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2019年最具影响力优秀论文选登03——《智能化背景下选煤厂设计的思考》

时间:2020-12-18     作者:郭大林,卫中宽,杨瑞峰【原创】

为激发选煤科技工作者对科研和生产创新活动进行总结的积极性,进而提升行业整体创新能力,2018年8月《选煤技术》编辑部发起了“年度最具影响力优秀论文”评选活动,拟在今后每年《选煤技术》刊载的学术论文中遴选出10篇优秀论文,并对优秀论文作者进行表彰和奖励。

“首届(2018年)年度最具影响力优秀论文”评选以公开、公平、公正为原则,首先采用学术定量评价方法,以中国权威网络出版平台——中国知网2018年10月26日发布的“被引量”和“下载量”数据为基础,遴选25篇论文入围网络投票,然后通过《选煤技术》编辑委员会和青年专家委员会网络投票和评审专家定性评价,最后评选出了10篇优秀论文。首届评选活动得到了选煤同仁的普遍支持,在业内反响良好。

“2019年度最具影响力优秀论文”评选在中国知网数据的基础上增加了万方数据知识服务平台的数据,从而使论文评选的基础数据更加全面。本年度评选采用的是该两大数字出版平台于2020年11月10日发布的论文引用和下载数据。经过网络投票和12位行业专家定性评价,并经《选煤技术》主编(1位)、副主编(2位)合议,《选煤技术》2019年最具影响力优秀论文评选工作已圆满完成。现将结果公布如下。在此向获奖论文作者表示祝贺。


智能化背景下选煤厂设计的思考


众所周知,制造业是国民经济的主体,是立国之本、兴国之器、强国之基。制造业分为离散制造业与流程制造业。流程工业的特点是原料进入生产线的不同装备,通过物理或化学反应在信息流与能源流的作用下,物质流变化形成合格的产品。产品不能单件计量,产品加工过程不能分割。生产线的某一环节出现问题,必然影响最终产品质量。选煤厂是典型的流程制造业,经过数十年的发展,我国已成为世界上规模最大的选煤流程工业大国,其产业集中化程度和规模世界罕见。然而,与世界先进水平相比,我国选煤工业大而不强,选煤厂的经营决策、资源配置计划、生产调度与控制仍严重依赖工作经验,信息孤岛大量存在;生产工艺研究过程还停留在企业的生产试验,核心工艺智能化研究进展缓慢;选煤厂在自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面差距明显,转型升级和跨越发展的任务紧迫而艰巨。

随着工业4.0的热潮从德国涌向全球及中国制造2025的实施,越来越多的流程制造企业正决意将智能制造的愿景变为现实,以期在数字化引领的工业变革中尽早谋篇布局。智能制造已经成为世界公认的提升制造业整体竞争力的核心技术。它是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合,具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。对于选煤行业而言,智能化选煤厂建设是实现智能制造的必由之路,通过智能化选煤厂建设实现高效化和绿色化,其关键是实现生产工艺优化和全流程整体运行优化。生产工艺优化是对已有的生产工艺和生产流程进行优化提升,以形成生产高性能、高附加值产品的先进工艺和流程。全流程整体运行优化是指在市场需求和原料煤变化时,以高效化与绿色化为目标,使得经营决策、计划调度、工艺参数选择、生产全流程控制实现无缝集成自优化,使选煤厂全局高效运行。

虽然我国原料煤性质复杂多变、生产工况波动大,导致生产工艺优化和全流程整体运行优化更加困难。但只要充分利用大数据、云计算、物联网、虚拟制造、人工智能等新思想与新技术,结合选煤工业的特点,通过两化深度融合,推进选煤工业智能制造,就有可能实现选煤工业生产工艺优化和全流程整体运行优化,使我国选煤工业由大变强,抢占未来经济和科技发展制高点。选煤厂智能化对于推动我国煤炭工业供给侧结构性改革,打造我国选煤业竞争新优势,实现选煤强国目标具有重要战略意义。

1 智能化时代选煤厂设计存在的问题

1.1 设计标准亟待修改完善

智能化选煤厂建设热潮涌动、蓄势待发,进行科技创新在煤炭行业已形成共识,需求强烈。但现行的选煤厂工程建设规范及标准已不能适应智能化选煤厂建设需要,主要表现在两个方面:一是重稳妥轻创新、思维体系僵化。政府正式颁布的设计规范和相关标准,具有权威性和强制性,在执行过程中不得违背。如此一来,虽然可以保证选煤厂稳妥可靠,但也容易导致设计思维固化、不利创新。二是智能化建设标准板块缺失。目前智能选煤厂建设的范畴、目标、进程、效果等在业界仍未形成统一的共识和标准。在智能化选煤厂建设起步阶段更应注重整体规划、标准数据库的建设与积累,多维度加以引导,共建标准数据结构开放、共享,有偿使用的智能选煤厂新体系。

