韓軍萍

中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司 河南平頂山 467000

我國(guó)煤炭資源較為豐富，而其他的化石能源卻相對(duì)貧乏，風(fēng)電、太陽(yáng)能、水電和核電雖然近年來(lái)有著快速的增長(zhǎng)，但基數(shù)較小，在一次能源結(jié)構(gòu)中總體占比不大；因此，煤炭作為我國(guó)的主要能源在短期內(nèi)是無(wú)法改變的。煤炭在原始沉積過(guò)程中，由于物理、化學(xué)、生物作用造成原煤中含有灰分和硫分；在煤炭開采過(guò)程中，頂、底板破壞進(jìn)一步提高煤炭灰分，對(duì)安全環(huán)保產(chǎn)生影響，并增加運(yùn)輸能源消耗，解決這些問(wèn)題就必須提高煤炭洗選比例。煤炭洗選方法主要有兩種，干法和濕法。在我國(guó)，濕法選煤占據(jù)絕對(duì)地位，占比接近 95%，煤泥水處理和脫水回收就成為重要環(huán)節(jié)[1]?，F(xiàn)階段，主流的煤泥水處理工藝主要包括沉降濃縮—壓濾等流程，且大多數(shù)選煤廠煤泥水處理主要采用人工作業(yè)方式，存在工效低、標(biāo)準(zhǔn)化程度不足等問(wèn)題。如果煤泥水處理采用自動(dòng)化、智能化控制，則可實(shí)現(xiàn)減人增效、減少損耗的目的。煤泥水的智能化控制也是煤炭洗選智能化的重要組成部分[2]。國(guó)內(nèi)選煤廠根據(jù)自身?xiàng)l件，采取多種方式提高煤泥水處理智能化程度。韓子彬等人[3]開展洗選裝置多參數(shù)分析，提出了模糊控制算法，并以此進(jìn)行藥劑添加補(bǔ)償控制，實(shí)現(xiàn)藥劑自動(dòng)添加。劉東亮等人[4]根據(jù)洗選工藝設(shè)計(jì)了基于 PLC 的煤泥水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了流程化、標(biāo)準(zhǔn)化。劉志升[5]根據(jù)沙坪洗煤廠煤泥水處理中存在的問(wèn)題，通過(guò)多種改進(jìn)措施，優(yōu)化了系統(tǒng)工藝，提高了煤泥水處理效果。為提高常村煤礦選煤廠的洗選效率，實(shí)現(xiàn)降本增效，在前期研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)該選煤廠煤泥水特征進(jìn)行研究，分析煤泥水處理工藝、控制系統(tǒng)以及設(shè)備運(yùn)行等方面暴露的問(wèn)題，該廠設(shè)計(jì)了煤泥水處理智能化改造方案。

1 煤泥水處理系統(tǒng)概況

常村煤礦選煤廠配備 2 臺(tái)濃縮機(jī)，一用一備，采用周邊傳動(dòng)模式。濃縮機(jī)安裝有 S7-200 型控制器作為主體控制系統(tǒng)，其采用可視化屏幕，能夠顯示濃縮機(jī)的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)；但是濃縮機(jī)配套液壓站運(yùn)行參數(shù)無(wú)法在主體控制系統(tǒng)上實(shí)時(shí)顯示。在濃縮機(jī)底流位置設(shè)計(jì)了差壓濃度計(jì)和電磁流量計(jì)，對(duì)底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)、流量進(jìn)行測(cè)量。

選煤廠壓濾車間共配備 5 臺(tái)尾煤壓濾機(jī)，正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，壓濾機(jī)由司機(jī)人工操控。壓濾機(jī)上有集成操控裝置，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)入料泵、出料刮板等進(jìn)行操控，但是出料刮板和之后的煤泥帶式輸送機(jī)之間沒有連鎖，只能手動(dòng)操作。所有壓濾機(jī)均能與主控系統(tǒng)展開通信。主控系統(tǒng)能夠顯示壓濾機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)情況以及壓煤泥板數(shù)，同時(shí)能夠觀察入料泵的實(shí)時(shí)液位；但無(wú)法觀測(cè)壓濾機(jī)所處運(yùn)行步序和時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)。

濃縮機(jī)共設(shè)計(jì) 2 套加藥裝置，可以分別加入絮凝劑和助凝劑。加藥裝置全部配備變頻式輸送泵，不過(guò)泵體只能手動(dòng)操作。

2 問(wèn)題分析

常村選煤廠煤泥水處理配套裝備在日常使用時(shí)存在以下問(wèn)題。

(1) 主控系統(tǒng)能夠顯示由以太網(wǎng)傳輸?shù)臐饪s機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)情況；但該設(shè)施并非工業(yè)品，運(yùn)行工況不穩(wěn)定，信號(hào)中斷事件多有發(fā)生。

