選煤工藝設計中介質流程計算自動化的研究

黃 飛

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430067)

選煤工藝設計中介質流程計算自動化的研究

黃 飛

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430067)

為實現選煤工藝設計中介質流程計算的自動化，結合介質流程計算特點，對序貫模塊法進行特殊處理，使其滿足計算順序的需要，再查找計算順序，分析判斷分流計算所需要的所有參數，最后套用公式完成介質流程計算。驗證結果表明：基于序貫模塊法的介質流程計算，不但可以保證介質系統平衡誤差滿足設計要求，而且能夠實現介質流程計算的自動化，有利于節約人力、物力、時間等資源。

介質流程；序貫模塊法；平衡誤差

我國選煤行業于上世紀80年代末90年代初開始研究、開發、使用選煤工藝流程計算軟件，多個單位開發出專業軟件推動選煤工藝設計的研究進展[1]。1993年煤炭工業部武漢設計研究院(現更名為中煤科工集團武漢設計研究院有限公司)開發出“選煤工藝計算軟件包”，調用軟件的相應模塊后，能夠完成煤質資料的綜合、產品方案的計算、數質量流程的計算、介質流程的計算、數據庫的管理。但這類專業軟件在實際運用中存在運行效率低、操作復雜等缺陷，節約的人力資源和時間資源有限。

為進一步提高工作效率，降低生產成本，減少計算誤差，國內科研人員對選煤工藝流程計算軟件的研究一直進行著不懈的努力?！缎蜇災K法求解選煤工藝流程》[2]的研究中，將序貫模塊法應用于復雜的選煤工藝流程，實現了包含動篩跳汰、重介、浮選在內的復雜工藝流程的計算。其他科研院校、設計機構也就序貫模塊法在選煤工藝流程中的應用進行了深入研究，比較典型的實例是對跳汰、浮選工藝流程的計算[3-4]。

數質量流程計算自動化不僅要求煤流、水流的計算自動化，同樣要求介質流程的計算自動化。介質流程計算的目的，主要在于確定各有關作業的懸浮液性質與數量、水耗量、介耗量，為設備選型提供依據。介質流程計算的最大難點是分流量、補充水量與補加濃介量的確定，通常采用兩種方法對其進行確定。一種是采用迭代的方法，多次循環直到進出介質系統的煤泥量之差小于設定的誤差，達到介質系統平衡的目的[5-6]；另一種是通過有關公式[7-8]推導，建立進出介質系統的多個指標平衡[9]，進而建立多元方程組并聯立求解。采用公式推導可以直接計算得到結果，不存在多次循環的問題，但涉及到的計算參數多，參數的自動判斷難度大。為此，采用經特殊處理的序貫模塊法對介質流程計算自動化進行研究。

1 序貫模塊法排序介質循環

1.1 序貫模塊法

序貫模塊法[10]是過程系統常用的研究方法之一，在化工等行業已投入使用或正在進行相關研究。序貫模塊法是以單元模塊為基本計算單元，通過單元模塊的序貫計算來求解系統模型，只要知道系統中單元設備的輸入物料流和有關決策變量，就能通過調用相應的單元模塊，求解出所有輸出物料流。

采用序貫模塊法計算選煤工藝流程，首先必須將選煤系統分隔成若干個不可再分塊，然后順序求解這些不可再分塊，對含有多個單元的不可再分塊用迭代的辦法獨立求解。序貫模塊法排序思路為：將選煤工藝采用有向圖表示，并采用鄰接矩陣(過程矩陣、關聯矩陣)進行描述；分隔系統并找出不可再分塊，對其進行排序；對包含多個單元的不可再分塊進行切割，并對切割后的不可再分塊進行排序；獲得完整的計算順序，依次調用單元模塊計算公式來完成計算。

對于選煤大部分作業環節而言，計算相對獨立，以單元模塊求解，通常只要輸入入料的數質量和相關參數，就可得到出料的數質量。介質流程中分流作業的計算，要確定補加濃介量、補充水量、分流量，其計算不同于常規的作業環節，除了要掌握入料的性質外，還要查詢多個作業環節的相關數據。為保證計算順序和計算精度，無論是采用序貫模塊法排序，還是采用分流作業的單元模塊公式計算，二者都必須經過特殊處理。

