封尘剂自动喷洒系统及应用

摘要： 本文介绍了火车封尘剂自动喷洒系统的原理、功能、实现方式及应用成果，并对喷洒过程质量的监测监控与喷洒效果评价考核系统及问题进行了分析探讨。

Abstract： This article introduces the principle， function， implementation ways and application achievements of the automatic sprinkler system of train dust covering agent. The quality monitoring during sprinkle process and the assessment system of sprinkle effect are also analyzed.

关键词： 封尘剂喷洒系统；工艺流程；应用成果；监测评价

Key words： dust covering agent sprinkler system；technological process；application achievements；monitoring and evaluation

中图分类号：TD562 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）24-0046-03

1 概述

由于煤炭在运输过程中，有相当一部分小颗粒煤炭被风吹在沿途的铁路路基两侧，特别是列车通过隧道时，在风力作用下，损失尤为严重。这些被风吹出去的煤炭大部分为末煤，无论是对周围的环境还是对现场工作人员的身体健康都有很大的影响。为了杜绝煤尘爆炸事故，确保隧道行车安全，降低煤尘的污染程度，保护沿途环境，减少煤炭损耗，最大限度的减少对装卸车工作人员身体健康的影响，神华神东煤炭集团公司从2005年底开始对运煤列车进行车皮表面封尘固化试验，通过近两年的试验，在可行性及经济技术论证的基础上，于2007年8月份陆续在所属的各装车站开始安装喷洒设备，目前神东洗选中心十三座选煤厂的十九套快速装车系统全部安装了封尘固化剂自动喷洒装置，且运行效果良好。

为了对封尘剂产品质量、喷洒数量及效果进行实时监管考核，在榆家梁和大柳塔环线两装车站开发安装了封尘剂监测监控和评价系统，使封尘剂自动喷洒系统实现了在线信息化管理。

2 主要技术原理

采用先进的变频调速技术与计算机应用技术，开发研制了PLC自动控制喷洒系统。该系统通过检测压力、流量、火车车厢位置等物理量，通过PLC及变频器自动控制喷洒压力、电磁阀开闭、喷洒滚筒的升降及滚筒旋转，保证喷洒系统在最佳工况和最节能条件下运行。

3 解决的关键问题

①本系统解决了人工喷洒控制频繁操作的问题，即喷洒泵、电磁阀、滚筒之间不能很好地配合，造成喷洒量及喷洒位置的不稳定，不能满足喷洒量的随时变化，影响喷洒质量和固化效果等。

②通过对火车车皮喷洒封尘剂，有效地减少了煤炭在运输过程中的损失和煤炭对环境造成的污染，还能有效遏制铁路隧道因煤尘燃烧引起的爆炸事故。

4 主要技术方案及实现过程

4.1 喷洒系统的组成及工艺流程 该喷洒系统分别由储液罐、清水罐、搅拌桶、喷洒泵、电磁阀、流量变送器、喷洒机构、喷洒滚筒等组成，如图1所示。

①封尘剂产品：

液体产品：工厂→汽车运输到现场→手动阀H→入料泵P4→30立方储液罐。

固体产品：工厂→汽车运输到现场→7立方搅拌桶搅拌→潜水泵P5→30立方储液罐。

②封尘剂喷洒：30立方储液罐→电磁阀V0→电磁阀V1（或电磁阀V2）→喷洒泵P1（或喷洒泵P2）→压力传感器F→流量变送器Q→电磁阀V4→喷洒滚筒→装车后的火车皮煤炭表面。

③系统清洗：清水罐→电磁阀V3→喷洒泵P3→电磁阀V4→喷洒滚筒。

4.2 控制系统配置及工作原理

①系统配置：根据喷洒工艺设备分布情况及控制要求，系统由西门子PLC、变频器、配电柜、计算机、检测控制系统等部件组成，如图2所示。

②工作原理：喷洒装置自动控制系统将变频调速技术和PLC智能控制技术相结合，完成系统对喷洒压力、电磁阀开闭、滚筒升降、滚筒位置选择等参数的自动控制，使这些设备在PLC系统控制下，根据工况要求自动控制喷洒流量和压力，保持喷洒系统安全、可靠、稳定运行并达到节能降耗的目的。

自动喷洒系统是一个多变量耦合系统。输入量有：车厢位置信号、喷洒压力及流量信号、各级限位信号；输出量有：压力设定、位置设定等。车厢位置及速度是控制系统的基础信号，通过其位置，自动控制电磁阀、滚筒的位置。并根据现场的实际情况，灵活的调整滚筒的上下位置，喷洒压力的控制采用PID控制，以维持喷洒压力的稳定性。

