李慧姝

(山西能源學院 計算機與信息工程系，太原 030001)

0 引言

旋流器是將多相混合料進行分離的一種設備，其結構簡單，設備緊湊，占地面積小，設備成本低，適用于液體澄清，漿液濃縮，固相顆粒洗滌，固相顆粒分級，液相脫氣除砂及兩種不相混合液體的分離過程中[1]。隨著流體力學理論和分析方法受到了越來越多的重視，大大推動了旋流器的結構和應用范圍的擴展[2]。將離心法應用于旋流器加速輕相和重相分離過程中，是一種高效的分離方式，其特點是結構緊湊，分離效率高，流場穩(wěn)定，不容易產(chǎn)生循環(huán)和短路流，尤其適合于低油、油水混合物的分離。因此，對旋流器分級控制，優(yōu)化旋流器結構參數(shù)，成為人們研究的重點問題[3-5]。

近幾年，研究者們在重介質旋流器分離過程中采用了智能控制策略，使用多輸入、兩輸出控制算法，即以輸出數(shù)量效率為研究目標，重介分選出來的多個輸入變量網(wǎng)絡算法。鄧建軍[6]等人提出重介旋流器分選過程智能控制策略，使用Python語言編制方式采集并分析了輸入數(shù)據(jù)，并以此進行旋流器控制的仿真模擬；王燁堃[7]等人提出了針對極群組破碎分離的水力旋流器參數(shù)化方法，在建立固液分離旋流器湍流模型的基礎上，利用正交試驗對其進行分析，并選擇最優(yōu)參數(shù)，構建旋流器數(shù)值模型。Y.Sun[8]等人提出旋流器分離控制方法，采用雷諾應力模型(RSM)進行研究，顆粒相采用離散相模型(DPM)進行模擬。仿真結果表明，開槽渦流器能有效抑制渦流器中心向下渦流的產(chǎn)生，降低渦流器底部和外渦流的湍流強度，從而降低能量損失，增加分離效率。

以上方法均采用的是基于控制變量的單尺寸優(yōu)化方式，在深入研究旋流器結構優(yōu)化問題的基礎上，對旋流器的分離效率沒有進一步提高。另外，采用單粒徑優(yōu)化方法很難對其局部形狀進行精準控制。為此，提出了基于Fluent的旋流器分級控制系統(tǒng)設計方法。

1 系統(tǒng)硬件結構設計

按照旋流器的基本功能要求，確定基于Fluent的旋流器分級控制系統(tǒng)設計的性能特點，由此制定系統(tǒng)硬件結構設計方案，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構圖

由圖1可知，該系統(tǒng)硬件結構主要包括5個模塊，通過電源模塊為系統(tǒng)提供電力，利用核心控制模塊控制溢流口壓差，通過信息采集模塊采集溢流口壓力值。最后通過執(zhí)行模塊和人機交互模塊完成系統(tǒng)硬件結構設計。

1.1 電源模塊

電源模塊為系統(tǒng)提供可靠電力，這是保證系統(tǒng)能夠持續(xù)運行的前提。使用交流調壓式的電源模塊，能夠保證電壓輸出、輸入、輸出頻率一致，且交流電壓相位一致。電源模塊主要包括兩個部分，分別是發(fā)電機和干電池，因為發(fā)電機和干電池本身是不帶電的，它通過電極的正負電荷方向移動，導線就會帶電[9]。其中發(fā)電機可將機械能轉化為電能，干電池可將化學能變成電能。向發(fā)電機和干電池都施加一個電壓，如果導線直接與電池正負極相連，發(fā)電機和干電池就會通過釋放正負電荷產(chǎn)生電流[10]。

1.2 核心控制模塊

在核心控制模塊中設置一個電動調節(jié)球閥，該調節(jié)球閥通過分析采集到的電壓數(shù)據(jù)，可直接控制溢流口壓差[11]。為此，選擇了Q941F型號電動調節(jié)球閥，該裝置由調節(jié)電動執(zhí)行器和球閥組成，適用于兩種調節(jié)、切斷的場合，其結構如圖2所示。

