基于重介質(zhì)選煤過(guò)程的三維虛擬仿真系統(tǒng)

柴宛彤

摘要：本文結(jié)合當(dāng)前的虛擬仿真技術(shù)，研究一套重介質(zhì)選煤過(guò)程三維虛擬仿真系統(tǒng)，從而為開展選煤過(guò)程的優(yōu)化與控制研究提供仿真平臺(tái)。為保證凈煤中的碳含量以及減少能源損耗，建立了重介質(zhì)選煤的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行過(guò)程

關(guān)鍵詞：重介質(zhì)選煤;虛擬仿真;動(dòng)態(tài)模型;3D Max;Unity3D

煤炭洗選利用是煤炭生產(chǎn)和綜合利用的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的前提條件^[1]。再加之目前應(yīng)原煤煤質(zhì)變差，市場(chǎng)要求低灰精煤的需求變大，以及我國(guó)潔凈煤技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，分選控制，利用Unity3D以及3D Max技術(shù)建立模擬可視化界面，利用Matlab與可視化界面交互數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)重介質(zhì)選煤工廠的3維虛擬仿真。效率高且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重介質(zhì)選煤方法脫穎而出。

選煤主要利用在洗煤過(guò)程中的重力作用實(shí)現(xiàn)分離，整個(gè)選煤過(guò)程的控制便尤為重要。而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)需要這有利于改善設(shè)備性能，保證產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率，還可以減少由于擾動(dòng)造成的設(shè)備損耗，即減少被控變量與期望值之間的差異。在保證凈煤中的碳含量以及減少能源損耗的條件下，基于質(zhì)量守恒原理，建立了重介質(zhì)選煤的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行過(guò)程控制。

由于該過(guò)程具有綜合復(fù)雜性，其工藝參數(shù)難以連續(xù)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程在實(shí)驗(yàn)室難以精確復(fù)現(xiàn)。因此本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為“中介”建立起實(shí)驗(yàn)仿真和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程的橋梁。在選煤流程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以使該過(guò)程設(shè)計(jì)更直觀，且具有更好的兼容性、修改性、實(shí)時(shí)性。應(yīng)用三維建模軟件創(chuàng)建選煤廠廠房、設(shè)備、管道的三維虛擬模型，并導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，建立一個(gè)重介質(zhì)選煤廠三維系統(tǒng)，提高了設(shè)計(jì)方案的精確性，進(jìn)一步降低了實(shí)驗(yàn)成本。

為此，本文結(jié)合當(dāng)前的虛擬仿真技術(shù)，提出了重介質(zhì)選煤過(guò)程三維虛擬仿真系統(tǒng)，從而為開展選煤過(guò)程的優(yōu)化與控制研究提供仿真平臺(tái)。針對(duì)重介質(zhì)煤過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型，利用Matlab軟件數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

1、重介質(zhì)選煤工藝原理

重介質(zhì)選煤技術(shù)理論基礎(chǔ)是阿基米德原理，即浸沒(méi)在液體中的顆粒所受的浮力等于顆粒所排開的同體積的液體重量^[2]。在懸浮液中運(yùn)動(dòng)的顆粒，會(huì)受重力和浮力以及懸浮液體的阻力作用^[2]。顆粒越大，與懸浮液的相對(duì)速度越大，分選速度越快，分選的效率也會(huì)越高^[2]。由此可見，重介質(zhì)選煤是嚴(yán)格按照不同密度進(jìn)行分選的，選煤時(shí)，會(huì)加入一種分選介質(zhì)，其密度介于煤與矸石之間，通過(guò)調(diào)整介質(zhì)密度，可使介質(zhì)中煤和矸分別從不同的地方流出，實(shí)現(xiàn)分離。分選介質(zhì)的密度選擇是影響選煤過(guò)程是否精準(zhǔn)，以及分選速度和分選效率的關(guān)鍵因素。

2、重介質(zhì)選煤工藝流程

重介質(zhì)選煤的工藝流程如圖，可將工藝過(guò)程分為三步：分選前的準(zhǔn)備作業(yè)（破碎、篩分）、分選作業(yè)、選后產(chǎn)品的處理作業(yè)。