4.3 实现的功能

①操作站

实现对喷洒系统主要设备生产过程如压力调节、位置调节等基于流程图的监视、控制、调度、管理，并能对组态和仪表参数进行修改等。

实时诊断控制站的运行状况、存在的故障，并显示在操作站的监视画面上，以提供最及时、最便捷的系统维护功能。

各工段生产过程的实时数据曲线查看，以曲线方式监视各工段生产过程的资料趋势，并具备打印、存储、分析、比较等功能。

②现场控制站

完成喷洒系统生产过程参数的监测、调节和顺序控制功能。喷洒压力、喷洒流量等各种压力信号、流量信号、液位、各电机设备的运行状态等的检测、监视、PID调节和各种复杂调节，各种设备运行状态的监视及联锁保护等。

完成各用电设备的手动/自动调节的转换，如滚筒、喷洒泵等，喷洒压力的调节采用自动变频和手动变频双调节，若自动控制系统发生故障，则手动调节起作用，从而保证了系统的正常运转。

③安全配置

对喷洒系统的所有检测点都设有上限、下限报警，在流程图画面中有报警画面，并输出声、光报警提醒操作工。

4.4 操作站监控功能

①实时数据收集

班报、日报、月报数据收集、故障追忆数据收集、历史数据收集、模块报警记录、开关跳闸记录、启停曲线数据收集、趋势曲线数据收集。

②画面显示

模拟图：用二维或三维的图形形象的表示系统的工艺流程。流程图上的工艺设备的颜色（如泵、电气开关等）由当时该设备的开关状态决定，开关状态变化时，相应设备的颜色也随之变化。

相关画面：相关画面由几个主要参数及若干与其相关的参数组成，以便对主要参数的综合监视与分析。当主要参数越限或开关量跳变时，可自动推出相关画面，每幅画面可显示多个参数的名称、实时数据和状态。

启停曲线：在设备启动或停机阶段，将其主要参数组成一幅随时间变化的曲线图，它们具有共同的时间坐标及各自的量程坐标，并可以在组态时用虚线给出各自的期望曲线，以指导设备启停操作。

历史曲线：可以用曲线的形式向运行人员提供前30天的历史数据记录。每幅历史曲线画面可显示8条曲线。历史曲线的量程坐标及步长可变，光标所在位置对应时间的参数值显示在屏幕上方。此功能对分析事故原因非常有用。

趋势曲线：每幅画面4个参数，可显示当前15分钟的参数运行曲线，向运行人员提供所监视参数的变化情况和趋势。

③打印、制表及拷贝功能

系统具有打印、制表及屏幕拷贝功能，可被设置为以下几种类型中的任何一种：常规显示、随机打印、制表打印、画面拷贝及拷贝制表。

4.5 列车上方喷洒设备的两种形式及特点

①摆臂式

其包括有转筒、转筒驱动电机、主支架、升降套筒、摆臂驱动机构、升降驱动机构、升降导杆等。优点在于：结构简单，制做成本低，采用自动化摆臂设备在运煤列车顶部煤表面喷洒覆盖液体。该覆盖液体可以迅速渗透并凝固，使煤粉表面形成具有一定厚度和适当强度的板结层，以抑制煤粉被风吹走。该设备满足电力机车、内燃机车等各种牵引形式的装车作业方式。（如图3所示）

②升降式

其包括有驱动电机、转筒、主支架、绞车、导向滚轮组、滑轮、钢丝绳、导杆、锁紧套、喷管、喷嘴等，结构简单，成本低廉，用于在运煤列车顶部表面进行特定液体喷洒覆盖，本设备也可应用于其它粉状物料铁路运输污染防治。该设备不适宜电气化铁路作业区间电力机车牵引列车装车作业方式。（如图4所示）

4.6 封尘剂自动喷洒系统的优点

①喷洒系统计算机实现对各种设备的智能化控制，使系统保持最佳运行状态。

②实现喷洒量与负荷的精确匹配，节电20%～60%。

③建立用户信息管理系统数据采集及通讯接口。使用户可利用上报的日、周、月参数，起到运行优化和节能效果，并具有随时手动干预切换功能。

④变频调速：对给水泵加以变频调速控制，功率因数高、对电网不产生冲击、可极大地延长设备的使用寿命。

⑤利用强大的数据库管理功能，建立完整的值班记录、故障记录。

⑥系统保护功能齐全：不仅具有常规设备保护功能，同时具有报警和故障追忆功能。

⑦改善工人工作环境，降低工人劳动强度，提高整体工作效率。

⑧为确保冬季的正常使用，可采用电伴热带进行加热，防止结冻。

5 封尘剂喷洒监测监控与效果评价系统

为了做好封尘剂产品质量及喷洒过程的质量管控及喷洒效果评价，开发实施了封尘剂喷洒监测监控与效果评价系统。本系统主要对封尘剂产品的PH值、黏度及现场喷洒流量进行预警管理和在线监测。