圖2 Q941F電動調節(jié)球閥結構示意圖

由圖2可知，將伺服系統(tǒng)置于電動執(zhí)行機構中，直接連接閥門和執(zhí)行機構，不需附加伺服放大器，可以輸入4～20 MA電流信號和220 V交流電壓信號。可通過按鍵的控制，實現(xiàn)了對執(zhí)行器動作范圍的相應控制[12]。

1.3 信息采集模塊

信息采集模塊采用單片機作為核心，支持32比特的指令集和16比特的指令集，并且在單片機中實現(xiàn)了對32比特數(shù)據(jù)的高速傳輸和存儲。在傳統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)處理器的基礎上，嵌入一個模數(shù)轉換芯片，采用過采樣、數(shù)字濾波等手段提高 ADC的有效解析度。該模數(shù)轉換器與高通濾波器相當，可有效地降低基帶內部的噪音，使基帶信號的信噪比得以改善。數(shù)字濾波器的主要作用是對高速數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，并對其進行數(shù)據(jù)提取[13]。因為在一個信號循環(huán)中，過度取樣會導致數(shù)百個分立的點值，因此，要從常規(guī)的取樣頻率中選取資料，而在重新取樣前，必須先進行數(shù)位去偽頻濾波，才能避免誤頻或混淆。

在信息采集模塊中設置了BST6800系列的壓力變送器，可將傳感器采集到的氣體、液體物理壓力參數(shù)轉換成電信號形式，可為系統(tǒng)提供預警信號[14]。

BST6800系列壓力變送器結構如圖3所示。

圖3 BST6800系列壓力變送器結構示意圖

由圖3可知，該過程使用了3個壓力傳感器片，其中1、2片負責采集進料口和溢流口的壓力值，3片負責采集底孔壓力[15]。

IP協(xié)議在傳輸數(shù)據(jù)包前無需與目標主機建立可靠的連接，并且彼此之間可以進行數(shù)據(jù)的傳輸和接收。在一條源主機與目標主機之間建立了連接之后，依據(jù)端口號的差異來區(qū)別應用程序間的通訊。只有建立好了連接，才能把數(shù)據(jù)流分成 TCP包，然后按照 TCP包的順序進行編碼。接收者 TCP在相同的過程中等候不同的 TCP包，然后對沒有錯誤的單位進行檢驗，然后把它們作為一個數(shù)據(jù)流交給接收處理。在完成了全部的資料傳輸之后，將此連接關閉。面向連接的傳送都要求有一個確認的反饋機制，以篩選錯誤信息。在 TCP的限制下，采用三次握手方式實現(xiàn)了傳輸連接的創(chuàng)建與解除。

BST6800系列壓力變送器的工作原理如圖4所示。

圖4 壓力變送器工作原理

由圖4可知，利用 Fluent進行數(shù)值模擬，通過 Fluent進行底孔氣動球閥的開/關狀態(tài)控制。

1.4 系統(tǒng)電路設計

針對系統(tǒng)的時鐘電路和復位電路兩個部分進行優(yōu)化設計，其中時鐘電路的優(yōu)化目的是保證系統(tǒng)中的所有硬件設備均處于相同的運行頻率。選用12 MHz頻率的石英晶體和取值30 pF，且可微調的電容器[16]。時鐘電路中，定義XTAL1為振蕩電路信號輸入端，XTAL2為信號輸出端[17]。另外，復位電路的基本功能是在系統(tǒng)運行發(fā)生不可預測危險時，用于恢復系統(tǒng)的正確運行。系統(tǒng)電路的優(yōu)化結果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)優(yōu)化電路圖

最終將電路的優(yōu)化設計結果連接到各個硬件設備中。除了上述硬件設備之外，其他硬件與電路均沿用傳統(tǒng)5G通信下行信道傳輸控制系統(tǒng)設備元件[18]。