2.1分選前的準(zhǔn)備作業(yè)

原煤首先通過(guò)分級(jí)篩進(jìn)行篩分，用分級(jí)篩中帶孔的篩面將顆粒大小不同的原料篩分成各種粒級(jí)。精選機(jī)械所能處理的煤炭顆粒有一定的范圍度，超過(guò)這個(gè)范圍的大塊要經(jīng)過(guò)破碎才能洗選^[3]，被分級(jí)篩篩出的大塊物料通過(guò)破碎機(jī)粉碎成小顆粒。

2.2分選作業(yè)

分級(jí)后的原煤經(jīng)過(guò)給煤機(jī)送到重介旋流器中，然后將稀釋的分選介質(zhì)以一定壓力打入旋流器中，在分選介質(zhì)中按照顆粒密度的不同進(jìn)行選煤，從而可以分選出矸石、中煤和精煤。重介選煤的主要優(yōu)點(diǎn)是分選效率高、入選粒度范圍寬，生產(chǎn)控制易于自動(dòng)化^[4]。重介選煤的缺點(diǎn)是生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)費(fèi)用高，設(shè)備磨損快，維修量大^[4]。

2.3選后產(chǎn)品處理

分選后的精煤、中煤和矸石先經(jīng)過(guò)弧形篩脫水，在分別經(jīng)過(guò)精煤脫介篩、中煤脫介篩和矸石脫介篩進(jìn)行脫介，至于剩下的篩下物，就分別進(jìn)入到濃縮池和磁選機(jī)來(lái)進(jìn)行精煤的二次回收和介質(zhì)的回收。

重介質(zhì)選煤的核心是分選作業(yè)過(guò)程，分選介質(zhì)密度的選擇直接影響了分選的結(jié)果。合適的分選介質(zhì)不僅可以使選煤更加精確，也可以提高分選速度以及分選效率。

3、選煤過(guò)程數(shù)學(xué)模型

在重介質(zhì)旋流器選煤過(guò)程中，需要經(jīng)常不斷的對(duì)選煤工藝參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整，保證產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量的穩(wěn)定，并保證生產(chǎn)過(guò)程的安全進(jìn)行^[5]。尤其是對(duì)重介質(zhì)懸浮液的密度和流變特性的檢測(cè)和調(diào)整更為重要，因?yàn)樗苯佑绊懏a(chǎn)品的灰分和回收率^[3]。根據(jù)旋流器中的質(zhì)量守恒原理以及選煤過(guò)程中的具體參數(shù)變化，建立控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型。

動(dòng)態(tài)模型由混合箱、重介旋流器模型組成。混合箱模型的開發(fā)，它作為礦石與合格介質(zhì)進(jìn)行混合的場(chǎng)所，并基于整體質(zhì)量守恒定律;為了動(dòng)態(tài)模擬重介分選的產(chǎn)量，一方面要基于整體質(zhì)量守恒定律，另一方面通過(guò)成分質(zhì)量守恒來(lái)模擬煤質(zhì)。

如圖可以看出，原煤和分選介質(zhì)在加入旋流器之前先放入混合箱中，在混合箱中根據(jù)質(zhì)量守恒原理，可以得出：

（1）

（2）

（3）

其中和是介質(zhì)的密度和體積流量，和是毛煤到混合箱和懸浮液到旋流器的質(zhì)量流率，變量和代表雜質(zhì)在毛煤和旋流器懸浮液中的組分百分比，代表懸浮液中的介質(zhì)百分比。

在旋流器中根據(jù)質(zhì)量守恒原理，可以建立動(dòng)態(tài)模型

其中進(jìn)入和退出DMC的泥漿中不同組分的比例關(guān)系由如下關(guān)系控制：

（4）

（1）令旋流器中的混合物體積為，假設(shè)旋流器中上溢流體的體積與下溢流體的體積被分成一個(gè)恒定的體積a，有、。

（2）也由恒定比例a確定。

（3）由守恒關(guān)系有。

變量含義為：

變量

含義

上溢流體中雜質(zhì)和煤的組分比例的變化