重介質(zhì)洗煤工藝分析及控制系統(tǒng)研究

李 慧

（西山煤電集團(tuán)鎮(zhèn)城底礦選煤廠壓濾車間，山西 古交 030203）

引言

煤炭選洗是提高精煤產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)潔凈煤開發(fā)的主要手段，是我國低碳能源發(fā)展及煤炭行業(yè)的重要研究對象。相比于煤炭工業(yè)發(fā)展水平相對較高的國家，我國的煤炭選洗技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用起步較晚，選煤工藝較為復(fù)雜且分選效果較差，同時相應(yīng)選煤控制系統(tǒng)自動化程度低下，導(dǎo)致原煤入選率仍處于較低水平，在環(huán)境保護(hù)及能源利用率水平等方面亟待提高。

重介質(zhì)選煤的分選效果及效率主要由工藝流程及控制系統(tǒng)自動化水平所決定[1-3]。目前我國多數(shù)煤礦所采用的重介質(zhì)選煤集控系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)PID 控制算法，在實(shí)際生產(chǎn)中難以實(shí)現(xiàn)眾多工藝參數(shù)的精確控制，分選精度及效率較差。針對上述問題，本文在對重介質(zhì)選煤工藝流程及基本原理進(jìn)行分析后提出了一種基于模糊PID 控制的重介質(zhì)選煤自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在原選煤廠集控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對其控制器及傳感裝置等系統(tǒng)硬件進(jìn)行重新選型設(shè)計(jì)，并采用工業(yè)以太網(wǎng)對系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行架構(gòu)。經(jīng)實(shí)際測試，該控制系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)對重介質(zhì)懸浮液密度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)及監(jiān)控，其適用性及抗干擾性得到了有效提高。

1 重介質(zhì)選煤工藝分析

1.1 重介質(zhì)選煤基本原理

原煤是一種由精煤、矸石等多種有機(jī)物及無機(jī)礦物組成的混合物，其整體密度范圍在1 200～2 600 kg/m3之間，內(nèi)部不同種類物質(zhì)的顆粒密度不同，原煤各組成物質(zhì)密度劃分如表1 所示。如果將原煤按照不同密度對其內(nèi)部各類物質(zhì)進(jìn)行分層，即可達(dá)到精煤提取和煤炭分選的目的。

表1 原煤組成物質(zhì)密度劃分

重介質(zhì)選煤是在阿基米德及重力沉降等流體力學(xué)原理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，將混合物置于一定濃度的懸浮液中，顆粒密度大于懸浮液密度的物質(zhì)將會下沉，反之小于懸浮液密度的物質(zhì)將會上浮，從而將混合物按照不同密度進(jìn)行分選。但由于顆粒本身的重力加速度有限，此時混合物的分選速度較慢，分選效率低下，因此重介質(zhì)選煤的基本原理是將原煤置于重介質(zhì)懸浮液后通過旋流器產(chǎn)生的離心力加快原煤在懸浮液中的升降速度，從而實(shí)現(xiàn)快速分選。在分選過程中，保證旋流器分選效果的主要因素是保持重介質(zhì)懸浮液的密度恒定，但在實(shí)際生產(chǎn)中，所加入原煤的各成分含量及屬性具有隨機(jī)性，如果維持懸浮液密度為一恒定數(shù)值，將極大影響分選效果及可靠性，因此針對懸浮液密度的自適應(yīng)調(diào)控對于選煤效果十分重要。

1.2 重介質(zhì)選煤工藝流程

重介質(zhì)選煤工藝流程可大致分為洗選前篩分、重介洗選、產(chǎn)品脫水、介質(zhì)回收、煤泥水處理5 個步驟，重介質(zhì)選煤具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 重介質(zhì)選煤工藝流程示意圖

原煤通過給煤機(jī)送至重介質(zhì)旋流器進(jìn)行洗選前，首先要通過人工分選和破碎機(jī)破碎等方式進(jìn)行處理，確保所洗選的原煤粒度符合要求，并剔除鐵屑等明顯雜質(zhì)。隨后原煤通過精煤篩分選處部分干精煤，剩余原煤進(jìn)入旋流器進(jìn)行進(jìn)一步洗選，同時將稀釋后的懸浮液以一定壓力打入旋流器中分選出精煤、中煤及矸石三類產(chǎn)品。三類產(chǎn)品分別通過弧形篩及脫介篩進(jìn)行脫水和脫介操作，并進(jìn)入相應(yīng)產(chǎn)品倉中，篩選剩余的物質(zhì)分別進(jìn)入磁選機(jī)和濃縮池進(jìn)行精煤二次回收，并將合格的懸浮液進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

在實(shí)際操作中，重介質(zhì)選煤的工藝流程由選煤集控系統(tǒng)完成，為了保證選洗過程安全高效進(jìn)行，集控系統(tǒng)除完成上述基本操作外還需要對選洗過程的重要數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集上傳，并通過上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，從而及時發(fā)現(xiàn)并處理選洗設(shè)備故障、堆料等問題。