1.2 设计理念亟待创新

提升智能化选煤厂设计需要用理念创新来提升和促进,但是国内选煤工艺设计方面已经多年没有质的改进,选用成熟工艺多,创新项目少;采用调整校验后的单一煤质资料进行工艺计算,对资源赋存条件和实际生产中的变化,仅靠不均衡系数进行能力调节;系统布置合理化程度需要进一步提高,环节创新程度还需进一步加强;设备选型理念被动,缺少主动创新精神,设备可靠性波动较大,非标件设计标准多以能用为主,结合煤流运动轨迹进行弧形或异形设计创新较少,快速、整体更换的人性化设计创新不足。在选煤厂智能化背景下,需要充分利用计算机辅助设计技术的发展成果,进行智能化建模、开发智能化设计软件,进行理论与理念的创新提升。笔者认为非标(含管道)的设计使用寿命至少应在5年以上,且全部在工厂加工制造,这是智能化选煤厂建设的基础。

1.3 设计手段亟待改革求进

目前国内煤炭设计院多采用传统的二维CAD进行工程设计,随着技术的不断发展,传统绘图方式已经日显疲态。二维设计表达不直观,相互交叉干涉现象频发,工艺布置优化调整力不从心。近年来个别设计院进行了三维设计探索,但也仅仅局限于进行三维翻模而已,并没有解决根本问题。除此之外,选煤厂非标件设计问题亦经常被忽视,溜槽故障率高、维护量大,根本原因是在设计中没有对煤流运动状态进行动态仿真模拟,煤流的运动轨迹、跌落速度及撞击点把握不准,出现偏差,管道设计亦如此。上述问题的存在,亟需更新设计手段来提高设计质量。在全球智能化背景下,虚拟建造、数字化设计交付将得到快速发展,设计过程二维和三维数据集成、多专业协同,煤流、水流动态仿真模拟,不仅可以优化系统布置,还可以提高工程质量。在工程开始之前对数据进行集成分析和动态管理,可提高选煤厂设计效率,促进煤炭工程建设高质量发展。

2 对未来智能化选煤厂设计的思考

对于智能化选煤厂的设计,需要着重思考以下几个问题:如何自动化生产、如何一体化应用、如何精细化管理、如何合理化调度。结合目前技术发展情况,笔者认为未来智能选煤厂的设计应该从以下几个方面进行切入:

2.1 设计过程虚拟化,实现工艺及布置模型设计,动态仿真,交付数字化选煤厂

数字化模型是实物选煤厂从设计、建造到运维全生命周期静态信息和动态信息的结构化、集成化、数字化统一表达。基于数字化模型的智能选煤厂功能架构,以三维可视化平台作为统一的人机交互界面,实现对生产、设备、安全等业务的可视化监控与管理,保障整体系统的可伸缩性,既能满足系统扩容的问题,也有利于后续智能化运维阶段的深化应用。不管是新建选煤厂直接数字化设计,还是既有选煤厂实现逆向建模数据整理,都是很好的一体化整体解决方案,有利于用户高效快速得到全生命周期的数据,保持良好的延续性。

2.2 实现全流程数据采集与智能分析

选煤厂工艺、设备必须要实现全流程监控设计,建设智能感知系统、实时预测系统,让系统具备实时感知生产条件变化,并进行大数据挖掘,主动响应和预测。生产工艺数据自动采集率达到90%以上,将采集的产量、质量、能耗等数据与选煤厂生产工序进行关联,以实现生产过程的全程追溯;在设备方面,增加设备的技术含量,如将传感器附入到泵、电机、大型设备等,提高设备自诊断、远程维护等功能。通过实时采集设备状态数据,为生产安排提供支撑数据;根据积累的设备运行数据建立故障预测模型,进行预测性维护,最大限度地减少设备的非计划性停机。

2.3 实现生产过程的智能化

加快突破重介、跳汰、浮选等核心分选工艺智能自控关键技术,设计先进稳定智能自控系统,关键生产环节实现基于模型的先进控制和在线优化。智能选煤厂通过构建洗选工艺数据模型和知识,开发智能化的选煤厂工控软件,推广智能控制,提高选煤厂工艺与设备的智能化水平,驱动生产目标的优化决策,实现人机协同的绩效管控,助力选煤厂达到安全、绿色、节能、高效的生产管控目标,打造无人或少人化选煤厂。

2.4 设计更加强化、完善的选煤厂信息化系统

设计阶段应强化建设选煤厂通信网络架构,实现选煤厂各环节之间与数据采集、监控系统、生产执行系统(MES)、资源计划系统(ERP)之间的信息互联互通。通过ERPMES集成应用,将物联网技术应用于车间管理,实现生产管理的智能化;通过建立知识库和知识管理系统,发展辅助决策的仪表盘系统;通过对选煤厂生产过程中的各种数据进行统计分析、联机处理和数据挖掘,实现管理决策的智能化。