1.2 排序介質循環

選煤工藝流程中的介質流程部分如圖1所示，針對介質流程的特點，以圖1為例說明排序介質循環。介質系統是一個循環系統，在序貫模塊法中將其分隔為一個不可再分塊，對介質循環的不可再分塊進行特殊處理。

圖1 介質流程圖

(1)圖1中介質循環表示的不可再分塊。將圖1中的不可再分塊表示為{10，11，12，13，14，15，16，17，18，19， 20，21，22，23，24，25，26，27，28}。

(2)不可再分塊的切割。切割的一般思路為程序選取物料流出現頻率最大的流程線，其與流程繪制順序有關。由于繪制順序不同，可能相同的循環切割的流程線位置不同。

介質循環有兩個特點：①介質循環為單循環，沒有嵌套循環，故切割的流程線可以是一個；②介質流程計算通常從工作介質開始，直到全部作業環節計算完成，即人工計算時認為計算工作介質是起點，將該思路應用到程序中，切割位置就是固定的。工作介質所在位置同時也滿足序貫模塊法頻率最高的要求，因此切割點唯一且固定，程序直接指定循環的起點位置為合格介質桶出料，對應流程線為17→18。

(3)切割后不可再分塊的排序。相關環節根據序貫模塊法中的排序過程，自動將各作業環節排入出料數組和入料數組，直至排序完成，但分流作業要進行特殊處理。按一般排序方法，分流作業和脫介作業處于相同位置，或者不相干的位置，如果直接排序分流作業可能位于脫介作業計算之前。但按照計算要求，分流作業必須在脫介作業計算完成后才能夠進行，所以必須確保分流作業在脫介作業之后。

程序設計了兩個排序數組：一組為入料數組，入料數組不接收分流作業；另一組為出料數組，出料數組不接收脫介作業。經此處理后脫介作業必然在入料數組，分流作業必然在出料數組或者循環完成后的入料數組最后一個位置，兩個數組結合后分流作業就在脫介作業之后。據此得到圖1的兩個數組分別為出料數組{18→10→11→12→13→14→19→20→28→15}，入料數組{25→24→16→27→23→21→26→22→17}。

2 分流量的計算

對于分選作業、脫介作業、磁選作業等環節的計算，只要給定入料點的參數即可得到出料點的數質量。而分流作業的計算不但需要參考進入系統原料帶入的懸浮液和去稀介段的懸浮液，而且需要程序能夠自動查找并判斷這些數據的位置，并將其提取出來，然后套用公式進行相關計算，其是整個介質流程計算中最為復雜的部分。具體實現步驟如下：

(1)判斷并計算輕產物稀介質的參數。輕產物稀介質所在脫介篩一般為精煤脫介篩，分流作業一般也在精煤脫介的流程線上，而分流作業很容易定位，故定位分流作業并從分流作業來判斷輕產物所在的脫介篩，然后進行相關計算。分流作業入料有兩種情況:弧形篩篩下物和脫介篩合介段，分別用流程的關系處理這兩種情況，將其統一到精煤脫介篩作業環節，然后計算輕產物稀介質的各項參數。

圖1中分流15入料對應的工作環節是13精煤弧形篩，13精煤弧形篩篩上物對應的19精煤脫介篩即為輕產物稀介質所在的脫介篩。

(2)判斷并計算重產物稀介質的參數。從介質循環計算順序的數組中查找出所有脫介篩，去除輕產物脫介篩，計算重產物稀介質的各項參數。

圖1中從排序數列中選取出的脫介篩包括14矸石脫介篩、20中煤脫介篩、19精煤脫介篩，去除19精煤脫介篩即可得到重產物稀介質所在脫介篩，合計后完成計算。

(3)判斷并計算原煤帶入介質的參數。從排序數列中找到分選環節10重介質旋流器，并提取出相關參數。

(4)代入公式進行相關計算，得到分流量、補充水量、補加濃介量，并將補加濃介量、補充水量存儲，以便后續合格介質桶作業的計算。圖1中的數質量、介質量即為程序自動計算的最終結果。