(2) 濃縮機(jī)底流設(shè)置了測(cè)量設(shè)備，能夠?qū)|(zhì)量分?jǐn)?shù)、流量進(jìn)行觀測(cè)；但是對(duì)入料沒有開展相應(yīng)的觀測(cè)，僅憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)溢流的渾濁度進(jìn)行判斷，再相應(yīng)地調(diào)節(jié)加藥量，沒有嚴(yán)格的參考標(biāo)準(zhǔn)。但是，煤泥水進(jìn)入濃縮機(jī)時(shí)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒大小、流量是動(dòng)態(tài)變化的，僅憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)并不準(zhǔn)確，可能浪費(fèi)藥劑或者使?jié)饪s機(jī)溢流不符合標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 濃縮機(jī)底流管路內(nèi)設(shè)置了差壓濃度計(jì)，但是安裝位置受到管路長(zhǎng)度的限制，導(dǎo)致其穩(wěn)定性不足，影響數(shù)據(jù)的精確度。

(4) 原系統(tǒng)中采用人工測(cè)量清水層高度，員工工作量大，數(shù)據(jù)缺乏準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，且操作不便。

(5) 濃縮池正常運(yùn)行中需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操控，有人員墜入濃縮池的安全風(fēng)險(xiǎn)。

(6) 尾煤壓濾機(jī)數(shù)量多，需要配備的司機(jī)較多，且勞動(dòng)強(qiáng)度較大。

(7) 壓濾機(jī)刮板輸送機(jī)和帶式輸送機(jī)沒有連鎖，如果輸送帶急停，這時(shí)壓濾機(jī)還需要一定時(shí)間停止，容易造成帶式輸送機(jī)“壓死”。

3 煤泥水處理系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 濃縮流程升級(jí)改造

(1) 在濃縮機(jī)入料端安裝測(cè)量裝置，分別測(cè)量入料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和流量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算煤泥干料。以煤泥干料量為基準(zhǔn)，分別設(shè)置相應(yīng)的加藥量。煤泥水具有較強(qiáng)的磨蝕能力，為提高流量計(jì)的壽命，電磁流量計(jì)內(nèi)襯聚氨酯，并將其設(shè)計(jì)在入料母管內(nèi)。濃度計(jì)采用音叉式設(shè)計(jì)，安裝位置為濃縮池匯流箱側(cè)面。

(2) 在濃縮機(jī)上安裝高靈敏濁度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)可移動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，該設(shè)備由高靈敏濁度計(jì)、濃度計(jì)和傳動(dòng)裝置組成。濁度計(jì)和濃度計(jì)安裝在傳動(dòng)裝置底部，傳動(dòng)裝置可以在垂直方向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)執(zhí)行位置檢測(cè)，從而精確控制濁度計(jì)和濃度計(jì)的深度。檢測(cè)設(shè)備在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠測(cè)量不同深度狀況下濃縮池的濁度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，探明清水層、沉降層、煤泥層的準(zhǔn)確厚度。通過(guò)對(duì)不同深度煤泥水濁度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的記錄，能夠準(zhǔn)確計(jì)算煤泥絮狀物濃度梯度和沉降速率，對(duì)藥物沉降效果進(jìn)行分析，以調(diào)整藥量。濃縮池工況測(cè)試流程如圖1 所示。

圖1 濃縮池工況測(cè)試流程Fig.1 Test process of thickening tank working condition

檢測(cè)裝置配套集中控制系統(tǒng)，如圖2 所示。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置自動(dòng)或者手動(dòng)控制運(yùn)行，能夠?qū)崟r(shí)顯示檢測(cè)裝置的情況以及濃縮池內(nèi)煤泥水的相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)反應(yīng)絮凝劑和助凝劑沉降效果。

圖2 梯度儀顯示系統(tǒng)Fig.2 Gradiometer display system

(3) 利用工業(yè)版的無(wú)線傳輸設(shè)備將濃縮機(jī)連入煤泥水處理主控系統(tǒng)，則三段耙中的各段位距離、濃縮機(jī)工況、液壓站運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備故障等信息能夠在主控系統(tǒng)上集中顯示，從而避免了濃縮機(jī)壓耙事故的發(fā)生，確保煤泥水處理系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

(4) 改造前，采用差壓式密度計(jì)測(cè)量濃縮機(jī)底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)，存在計(jì)量不準(zhǔn)等問(wèn)題；改造時(shí)，將其更換成音叉式。音叉式密度計(jì)采用諧振選頻方式確定其相關(guān)參數(shù)，當(dāng)音叉中的流體密度發(fā)生變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的頻率，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)并傳輸至主控系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量，可以判斷壓濾機(jī)入料質(zhì)量分?jǐn)?shù)和評(píng)價(jià)加藥沉淀效果。