最后需要说明的是,当选煤厂没有条件进行整体智能化重建时,升级改造则是唯一选项,不论是整合原有信息化系统还是补齐数字化短板,都必须从整体智能化方向为出发点,头痛医头脚痛医脚的战术已过时,智能化需要决策者具备战略高度,否则信息化系统导入越多,未来整合难度越大。

3 对未来智能化选煤厂设计的展望

3.1 标准化工作将得到快速推广

标准化设计、模块化建设、数字化管理、智能化运维(以下简称四化)是未来选煤厂项目全生命周期价值模式。以标准化设计为核心的四化全生命周期价值模式,适应了选煤厂智能制造的需要。标准化设计是实施模块化建设、数字化管理、智能化运维的基础。它是按照预制组装复制的模式,设计一套相对稳定的、通用的、符合选煤厂特点的非标件及工艺模块,寿命长,能快速更换调整,高效、灵活,可降低投资成本,提高建设效率。标准化设计是设计理念的创新,是工艺技术、建设模式、科学管理的集成创新。

3.2 全系统装配式钢结构选煤厂大有发展前景

未来智能化选煤厂设计与建设,更多是理性化思考,看重长远发展,全生命周期权衡一个工业产品的价值。设计更具前瞻性,项目前期会全方位、多维度评价其优劣。无论从节约人力成本,加快建设速度,还是从数字化智能化设计、资源化回收利用等方面分析,全系统装配式钢结构选煤厂将是未来智能化选煤厂设计与建设的主要发展方向,这一发展势头对选煤厂设计人员素质提出了更高挑战,设计理念需与时俱进。有些地区确实不宜采用钢结构时,可考虑钢筋混凝土装配式选煤厂。

3.3 智能化过程与“优胜劣汰”并行

随着中国经济进入新常态智能制造热潮的到来,我国能源行业正朝着洁净化方向发展,以高效、清洁、多元化、智能化为主要特征的能源转型进程加快推进,煤炭行业正经历着由数量规模型质量效益型转变。煤炭设计公司不可能独善其身,正在时代的推动下经受着前所未有的洗礼。不会开车的裁缝不是好厨子,这句看似调侃的玩笑话细细品味却发现意外地契合当下煤炭设计行业的现实。如今,只会做设计的设计师和设计院将逐渐被摒弃和淘汰,设计院进行全过程工程咨询的行业转型和跨界融合已是大势所趋。但需要引起警觉的是,在行业链的贯通过程中,施工的逆袭要比设计的追击更容易实现。因此在智能化选煤厂建设过程中,设计院在进入行业上下游和跨界时,需要考虑清楚如何把握住自身的主动权,在接受智能制造思维碰撞的同时,仍然要让设计这一核心占据主导。

3.4 设备制造领域将重新洗牌

智能化选煤厂离不开可靠的洗选加工设备,据调研,某劳动定员为120人的选煤厂,机修人员超过30人,类比全国其他选煤厂机修人员比例均不低,可见设备故障率是生产运营不可逾越的坎,更是影响智能化选煤厂推广的瓶颈。可以预感,在煤炭洗选加工设备领域,以质量促生存的时代即将到来,质量差的设备制造商生存之路会越来越窄,猫论的时代已经过去,如不转变观念,迟早会被淘汰。高精度的检测、监测设备将迎来发展机遇期,这些领域的制造商可应势而谋、应势而动、顺势而为。

4 结语

智能选煤厂是煤炭洗选加工产业实现长远发展的支柱,体现出高效化、绿色化等特点,给产业发展提供了很强的动力。当前选煤厂设计中体现出的设计标准不完善、设计理念创新不足、设计手段落后等问题,制约了智能选煤厂的发展,需要积极思考怎样提升智能制造环境下的智能选煤厂设计。笔者认为需对选煤厂设计进行数字化模型设计、全流程监控与智能分析,同时需要建设先进稳定的智能自控系统与选煤厂信息化系统。通过持续改进,实现生产过程动态优化,最终达到智能化水平逐步提升。文章最后对选煤厂智能化过程中的新常态进行了展望,期望建设单位能与设计方一同提高质量意识,初始建设阶段在工艺流程、设备选型、非标设计等方面为智能化做好铺垫,共同推动中国选煤技术的进步。

◎作者简介:郭大林(1965—),男,山东青岛人,教授级高级工程师,从事选煤厂工程设计和技术管理工作。

◎引用格式:郭大林,卫中宽,杨瑞峰.智能化背景下选煤厂设计的思考[J].选煤技术,2019(3):35-38.


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