5.1 报警管理

5.1.1 流量报警

①流量报警是对喷洒站是否对火车喷洒封尘剂的重要依据，直接关系到喷洒的效果和质量，未来可能作为对喷洒站奖惩及费用结算的依据，所以在流量报警中增加了录像回放功能，当有流量数据报警时，系统会自动记录当前喷洒的喷洒画面，点击播放按钮即可播放历史录像。

②因涉及到火车在装车过程中，有可能倒车，让车，空车经过，为了提高报警的准确性，系统提供了人工核对功能，当回放中，历史录像如果火车为空车，倒车，让车，这些都是无法避免的，将不能作为喷洒站是否喷洒的依据，点击删除，即可删除当前的报警信息。

5.1.2 PH报警

PH 报警是对喷洒站所喷洒的溶液化学腐蚀性进行系统监测，PH报警是通过PH传感器监测，如果喷洒的溶液超过设定PH值，系统会自动记录所有的PH报警信息以备查询。

5.1.3 黏度报警

黏度是封尘剂产品质量的关键指标，直接影响固化效果。黏度报警，是对喷洒站所喷洒的溶液的黏度进行系统监测，通过黏度传感器监测，如果喷洒溶液的黏度超过设定值，系统会自动记录所有的黏度报警信息。

5.2 参数在线监测

参数监测是对喷洒站喷洒溶液的即时监测，其中包括了PH监测、流量监测、黏度监测，所有的数据信息都是即时的。

从系统的导航菜单中分别选择PH值、黏度、流量监测，进入对应的监测页面，系统会默认统计出当前所有喷洒站的PH值、黏度、流量数据采集信息，默认按照时间倒序排序，如果需要根据条件查询，设置查询条件即可。

5.3 统计分析

统计分析是对喷洒站的历史数据进行分析，并给出相对应的折线图，其中包括了PH统计、流量统计、黏度

统计。

5.4 效果评估

效果评估是对所有的到港列车进行喷洒效果的评估。效果评估分为历史评估数据查询和实时评估信息监测。

在系统的导航菜单中选择评估查询，进入评估查询主页面，系统默认会查询出所有列车的评估效果，按照时间倒序排序。如果需要根据条件进行查询，设置好需要查询的条件，点击查询，即可展示所需要的数据。

5.5 参数设置

参数设置是对系统的参数模型、效果设置、参数范围等功能进行设置的功能。参数模型：设置站点最优参数；效果设置：设置打分效果。

6 经济效益分析

神东煤炭集团公司各装车站火车喷洒封尘剂后，神朔铁路沿线和各隧道煤尘清理数量明显减少，在天窗日清理煤尘投入的人力、机力有了大幅度减少，清理费用明显降低，铁路沿线的环境有了明显的改观。煤质方面，经对喷洒封尘固化剂后的煤质化验分析，煤炭水分增加0.1%左右，对发热量影响很小。

相关数据计算分析：从港口反馈数据测算，每节车皮可节约煤炭200公斤，每万吨煤可节约27.3吨，每吨煤按照500元计算，每万吨创造直接经济效益27.3×500=1.365万元。封尘固化剂的吨煤材料及人工费用为0.30元，即 0.30万元/万吨。火车喷洒封尘剂后创造的直接经济效益为：1.365-0.30=1.065万元/万吨。

2012年神东煤炭集团所管辖的19套快速装车系统共计装运煤炭182041650吨，2483126节车皮。经喷洒封尘剂后，大大减少了铁路沿线洒落煤炭对环境造成的污染，同时大大降低了电气化铁路隧道因煤尘漂浮造成安全隐患的危险因素。更重要的是为企业减少了煤炭损失。喷洒封尘剂后，按每节车皮平均可少损失200公斤煤炭计算，2012年仅神东可少损失496625.2吨煤炭，每吨煤炭按500元计算，可节约资金2.48亿元。2012年神东喷洒封尘剂投入的资金为5461万元，可净增收入约1.93亿元。因此喷洒封尘剂的经济效益、环保效益、安全效益和社会效益是非常巨大的。

7 结论

从上述分析看出：封尘剂自动喷洒系统投资小、效果好、效益高，很值得在煤炭运输行业全面推广应用。

参考文献：

[1]高强，马丁.西门子PLC（200/300/400）应用程序设计实例精讲[M].电子工业出版社，2009.

[2]丁恩杰，马方清.监控系统与现场总线[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[3]谷晓黎，张国钧，杨欢喜.基于自动喷洒装置的计算机控制系统的研究与应用[J].机械管理开发，2008（05）.

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