3.2 加藥添加自學(xué)習(xí)閉環(huán)控制系統(tǒng)

煤泥水處理系統(tǒng)是包含了眾多相關(guān)子系統(tǒng)、設(shè)備和傳感器，包括濃縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)、入料數(shù)據(jù)、底流數(shù)據(jù)、濃度傳感器、壓濾機(jī)刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)、壓濾設(shè)備、加藥系統(tǒng)等，必須將這些參數(shù)全部納入煤泥水處理控制系統(tǒng)中，才能實(shí)現(xiàn)集約化和統(tǒng)一控制。將各個(gè)子系統(tǒng)融合在主控系統(tǒng)內(nèi)，按照一定的邏輯進(jìn)行匹配，才能做到各系統(tǒng)、設(shè)備之間的耦合，提高生產(chǎn)效率。其中，實(shí)現(xiàn)加藥系統(tǒng)優(yōu)化也是關(guān)鍵的一環(huán)，本次通過(guò)建立閉環(huán)控制系統(tǒng)和專家指導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加藥系統(tǒng)的改良。

3.2.1 閉環(huán)加藥系統(tǒng)

構(gòu)建閉環(huán)加藥系統(tǒng)，其核心內(nèi)容是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)入料煤泥水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與流量，并根據(jù)數(shù)據(jù)得出干料量，然后通過(guò)監(jiān)測(cè)處理后的煤泥水質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度、底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)反饋；系統(tǒng)調(diào)整加藥參數(shù)，完成加藥系統(tǒng)閉環(huán)管理。其運(yùn)行步驟如下。

(1) 加藥系統(tǒng)中要預(yù)設(shè)加藥量數(shù)值。該數(shù)值由入料煤泥水計(jì)算的干料量決定，按照一定比例進(jìn)行加藥，并設(shè)置波動(dòng)范圍和調(diào)節(jié)周期。

(2) 添加藥物時(shí)，需要參照清水層數(shù)據(jù)，對(duì)助凝劑添加量進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。當(dāng)監(jiān)測(cè)到清水層厚度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，減少藥劑量；反之，則提高藥劑量。藥劑量調(diào)節(jié)幅度根據(jù)清水層厚度設(shè)置。

(3) 加藥時(shí)，若濁度梯度或濃度梯度高于預(yù)設(shè)值時(shí)，應(yīng)減少絮凝劑的用量；反之，則增加絮凝劑的用量。

(4) 底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于預(yù)設(shè)值，增加助凝劑的用量。

3.2.2 專家藥量指導(dǎo)系統(tǒng)

完成閉環(huán)加藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改造后，需要提取加藥系統(tǒng)運(yùn)行期間的主要參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行分析和處理，為專家指導(dǎo)系統(tǒng)提供基本參數(shù)，由專家系統(tǒng)對(duì)處理后的參數(shù)建立模型。利用尋優(yōu)算法，對(duì)不同階段流程的加藥量進(jìn)行計(jì)算，匹配藥物參數(shù)，并存儲(chǔ)在專家系統(tǒng)內(nèi)，在煤泥水處理系統(tǒng)運(yùn)行期間對(duì)加藥量進(jìn)行控制。在控制系統(tǒng)中，主要變量為浮選入料干煤泥量、白藥加藥量、黃藥加藥量、清水層厚度、濁度梯度平均值、原煤硫分、濃縮底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)；輔助變量為濃縮池入料流量、濃縮池入料質(zhì)量分?jǐn)?shù)、濃縮底流流量、沉降層厚度、煤泥層厚度、梯度儀數(shù)據(jù)。專家指導(dǎo)系統(tǒng)控制策略如圖3 所示。

圖3 專家系統(tǒng)控制流程Fig.3 Control process of expert system

圖4 壓濾機(jī)群控系統(tǒng)工作流程Fig.4 Working process of group control system for filter press

在運(yùn)行中，專家系統(tǒng)不斷對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終取代人工設(shè)置，并在后續(xù)數(shù)據(jù)的積累中不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)，以修正加藥參數(shù)，確保參數(shù)最優(yōu)化。對(duì)不同層位、不同煤質(zhì)的煤泥水，可對(duì)其進(jìn)行分組，分別建立專家系統(tǒng)。

3.3 壓濾系統(tǒng)控制優(yōu)化改造

3.3.1 煤泥水入料連鎖設(shè)計(jì)