1.5 執(zhí)行模塊

閥作為氣動開關的執(zhí)行模塊，即使在高壓、大直徑情況下，只要改變閥門本身的大小，就能改善閥門可靠性，克服其重量對閥門所造成的影響[19]。

氣動閥門開關的結構如圖6所示。

如圖6所示，當壓力氣體進入膜室的上腔時，隔膜向下運動，推桿、閥桿和閥芯也向下運動，促使閥芯和閥座關閉，進而也就關閉了閥門[20]。在閥門失壓時，彈簧使滑閥向上運動，滑閥和閥座形成間隙，閥門導通。通過電磁閥的斷電控制活塞在汽缸內的行程，同時還需要一個氣源來提供驅動氣缸的動力[21]。主閥滑閥是一種球閥，當球閥滑閥轉動時，閥門關閉或開啟。滑閥座的傳動桿通過絲桿或其它部件連接到油缸，汽缸中的氣體充滿并釋放后，活塞將四處運動，通過絲杠連桿改變球閥的開度[22]。

圖6 氣動閥門開關結構

1.6 人機交互模塊

人機交互模塊主要是通過功率模塊為鍵盤和液晶顯示器供電，其中鍵盤是通過按鍵操作實現(xiàn)轉換、選擇、確認、刪除、輸入等功能，液晶屏能夠顯示大寫字母，小寫字母，數(shù)字，常用標點及漢字。輸入形式由鍵盤操作選擇，根據(jù)操作者的開關，選擇相應的 LCD形式。操作人員需要根據(jù)相應的數(shù)據(jù)庫格式，在 LCD顯示中表達內容[23]。

1.7 旋流器自動控制模塊

旋流器控制的關鍵目的就是為了保證溢流粒度能夠得到精細化處理，在結構參數(shù)固定情況下，將系統(tǒng)給礦壓力和濃度作為旋流器控制的對象。旋流器自動控制模塊主要是由兩個子模塊組成的，分別是給礦濃度控制子模塊和給礦壓力控制子模塊。

1.7.1 給礦濃度控制子模塊

在旋流器壓力一定情況下，如果給礦濃度較高，則說明礦漿濃度高，粒子在旋流器中旋轉的阻力也隨之增加，這就導致分離的粒度變粗。反之，如果給礦濃度較低，則說明礦漿濃度低，粒子在旋流器中旋轉的阻力也隨之減少，這就導致分離的粒度變細。因此，設計給礦濃度控制子模塊對于濃度控制是具有必要性的。

選用XC-CD生阻的抗?jié){濃度計實時檢測給礦濃度，通過調節(jié)旋流器池中水的含量來控制給礦濃度，進而提高旋流器的分離效率。

1.7.2 給礦壓力控制子模塊

旋流器中設計的給礦壓力控制子模塊是控制給漿壓力的關鍵因素，能直接影響旋流器的分級粒度。采用 YYM型液體壓力密度計，對給漿液的密度進行實時監(jiān)測，并將給漿液中的氣體向外擠壓，以減少混合在給漿池中的空氣對漿料的重量測量的影響。

使用該設備利用液柱自身重量產(chǎn)生的壓力制成的壓力計，其是由一根直徑較小的玻璃管固定在刻度板上制作而成的。為了避免表面張力帶來的誤差，玻璃管內徑要小于等于5 mm，且管道的上端開口及時通氣，下端使用橡皮管固定。當下端與需要測量壓力的位置相連時，給漿會在試管內上升到一定高度。

給礦濃度和給礦壓力都是影響旋流器溢流粒度的關鍵性指標，當指標發(fā)生變化時，需充分考慮給漿泵池的液體高度和設備負荷變化，及時調節(jié)給礦濃度和壓力，使大部分介質直接從溢流管中排出，并形成溢流[24]。

2 系統(tǒng)軟件部分設計

Fluent以有限體積法為基礎，采用有限體積法進行數(shù)值模擬，使其在無需大量人工干預的情況下智能地找到最優(yōu)控制點，可以很好地解決旋流器分級控制問題。旋流器分級控制系統(tǒng)軟件部分通過Fluent軟件數(shù)值模擬旋流器的顆粒直徑，對壓強和濃度參數(shù)進行調整與控制。結合 Gambit模型和網(wǎng)格劃分方法模擬旋流器切向速度、橫向速度及徑向速度，通過控制輸出來調節(jié)旋流器的進料速度，可以得到最優(yōu)的分級粒度，實現(xiàn)旋流器分級控制。

