煤泥水沉降檢測(cè)控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

徐 芳

（山東博選礦物資源技術(shù)開發(fā)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

亭南選煤廠為礦井型選煤廠，入洗亭南礦開采原煤。亭南選煤廠分選工藝為塊末煤重介質(zhì)旋流器分選+粗煤泥重介質(zhì)旋流器分選+煤泥壓濾回收。選煤廠仍采用人工配制的絮凝劑溶液，操作工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)加藥量，不僅職工勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且加藥計(jì)量誤差大，造成對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

1 研究背景

亭南煤礦選煤廠絮凝劑加藥裝置位于濃縮池東北側(cè)一樓，主要由螺旋給料機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、絮凝劑藥劑攪拌桶、控制柜等組成，可進(jìn)行就地啟動(dòng)。其原有工作原理是由螺旋給料機(jī)給料，由鼓風(fēng)機(jī)吹入絮凝劑，與混合器供水腔下法蘭開孔噴出的清水均勻混合一起注入攪拌桶，攪拌約1 h 后，制成一定濃度的凝聚劑溶液，然后再經(jīng)水泵泵至儲(chǔ)備池，平均供兩個(gè)濃縮機(jī)使用。

該系統(tǒng)暫時(shí)為人工加藥，且不具備遠(yuǎn)程集控、無人值守的功能。由于人工添加藥劑不能實(shí)現(xiàn)添加過程均勻穩(wěn)定，造成藥劑污染和大量浪費(fèi)，致使投入的藥劑不能充分發(fā)揮凝聚作用，班工人勞動(dòng)強(qiáng)度加大。因此，濃縮機(jī)加藥系統(tǒng)急需進(jìn)行升級(jí)改造。

2 技術(shù)原理

通過建立閉路控制的“智能化加藥系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)濃縮機(jī)自動(dòng)加藥系統(tǒng)采用前饋加反饋的控制，實(shí)現(xiàn)濃縮機(jī)加藥系統(tǒng)無人值守、智能加藥，實(shí)現(xiàn)藥劑過量加藥調(diào)節(jié)，為選煤廠及煤礦的數(shù)據(jù)化管理技術(shù)提供模塊化系統(tǒng)，為未來搭建智慧選煤廠奠基。

3 技術(shù)研究路線

3.1 創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)關(guān)鍵

設(shè)計(jì)開發(fā)了煤泥水絮凝沉降試驗(yàn)在線試驗(yàn)儀，優(yōu)化了加藥過程控制程序，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)無人控制。創(chuàng)新了機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用到選煤工藝控制中，優(yōu)化了機(jī)器學(xué)習(xí)的梯度下降法用于加藥量的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了特征函數(shù)的運(yùn)用。

3.2 技術(shù)方案

自動(dòng)加藥系統(tǒng)的前部控制器的控制原理是，憑以往絮凝化學(xué)添加劑的經(jīng)驗(yàn)值添加沉降實(shí)驗(yàn)而建立數(shù)學(xué)模型，以煤泥水總流量與濁度作為前饋控制器的輸入信號(hào)，使用E-H 界面儀前饋控制，利用數(shù)學(xué)模型依據(jù)洗煤廠煤泥量計(jì)算出需要添加絮凝化學(xué)添加劑的用量，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為機(jī)器控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到控制藥劑流量的目的，如圖1。整個(gè)環(huán)節(jié)以煤泥水絮凝沉降試驗(yàn)在線試驗(yàn)儀的沉降實(shí)驗(yàn)曲線為輸入信號(hào)，調(diào)控藥劑濃度，保證溢流水質(zhì)達(dá)到循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)。通過煤泥水絮凝沉降試驗(yàn)在線試驗(yàn)儀，得出一組加藥量和濁度數(shù)據(jù)，繪制兩者的關(guān)系曲線，在曲線上通過梯度下降算法修正加藥系統(tǒng)的算法，實(shí)現(xiàn)找到最佳沉降效果對(duì)應(yīng)的藥劑量。

圖1 自動(dòng)加藥系統(tǒng)控制機(jī)理圖

3.3 技術(shù)原理

接入螺旋給料機(jī)變頻控制，鼓風(fēng)機(jī)新增PLC 遠(yuǎn)控，從而控制絮凝劑給入量，控制藥劑量，實(shí)現(xiàn)對(duì)藥劑濃度的可控調(diào)節(jié)，避免人工經(jīng)驗(yàn)的誤差。將原有的不能正常使用的手動(dòng)閥和正常使用的手動(dòng)閥更換為新的電磁閥，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程就地控制，進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)水、加藥作業(yè)。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

根據(jù)PLC 系統(tǒng)控制要求實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)優(yōu)化，達(dá)到數(shù)據(jù)采集、過程自動(dòng)化控制要求，以完成全自動(dòng)化控制為改造目標(biāo)。

（1）螺旋給料機(jī)給料漏斗進(jìn)行擴(kuò)容改造?，F(xiàn)有鼓風(fēng)給料機(jī)干粉藥劑箱尺寸為590 mm×540 mm，無法滿足一個(gè)班組值守200 kg 藥劑量的需求，擴(kuò)容至原有四倍容量。鼓風(fēng)給料機(jī)藥劑箱擴(kuò)容增高后，一個(gè)班組內(nèi)不需要人工進(jìn)行添加干粉藥劑的工作。

（2）接入螺旋給料機(jī)變頻控制，鼓風(fēng)機(jī)新增PLC 遠(yuǎn)控，從而控制絮凝劑給入量，控制藥劑量，實(shí)現(xiàn)對(duì)藥劑濃度的可控調(diào)節(jié)，避免人工經(jīng)驗(yàn)的誤差。

