黃萬華

(西山煤電(集團)有限責任公司 太原選煤廠，山西 太原030053)

太原選煤廠原煤設計能力為4.50 Mt/a，采用選前脫泥50～1 mm粒級進入無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器進行分選，1～0.25 mm粒級采用CSS分選，<0.25 mm粒級采用浮選工藝。重介質(zhì)選煤生產(chǎn)過程中，懸浮液的密度直接影響著實際分選密度。由于太原選煤廠原有的重介選煤工藝系統(tǒng)通過人工操作控制和調(diào)節(jié)遠端的加水閥門，導致介質(zhì)密度控制精度差，重介質(zhì)損耗高，設備運行能耗高，增加生產(chǎn)成本。該廠對懸浮液密度控制系統(tǒng)進行技術改造，并對控制系統(tǒng)的軟、硬件進行更新升級，同時將其納入到PLC集中控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的共享，全面提升太原選煤廠的機械化、自動化控制水平[1]。

1 系統(tǒng)組成

太原選煤廠主要采用的是無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器+CSS粗煤泥分選+細煤泥浮選的聯(lián)合分選工藝。其中重介懸浮液密度的檢測和控制直接影響著重介分選的精度，以及精煤產(chǎn)品的質(zhì)量是否達標[2]。

2016年太原選煤廠與太原理工大學合作，引進了重介懸浮液密度自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用施耐德Modicon旗下Quantum系列PLC為技術核心，通過在分流管上安裝分流電動調(diào)節(jié)閥，在合介管道上通過旁路設計增加磁性物含量測量儀，將合格介質(zhì)密度測量儀和磁性物含量測量儀的數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)綇S調(diào)度顯示屏上，使調(diào)度指揮中心能及時了解現(xiàn)場合介情況；同時將信號傳給合介分流閥和補水調(diào)節(jié)閥，對分流閥和補水閥門的開度進行實時自動控制，從而實現(xiàn)了密度、液位、磁性物含量實時在線自動監(jiān)測與調(diào)整[3]。太原選煤廠懸浮液密度自動控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 懸浮液密度自動控制系統(tǒng)Fig.1 The improved medium suspension density control system

1.1 檢測儀表

1.1.1 同位素密度計

在重介選煤生產(chǎn)過程中使用AMDAL密度計通過非接觸在線測量方式對重介懸浮液密度進行測量，實時動態(tài)顯示密度測量值，系統(tǒng)不但可以為懸浮液自動控制系統(tǒng)輸出兩組4～20 mA信號，還可以實時顯示懸浮液的密度值、質(zhì)量分數(shù)等。同位素放射源Cs-037發(fā)射出γ射線光子穿過待測物，被物質(zhì)中的原子散射或吸收而產(chǎn)生衰減。由于衰減程度和待測介質(zhì)密度相關，介質(zhì)密度越大，射線衰減越多，射線衰減程度遵循指數(shù)定律[4]。

根據(jù)吸收定律，得：

式中：I為透過γ射線強度，ci；I0為入射γ射線強度，ci；μ為質(zhì)量吸收系數(shù)，cm3/s；L為射線穿過物料厚度，cm；ρ為物質(zhì)密度，g/cm3。

1.1.2 磁性物含量計

磁性物含量計是測量重介懸浮液中的磁性物含量，通過磁性物含量的變化來影響線圈的電感量變化。懸浮液通常由幾種物質(zhì)混合而成，只有磁性物會對磁性物含量計產(chǎn)生作用，而其他物質(zhì)中不包含磁性物則不會產(chǎn)生作用[5]。

1.2 執(zhí)行機構

系統(tǒng)使用DJK型角行程電動機對介質(zhì)泵前加水與篩下水分流執(zhí)行機構進行控制，實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的控制信號自動轉換成輸出軸的角位移和直線位移[6]，調(diào)節(jié)閥門的角度和補水量，同時使用開關量輸出實現(xiàn)了控制執(zhí)行機構的正反轉[7]。

2 系統(tǒng)工作內(nèi)容

重介質(zhì)自動控制系統(tǒng)主要由懸浮液密度自動控制系統(tǒng)與煤泥含量控制系統(tǒng)構成[8]。

2.1 重介質(zhì)懸浮液密度的控制

由于重介選煤過程存在的時變、非線性、強耦合和環(huán)境干擾等多種不確定性因素，導致過程建模困難。為此控制算法上采用PID控制算法、模糊控制、專家控制和自適應控制，避開建模困難，提高系統(tǒng)的控制性能[9]。重介質(zhì)懸浮液密度測控原理如圖2所示。

圖2 懸浮液密度測控原理

重介選煤生產(chǎn)過程中，合介桶液位會隨著懸浮液密度的增加而逐步降低。根據(jù)這一特點，通過調(diào)節(jié)水量這一主要控制變量來控制懸浮液密度，添補濃介質(zhì)量作為輔助變量[10]。設定的密度值和實際測量的密度值同時報送至PID控制器，差值信號由PID控制器調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)量經(jīng)專家控制系統(tǒng)校正后，報送至伺服放大器，系統(tǒng)會自動將位置反饋信號進行比較，驅(qū)動電動執(zhí)行機構進行工作，具體表現(xiàn)在以下方面:

(1)檢測懸浮液密度信號超過設定值時，系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)補水閥門加大水量，降低懸浮液密度[11]。

(2)當密度設定值和實際測量值的差值<0.002 g/cm3時，系統(tǒng)內(nèi)PID控制器無操作反應。

(3)當密度設定值和實際測量值的差值>0.01 g/cm3時，合介桶液位在正常范圍內(nèi)，則不考慮粘度計算值，系統(tǒng)會將分流量設定為45%，自動增加懸浮液密度；如合介桶液位低于下限值，為保證旋流器入口壓力，不可再打分流，可通過補加濃介質(zhì)提高懸浮液密度值，并調(diào)節(jié)閥門增加水量提高合介桶液位[12]。

2.2 煤泥含量控制系統(tǒng)

在重介質(zhì)選煤過程中，懸浮液中煤泥含量會對分選效果產(chǎn)生直接影響，增加產(chǎn)品的脫介難度，影響精煤的精度，同時對重介懸浮液的流變性與穩(wěn)定性造成影響，進而影響實際分選效果。為保證懸浮液的流變性與穩(wěn)定性，只有通過控制調(diào)節(jié)懸浮液中的煤泥含量來實現(xiàn)[13]。

在上料管上安裝密度計與磁性物含量計實現(xiàn)對懸浮液密度和磁性物含量的測定，將測量值通過公式計算得出懸浮液中的煤泥含量。煤泥含量計算公式:

β=A(ρ-1)-BG，

式中:β為煤泥含量，g/L；ρ為懸浮液密度，g/cm3；G為磁性物含量，g/L；A=δc/(δc-1)(δc為煤泥密度，g/cm3)；B=δc(δf-1)/δf(δc-1)(δf為磁鐵粉密度，g/cm3)。

使用弧形篩下分流裝置調(diào)節(jié)循環(huán)懸浮液分流量可實現(xiàn)對煤泥含量的控制。當煤泥含量低于設定值時，PID控制器會降低輸出，使用伺服放大器來控制分流裝置，減少分流；當煤泥含量大于設定值時，PID調(diào)節(jié)器會增加輸出，使用伺服放大器驅(qū)動分流裝置，增加分流；當煤泥含量等于設定值時，系統(tǒng)保持不變。特殊情況下當密度測量值和給定值差值<0.01 g/cm3時，控制系統(tǒng)會自動停止對煤泥含量監(jiān)測，如合介桶內(nèi)液位低于下限值時系統(tǒng)會自動報警，強置分流機構的輸出為0，停止分流操作[14]。

2.3 合介桶液位控制

合介桶液位作為重介質(zhì)分選的主要技術參數(shù)，當桶內(nèi)液位高時，會發(fā)生溢流，導致重介質(zhì)的流失；當桶內(nèi)液位低時，難以保證重介質(zhì)旋流器入口壓力，發(fā)生打空泵現(xiàn)象。因此，實現(xiàn)對合介桶液位的控制與調(diào)節(jié)非常重要。

合介桶液位控制系統(tǒng)采用開關量控制方式，分別設定桶內(nèi)液位上限與下限。當桶內(nèi)液位低于下限、懸浮液密度較高時，系統(tǒng)會自動補水；當桶內(nèi)液位高于上限、懸浮液密度較低時，系統(tǒng)會自動分流，同時為增加調(diào)節(jié)速度還可直接添加濃介質(zhì)。特殊情況如當桶內(nèi)液位和懸浮液密度都高時，一般不會發(fā)生在系統(tǒng)正常生產(chǎn)的情況下，只需采取人工處理的方式即可[15]。合介桶液位控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 液位控制系統(tǒng)框圖

3 經(jīng)濟效益分析

太原選煤廠對重介懸浮液密度控制系統(tǒng)的改造應用，大幅提高了精煤產(chǎn)品的質(zhì)量，穩(wěn)定了精煤灰分，精煤產(chǎn)率較改造前提高了1.5個百分點。太原選煤廠技術改造前后重介懸浮液密度控制系統(tǒng)的精煤灰分和產(chǎn)量對比見表1。

表1 改造前后重介懸浮液密度控制系統(tǒng)技術參數(shù)對比Table 1 Comparison of the technical parameters before and after renovation of the medium suspension density control system %

注：按年處理原煤300萬t，精煤390元/t，中煤75元/t計算，不計算矸石效益。

4 結語

太原選煤廠對懸浮液密度控制系統(tǒng)的技術改造取得良好效果，實現(xiàn)了密度調(diào)節(jié)的手動與自動控制靈活轉換機制，可將重介生產(chǎn)中懸浮液密度控制精度控制在±0.005 g/cm3范圍內(nèi)，粘度控制精度穩(wěn)定在±2%范圍內(nèi)，有效控制了精煤灰分，提高了精煤產(chǎn)量和質(zhì)量。該系統(tǒng)已穩(wěn)定運行一年時間，大幅降低了工人的勞動強度，改善了工作環(huán)境，為企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益。通過隨機抽檢表明，設定懸浮液密度的調(diào)節(jié)，實際檢測密度也會波動，經(jīng)過一個周期的波動會逐步穩(wěn)定到原設定值，達到良好的調(diào)節(jié)效果。