2.1 旋流器分級計算

進入旋流器的物質是底流和溢流分配比為1∶1的顆粒直徑，根據(jù)基于Fluent的數(shù)值模擬原理，可計算進入旋流器的顆粒直徑，公式為：

(1)

式(1)中，D表示旋流器筒體直徑，P表示壓強，ρ表示物質密度，C表示液體物質體積濃度。由公式(1)可看出，旋流器分離粒度與旋流器的壓強和濃度有關，因此，為了保證物質在生產(chǎn)過程中旋流器分級參數(shù)固定，則需對壓強和濃度參數(shù)進行調整與控制。壓強和濃度對直徑影響是呈反比例關系的，壓強增大就會導致顆粒直徑縮小，反之則增大[25-27]。綜上所述，采用公式(1)計算進入旋流器的顆粒直徑，據(jù)此調整旋流器壓強，實現(xiàn)旋流器壓強的分級控制。

2.2 基于Fluent數(shù)值模擬的分級控制原理

利用 Fluent強大的數(shù)值仿真功能，結合 Gambit模型和網(wǎng)格劃分方法，對3個方向的速度場分布圖進行了仿真分析。

2.2.1 切向速度模擬與分析

切向速度模擬如圖7所示。

圖7 切向速度模擬示意圖

由圖7可知，在強湍流各向異性條件下，其切向速度并非絕對軸對稱，且空氣柱存在偏心，其切向速度隨著半徑的減小而逐漸增大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是：分離出油相在溢流孔內不停地聚集，推動著油相的流動。在靠近溢流口處，其流阻較小，內部壓力較大，從而導致旋流器沿溢流口切線方向的流速持續(xù)增大[28-30]。

2.2.2 橫向速度模擬與分析

橫向速度模擬如圖8所示。

由圖8可知，在軸心區(qū)域存在一個高速區(qū)，在軸心附近也存在一個較高速的區(qū)域，這兩個區(qū)域的橫向速度方向和數(shù)值是一樣的，而在邊界層附近存在低速區(qū)。

通過大錐段的長度仿真得出了大錐段的長度變化對大錐段和小錐截面的影響。在錐段內部，外旋流軸速度的變化不顯著。大錐段的長度增大，那么在錐段內旋轉的軸向溢流速率會減小，從而使分離出的油相流向溢流的速度降低，使其由外旋牽引至底部流動。長度改變對錐截面外旋軸向流速的影響較小。

2.2.3 徑向速度模擬與分析

徑向速度模擬如圖9所示。

圖9 徑向速度模擬示意圖

由圖9可知，螺旋門和溢流口附近的氣柱徑向速度存在一個高速區(qū)，并且徑向速度很小，且與井壁的流速為零。

2.2.4 旋流器分級控制過程

基于上述分析的旋流分離器3個方向內部速度場，設計旋流器分級控制過程。

1)旋流器的工作參數(shù)一般包括入口濃度閉環(huán)控制和入口壓力閉環(huán)控制，在旋流器分級工作過程中，通過控制這兩個參數(shù)能夠獲得理想的溢流粒度。

2)充分考慮工況異常情況，在控制系統(tǒng)中引入旋流器進口壓力閉環(huán)控制機制和漿罐液位閉環(huán)控制機制，由此實現(xiàn)自動切換。

3)合適的溢流粒度是旋流器控制的最終目標，旋流器必須在規(guī)定的操作參數(shù)下才能正常工作。

4)旋流器的工作參數(shù)除了進口壓力外，還應考慮進口濃度和物料粒度。物料的粒度取決于磨機的工作狀態(tài)，對溢流顆粒大小的影響很小，不能用旋流器進行調節(jié)。