2 重介質(zhì)選煤自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

重介質(zhì)選煤控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)可劃分為監(jiān)控層、控制層和現(xiàn)場設(shè)備層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中監(jiān)控層主要由上位機(jī)監(jiān)控平臺構(gòu)成，工作人員可通過上位機(jī)所顯示的實(shí)時選洗數(shù)據(jù)對工藝流程進(jìn)行有效監(jiān)測和控制?？刂茖幼鳛橄到y(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)各類重要數(shù)據(jù)及參數(shù)的采集上傳及分析處理，是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部分?，F(xiàn)場設(shè)備層主要由用于監(jiān)測選煤過程中重介質(zhì)懸浮液密度、水池液位、入料壓力等重要參數(shù)的傳感設(shè)備組成，同時需具備數(shù)據(jù)傳輸功能對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時上傳。

圖2 重介質(zhì)選煤自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了保證系統(tǒng)控制效果，本文選用西門子S7-1500 PLC 作為主控器，CPU 型號選為1513-1PN，系統(tǒng)采用主從站控制結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行效率及處理速度。同時為保證控制指令、運(yùn)行反饋信號及現(xiàn)場監(jiān)測參數(shù)的可靠傳輸，PLC 控制單元集成了模擬量及數(shù)字量輸入輸出模塊用于實(shí)現(xiàn)上述功能，PLC 主控單元結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 PLC 主控單元結(jié)構(gòu)示意圖

控制系統(tǒng)所需要監(jiān)測及采集的參數(shù)主要包括選洗過程中重介質(zhì)懸浮液密度及黏度，濃縮池、水池、介質(zhì)桶內(nèi)的液位以及重介質(zhì)旋流器入料口處壓力。重介質(zhì)懸浮液密度及黏度作為影響洗選效果及效率的主要因素，需通過控制系統(tǒng)對其進(jìn)行自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)，因此對其進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測至關(guān)重要。針對懸浮液密度監(jiān)測，本文采用高精度伽馬射線密度計(jì)實(shí)現(xiàn)，選用型號為PH-2000，其密度測量范圍為0～3 000 kg/m3，測量誤差可穩(wěn)定控制在±0.4%，可輸出4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號。由于重介質(zhì)懸浮液是由煤泥水及重介質(zhì)所組成的混合物，其黏度過大將導(dǎo)致原煤不易分層，黏度過小則會導(dǎo)致懸浮液本身出現(xiàn)分層沉淀，嚴(yán)重影響洗選產(chǎn)品質(zhì)量，本文選用MK-03 型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對重介質(zhì)懸浮液黏度進(jìn)行實(shí)時測量。針對水池及介質(zhì)桶液位，本文選用MIK-MP 型一體式超聲波液位傳感器進(jìn)行測量，其測量范圍為0～10 m，測量精度高達(dá)±0.5%FS，同時具備溫度自動補(bǔ)償校準(zhǔn)功能。旋流器入料口壓力則采用MPXHZ6400AC6T1 型壓力傳感器進(jìn)行實(shí)時測量采集。

3 重介質(zhì)懸浮液密度控制模塊設(shè)計(jì)

重介質(zhì)懸浮液的密度需根據(jù)入料不同進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。其基本原理為：重介質(zhì)懸浮液密度大于設(shè)定值時，通過控制模塊調(diào)節(jié)水閥進(jìn)行補(bǔ)水操作，從而稀釋懸浮液使其密度下降至設(shè)定值；當(dāng)懸浮液密度小于設(shè)定值時，則注入一定量的重介質(zhì)增加懸浮液密度至設(shè)定值。傳統(tǒng)的懸浮液密度控制器采用PID 控制算法，對于工藝參數(shù)復(fù)雜繁多的煤炭選洗流程而言不易建立精確的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時間及超調(diào)量較大，控制效果較差。模糊控制是一種不依賴對象模型的非線性控制方式，針對重介質(zhì)選煤控制系統(tǒng)將模糊控制與傳統(tǒng)PID 算法相結(jié)合可有效降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)動態(tài)性能及控制精度，模糊PID 懸浮液密度控制器原理如第234 頁圖4 所示。

由圖可知，模糊控制器的輸入量為偏差量e（t）及偏差變化率de/dt，經(jīng)模糊化、模糊推理計(jì)算及去模糊后輸出PID 參數(shù)調(diào)整量ΔKD、ΔKI、ΔKP，從而通過模糊控制器實(shí)現(xiàn)對PID 控制器3 個參數(shù)的實(shí)時在線調(diào)整。

4 結(jié)語

本文首先對重介質(zhì)選煤工藝流程及基本原理進(jìn)行了分析，得出了影響選洗效果的主要因素，在此基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)選煤集控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件選型及控制算法進(jìn)行了改進(jìn)，通過將模糊控制引入傳統(tǒng)PID 控制算法設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)懸浮液密度在線調(diào)節(jié)的模糊PID 控制器，有效提高了選煤系統(tǒng)的動態(tài)性能及控制精度，對于提高煤炭選洗作業(yè)效率及分選效果具有實(shí)際意義。

圖4 模糊PID 懸浮液密度控制器原理圖