（3）現(xiàn)場(chǎng)閥門大多為手動(dòng)閥，需要添加電磁閥。將原有的不能正常使用的手動(dòng)閥和正常使用的手動(dòng)閥更換為新的電磁閥，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程就地控制，進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)水、加藥作業(yè)。

（4）新增液位計(jì)，在儲(chǔ)備池及藥劑攪拌裝置新增液位計(jì)，監(jiān)測(cè)藥劑液位。

（5）新增絮凝劑濃度計(jì)，在絮凝劑出藥管道新增絮凝劑濃度計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)控藥劑濃度。

（6）新增濃縮機(jī)煤泥水濁度監(jiān)測(cè)裝置（濁度儀）。在濃縮機(jī)（3 臺(tái)）位置增加3 臺(tái)E+H 界面儀、3 臺(tái)濁度儀，以其濁度值的高低對(duì)煤泥水的加藥量進(jìn)行二次修訂，根據(jù)其指標(biāo)反饋，設(shè)定加藥量。

（7）搭建遠(yuǎn)程控制界面，新增獨(dú)立的自動(dòng)加藥機(jī)PLC 系統(tǒng)，新增傳感器指令模塊，實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)、遠(yuǎn)程停送藥、超限（故障）報(bào)警、自動(dòng)調(diào)整加藥參數(shù)等功能。

（8）對(duì)現(xiàn)有煤泥水性質(zhì)進(jìn)行沉降試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)出多個(gè)適應(yīng)各種煤泥水性質(zhì)的控制方案，以供加藥系統(tǒng)智能控制濃縮池藥劑濃度，確保加藥更及時(shí)、準(zhǔn)確。

5 煤泥水絮凝沉降試驗(yàn)在線試驗(yàn)儀

（1）設(shè)備內(nèi)容。煤泥水絮凝沉降試驗(yàn)在線試驗(yàn)儀模擬人工試驗(yàn)的方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確采取煤泥水樣檢測(cè)的全過程，最終輸出 4～20 mA 信號(hào)，集控中心顯示絮凝劑加藥量和清水層濁度之間的關(guān)系曲線，并能輸出開關(guān)量，以便聯(lián)動(dòng)聲光報(bào)警和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該試驗(yàn)儀能夠量化清水層的質(zhì)量指標(biāo)，提供關(guān)系曲線，為合理用藥提供理論支持，進(jìn)而降低系統(tǒng)藥劑消耗，消除過度用藥而增加的環(huán)保隱患，具有較高的實(shí)用和推廣價(jià)值。

（2）工作原理。試驗(yàn)樣品由濃縮池入料管中上部自流方式給入試驗(yàn)柱體頂部支管；液體加藥定量裝置用于液體絮凝劑加藥的計(jì)量；清水沖洗管位于試驗(yàn)柱體的頂部待清掃裝置的支管，用于試驗(yàn)柱體的清洗；濁度傳感器安裝在試驗(yàn)柱體，用于監(jiān)測(cè)煤泥水的濁度；磁力攪拌裝置位于試驗(yàn)柱體的底部，用于煤泥水的攪拌；各管路上均配備電磁開關(guān)，根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)程需要，由上位機(jī)控制各管路的開合和流量的調(diào)節(jié)；根據(jù)加藥量和清水層濁度，繪制加藥量和清水層濁度變化曲線。

（3）實(shí)現(xiàn)目的。煤泥水絮凝沉降試驗(yàn)在線試驗(yàn)儀由采樣給料管、試驗(yàn)柱體、清水沖洗管、定量溢流管、液體加藥定量裝置、濁度傳感器、電磁開關(guān)、電磁泵、磁力攪拌器、PLC/PID 控制器、工業(yè)計(jì)算機(jī)和顯示器組成。試驗(yàn)柱體位于試驗(yàn)儀暗箱內(nèi)，為帶有多個(gè)支管接口的透明有機(jī)玻璃圓柱體；采樣給料管采集煤泥水樣部位為濃縮池入料管中上部，自流方式給入試驗(yàn)柱體頂部支管，為煤泥池加藥提供加藥量依據(jù)。該儀器應(yīng)用后，將提供濃縮池加藥量的理論數(shù)據(jù)，降低系統(tǒng)藥耗，杜絕過度用藥，節(jié)約材料費(fèi)，盡可能減輕藥劑對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

6 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

（1）經(jīng)濟(jì)效益分析。① 人工效益。改造后選煤廠濃縮車間人員為1 人在崗，目前人員為2 人在崗，按人均工資10 萬元/ 年，可節(jié)約10 萬元/年。② 降低損耗效益。該項(xiàng)目應(yīng)用后噸煤藥劑使用量減少15 g/t，每年入洗量按500 萬t 計(jì)算，酰胺平均單價(jià)為13 155 元/t，年節(jié)約藥物費(fèi)用為5 000 000×15÷1000÷1000×13 155=98.66 萬元。

（2）社會(huì)效益分析。自動(dòng)加藥去除人為因素，節(jié)約藥品，降低對(duì)環(huán)境的影響。在地面集中監(jiān)測(cè)監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)減員，崗位無人則安，通過實(shí)現(xiàn)無人值守減少巡檢人員在固定地點(diǎn)作業(yè)時(shí)間，從源頭上杜絕人員傷亡的可能性。

（3）環(huán)境效益分析。改造后，選煤廠溢流水質(zhì)達(dá)到循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)，生活廢水大大減少。