5)為得到理想的溢流粒度，旋流器運行參數(shù)控制環(huán)不僅引入了入口濃度和壓力參數(shù)，而且還引入了泵池液位和給礦量。

在旋流器生產(chǎn)過程中，采用兩套控制輸出量調節(jié)旋流器進料速度，獲取最佳分級尺寸，從而保證了旋流器分級過程的穩(wěn)定性。

3 實驗分析

為驗證本文設計的基于Fluent的旋流器分級控制系統(tǒng)的應用性能，設計對比實驗。采用重介旋流器分選過程智能控制策略、極群組破碎分離水力旋流器參數(shù)化方法作為實驗對比方法。實驗采用的是FX-250型旋流器，物料壓力0.3 MPa，在旋流器分級控制系統(tǒng)平臺裝置下對基于Fluent的旋流器分級控制系統(tǒng)設計方法進行實驗分析。

3.1 實驗設備及裝置

旋流器裝置及其分級控制系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 實驗設備

實驗平臺裝置如圖11所示。

圖11 實驗平臺裝置

由圖11可知，混合均勻后，渣漿泵送至旋流器中的顆粒，經(jīng)溢流管排出，送至攪拌桶內。這些粗顆粒從底部溢流管轉移到攪拌筒，形成閉環(huán)系統(tǒng)。取樣管設在實驗平臺入口處，進行采樣分析。

3.2 實驗方法

以90 μm直徑的細石英砂為介質，與水以2∶8的比例混合，對混合物攪拌，相關參數(shù)如表1所示。

表1 混合物攪拌物參數(shù)

濾液稱量法是用來分析所采集樣品濃度和計算分離產(chǎn)率的。采用激光粒度儀分析粒度組成，型號為馬爾文Mastersizer 2000，其粒徑測試范圍在0.1～2 000 μm之間，并按下列公式計算分數(shù)效率：

(2)

式(2)中，mα表示物料中分離級別的含量，mβ表示溢流中分離級別的含量，mθ表示沉底物質中分離級別的含量。

3.3 實驗結果與分析

分別使用重介旋流器分選過程智能控制策略、極群組破碎分離水力旋流器參數(shù)化方法和基于Fluent的旋流器分級控制系統(tǒng)，對比分析溢流濃度和底流濃度，如圖12所示。

圖12 3種方法溢流濃度和底流濃度對比

由圖12可知，使用重介旋流器分選過程智能控制策略和極群組破碎分離水力旋流器參數(shù)化方法，溢流濃度和底流濃度均與標準值相差較大，而使用基于Fluent的旋流器分級控制系統(tǒng)，溢流濃度和底流濃度與標準值相差較小，其中最大誤差為1.5%。由此可見，本文方法對旋流器分級控制系統(tǒng)溢流濃度和底流濃度的旋流控制效果均較好，能夠保證旋流器的分離效果。

在此基礎上，分別使用這3種方法對比分析分級效率，對比結果如圖13所示。

圖13 3種方法分級效率對比

由圖13可知，使用重介旋流器分選過程智能控制策略，最高分級效率為80%，最低為62%。使用極群組破碎分離水力旋流器參數(shù)化方法，最高分級效率為55%，最低為29%。使用基于Fluent的旋流器分級控制系統(tǒng)，最高分級效率為98%，最低為90%。由此可知，使用基于Fluent的旋流器分級控制系統(tǒng)分級效率較高。本文方法采用Fluent軟件分析旋流器內部流場的速度及壓力，調節(jié)控制輸出量及旋流器進料速度，獲取最佳分級尺寸，由此保證了旋流器分級過程的穩(wěn)定性，提升了旋流器分級效率。

4 結束語

針對提出的基于Fluent的旋流器分級控制系統(tǒng)設計方法，利用Fluent數(shù)值模擬方式，從切向、橫向、徑向三個方面對旋流器速度場分布特征進行了模擬研究。為了進一步完善系統(tǒng)，使泵不抽空不溢出，保證旋流器工作穩(wěn)定，應對旋流器物料濃度和入口壓力進行優(yōu)化設計，由此保證旋流器的產(chǎn)品質量和分級效率。