3 介質系統平衡驗證

介質系統的平衡即進出系統的非磁性物量、磁性物量、水量等相等，系統處于動態平衡，可通過介質系統平衡表、循環介質系統平衡表對其平衡效果進行驗證。圖1流程圖中標識了各個作業環節的數質量計算結果，相應的介質系統平衡表、循環介質系統平衡表如表1、表2所示。表中最后一欄的差值表明計算的精確度和最終的平衡效果，也能說明分流作業計算的準確性。

由表1、表2可知：進出介質系統的非磁性物量、磁性物量、水量等相等，滿足規定的精度要求，介質系統達到動態平衡，說明排序過程滿足計算順序的要求，實現了介質流程計算的自動化。

設計實踐表明：基于序貫模塊法的介質流程計算適用于現有絕大部分介質流程，現有的三產品重介質旋流器、兩產品重介質旋流器、淺槽重介質分選機等工藝流程均可采用。依據序貫模塊法要求將其切割后，介質循環成為獨立的不可再分塊，程序計算的查找算法也只會查找所在循環內的作業環節，多套介質系統互不干涉，故其也適用于兩段重介質聯合工藝流程，如淺槽重介質分選機分選、兩產品重介質旋流器分選的聯合工藝流程等。

表1 介質系統平衡表

注:G、Gf、Gc為單位時間內工作懸浮液中固體、磁性物、非磁性物的質量，W為單位時間內工作懸浮液中水的體積。

表2 循環介質系統平衡表

注:V為單位時間內懸浮液的體積。

4 結語

通過對介質流程計算特點的分析，根據序貫模塊法要求，對原有的切割、排序算法進行特殊處理，得到符合要求的計算順序；通過對計算順序的查找，得到分流計算需要的各項數據的位置，并提取相關數據，進而計算得到分流的參數。程序設計中，對其進行有針對性的優化，數質量流程、介質流程同步計算、輸出，有利于提高運行效率和計算精度。驗證結果表明：介質系統平衡誤差滿足設計要求，實現了介質流程計算的自動化。

[1] 何亞群，趙躍民，匡亞莉. 計算機在礦物加工中的應用[M]. 徐州: 中國礦業大學出版社, 2003.

[2] 黃 飛. 序貫模塊法求解選煤工藝流程[J]. 選煤技術，2013(6):79-83.

[3] 衛玉花. 選煤工藝流程智能設計[D]. 太原: 太原理工大學, 2005.

[4] 王九如. 基于Java的選煤工藝流程GUI設計與實現[D]. 淮南: 安徽理工大學, 2009: 30-40.

[5] 代艷玲，路邁西，楊 健，等. 介質流程計算中根據煤泥量平衡確定分流量[J]. 選煤技術，2008(1):52-54.

[6] 周 莉. 介質流程計算軟件的研究[D]. 北京: 中國礦業大學(北京)，2007: 62-63.

[7] 《選煤設計手冊》編寫組. 選煤廠設計手冊(工藝部分)[M]. 北京：煤炭工業出版社，1978: 133-134.

[8] 戴少康. 選煤工藝設計使用技術手冊[M]. 北京: 煤炭工業出版社, 2010: 248-249.

[9] 匡亞莉. 選煤廠工藝設計與管理[M]. 徐州: 中國礦業大學出版社, 2006: 121-123.

[10] 王宏軾. 化工工程系統工程[M]. 北京: 清華大學出版社, 2006: 248-249.

Research on automation calculation of medium flow in coal preparation process design

HUANG Fei

(Wuhan Design & Research Institute Co., Ltd. of China Coal Technology & Engineering Group, Wuhan, Hubei 430067, China)

In order to realize automation calculation of medium flow in coal preparation process design, based on the characteristics of medium flow calculation, the special treatment is used on the sequential modular approach to meet the need of calculating order. Then the calculation order is searched to analysis and determine all parameters for the split flow calculation. Finally the formula is applied to end calculation. The results show that the method based on sequential modular approach can not only ensure the equilibrium error of the medium system to meet the design requirements, but also can realize the automation of the medium flow calculation, and save manpower, material resources, time and other resources

medium flow calculation; sequential modular approach; balanced error

TD948.9

A

1001-3571(2015)04-0075-04

2015-04-14

10.16447/j.cnki.cpt.2015.04.021

黃 飛(1984—)，男，四川省樂山市人，工程師，從事選煤工程設計工作。

E-mail：huangfei132000@163.com Tel：027-87717205