。尖顶垛高度较高，顶层竖截面为三角形，取料机在顶层取料作业时垛尖塌垛现象较频繁，容易造成取料机斗轮瞬时过载，发生斗轮堵塞，影响取料效率。平顶垛高度较尖顶垛矮，同时平顶垛顶层竖截面为梯形，取料机在顶层取料时很平稳，几乎不会发生塌垛现象。

(3)平顶垛可以提高取料机取料效率。一方面，塌垛现象的显著改善提高了取料机的取料效率;另一方面，黄骅港一期取料机取料能力有3 000 t/h和6 000 t/h 2种，3 000 t/h取料机在尖顶垛取料时需要将煤垛分为4层，6 000 t/h取料机则为3层。煤垛改为平顶垛后，2种取料机取料时都将煤垛分为3层，可以大幅度减少换层时间，减少取料装船流程空转时间，显著提高取料效率。同时，不管对哪种取料机，平顶垛都分为3层取料，避免2种取料机分层冲突。

5　结语

本工艺在黄骅港一期堆场投入生产运行以后，显著提高了取料机在顶层取料时的取料效率，同时提高了取料机取料的稳定性，为黄骅港取料机远程操控的实现奠定了基础，目前已经在黄骅港二期堆场开始推广。

[1]李长安. 堆料机无人值守智能堆料控制系统设计与实现[D].秦皇岛:燕山大学,2012.

The Automatic Stacking Process and Control Methods of Flat-topped Pile

Zhang Youchao

Shenhua Huanghua Harbour Administration Co., Ltd

The stacker is an important operating facility in coal terminal, whose main function is to transfer the coal from the car dumper to the stockyard for the coal reclaiming of the reclaimer to the ship. In the research, the stackers' stacking process and control methods have been improved in the first Phase of Huanghua Port , which firstly achieved the change of the steeple coal pile into the flat-topped coal pile in domestic main coal terminal. Through the practical validation, it shows that this method can significantly increase the reclaiming and shipping efficiency.

flat-topped pile; stacking process; control methods

2016-03-29

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.006

张有超： 061113，河北省沧州市渤海新区神华小区10号楼512室