在濃縮機(jī)底流管路內(nèi)設(shè)置濃度測(cè)量裝置，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓濾機(jī)入料質(zhì)量分?jǐn)?shù)。將壓濾機(jī)入料質(zhì)量分?jǐn)?shù)與濃縮機(jī)底流泵相連鎖，當(dāng)入料質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于預(yù)設(shè)值時(shí)，底流泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)滿足預(yù)設(shè)要求時(shí)，底流泵再次開啟。

3.3.2 壓濾機(jī)卸料連鎖設(shè)計(jì)

在單體壓濾機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)，新增“請(qǐng)求卸料”和“卸料允許”信號(hào)。該信號(hào)的使用，能夠?qū)簽V機(jī)和配套的帶式輸送機(jī)聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)卸料與運(yùn)輸?shù)鸟詈峡刂啤?/p>

3.3.3 壓濾機(jī)群控設(shè)計(jì)及聯(lián)網(wǎng)

將煤泥水處理控制系統(tǒng)連入工業(yè)環(huán)網(wǎng)中，通過(guò)交換機(jī)將 5 臺(tái)壓濾機(jī)內(nèi)設(shè)的 PLC 主機(jī)與煤工業(yè)環(huán)網(wǎng)相連接，多臺(tái)壓濾機(jī)均需卸料時(shí)，可利用群控功能為每臺(tái)壓濾機(jī)分配時(shí)間。

當(dāng)1 臺(tái)壓濾機(jī)發(fā)送卸料請(qǐng)求至工業(yè)環(huán)網(wǎng)中，而其他壓濾機(jī)保持靜默時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)將下游帶式輸送機(jī)開啟，然后向壓濾機(jī)發(fā)出“卸料允許”信號(hào)，刮板輸送機(jī)啟動(dòng)，開始卸料。若多臺(tái)壓濾機(jī)需要卸料時(shí)，首先發(fā)送請(qǐng)求“卸料信號(hào)”，同時(shí)進(jìn)入等待程序。此時(shí)煤泥水處理控制系統(tǒng)根據(jù)壓濾機(jī)發(fā)送信號(hào)的順序?qū)簽V機(jī)賦予 1 個(gè)優(yōu)先級(jí)，首臺(tái)壓濾機(jī)卸料完畢，則系統(tǒng)打開第 2 優(yōu)先級(jí)的壓濾機(jī)開始卸料，直到所有壓濾機(jī)全部卸料完畢。壓濾機(jī)群控系統(tǒng)流程如 4 所示。

3.4 煤泥水處理系統(tǒng)工業(yè) WiFi 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

在煤泥水處理系統(tǒng)設(shè)備范圍內(nèi)，建立工業(yè) WiFi網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置數(shù)量相匹配的移動(dòng) PAD，監(jiān)控煤泥水處理系統(tǒng)運(yùn)行，并可用于操作執(zhí)行。PAD 在功能上和集控系統(tǒng)相同，利用權(quán)限管理功能，給不同操作人員設(shè)置不同的操作權(quán)限，實(shí)現(xiàn)分級(jí)管理，并對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行操控。

4 應(yīng)用效果

(1) 該系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)煤泥水濃縮流程的可視化，并將系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中需要的各類參數(shù)數(shù)字化，通過(guò)準(zhǔn)確掌握煤泥沉降速率、澄清水質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及其他參數(shù)，進(jìn)行負(fù)反饋，形成閉環(huán)處理，避免藥量不匹配造成“壓耙”事故或者循環(huán)水變黑的問(wèn)題，提高煤泥水處理效率。

(2) 專家藥量指導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)建立算法模型，以目標(biāo)為導(dǎo)向，解決煤泥水處理流程中加藥量匹配的問(wèn)題，并可以進(jìn)行自我學(xué)習(xí)、存儲(chǔ)相應(yīng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)加藥系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，藥耗下降約 5%～ 10%。

(3) 壓濾機(jī)群控系統(tǒng)大大提升了壓濾效率。群控技術(shù)能夠保證 5 臺(tái)壓濾機(jī)自動(dòng)入料和卸料，縮短煤泥處理循環(huán)，生產(chǎn)效率提升近 20%。

(4) 濃縮-壓濾系統(tǒng)自動(dòng)化作業(yè)后，壓濾車間工作人員從 5 人降至 2 人，并降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了降本增效。

5 結(jié)語(yǔ)

煤泥水處理系統(tǒng)對(duì)選煤廠生產(chǎn)效率提升有著舉足輕重的作用。常村煤礦選煤廠通過(guò)優(yōu)化煤泥水參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備，升級(jí)可視化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤泥水處理過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確提取，形成閉環(huán)控制；研發(fā)具有自學(xué)習(xí)功能的專家藥量指導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加藥標(biāo)準(zhǔn)化；壓濾機(jī)群控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)壓濾機(jī)有序自動(dòng)排隊(duì)作業(yè)，提高了煤泥水處理系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了降本增效。