選煤廠重介質(zhì)懸浮液密度控制方案優(yōu)化

寇金成

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 屯蘭礦選煤廠, 山西 古交 030206)

重介質(zhì)選煤因具有分選精度高、密度調(diào)節(jié)范圍寬、易于實(shí)現(xiàn)智能化控制等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。其原理是用密度介于凈煤與矸石之間的磁性物與水混合后做為介質(zhì)進(jìn)行分選，由混料桶、合格介質(zhì)桶、精煤稀介質(zhì)桶、中矸稀介質(zhì)桶、濃介質(zhì)桶、磁選機(jī)、脫水脫介篩等組成。由于重介質(zhì)選煤中的重介質(zhì)懸浮液密度直接影響并決定精煤產(chǎn)量、產(chǎn)率，因此重介質(zhì)懸浮液密度控制方法成為重介系統(tǒng)實(shí)際自動(dòng)控制的難點(diǎn)并亟需解決[1].目前重介質(zhì)懸浮液密度控制方法主要有模糊控制、預(yù)測控制、自適應(yīng)控制等，如孔繁苗等[2]針對(duì)某選煤廠現(xiàn)有兩段三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器懸浮液密度控制方案精度低、通用性差的問題，提出一種重介質(zhì)懸浮液密度模糊控制方案，綜合考慮懸浮液密度偏差及變化率、合格介質(zhì)桶液位偏差及偏差變化率，控制補(bǔ)水閥和分流箱，實(shí)現(xiàn)重介質(zhì)懸浮液密度動(dòng)態(tài)、穩(wěn)定、精確控制，可使密度波動(dòng)范圍保持在±0.007 g/cm3，但該方法建模過程復(fù)雜，控制規(guī)則的選取對(duì)密度控制結(jié)果的影響較大。邱佳楷等[3]為適應(yīng)重介質(zhì)懸浮液密度調(diào)節(jié)范圍大的需求，基于反流工藝，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建重介質(zhì)懸浮液密度調(diào)節(jié)預(yù)測模型，計(jì)算合格介質(zhì)桶液位和液位偏差，根據(jù)密度階躍上升、密度階躍下降控制模式動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)分流閥、補(bǔ)水閥、加水閥，實(shí)現(xiàn)重介質(zhì)懸浮液大范圍調(diào)節(jié)，并且可使密度波動(dòng)范圍保持在0.005 g/cm3，但該方法的分類算法復(fù)雜，工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)較困難。郭西進(jìn)等[4]針對(duì)重介質(zhì)懸浮液密度調(diào)節(jié)與懸浮液液位存在的滯后性大、耦合性強(qiáng)的問題，建立PFE-PID密度與液位控制模型與算法，采用內(nèi)外雙閉環(huán)控制技術(shù)，在穩(wěn)定系統(tǒng)的前提下對(duì)懸浮液密度和液位進(jìn)行預(yù)測，達(dá)到超調(diào)低、靜態(tài)誤差小、抗擾能力強(qiáng)的目的，但是該方案控制模型與算法復(fù)雜，通用性較差。基于屯蘭礦選煤廠改進(jìn)后的重介質(zhì)分選工藝，對(duì)懸浮液密度控制方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足懸浮液調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性以及寬域調(diào)節(jié)的目的。

1 工藝分析

根據(jù)分選的原煤特性以及要求的精煤質(zhì)量，重介質(zhì)分選過程的核心參數(shù)—分選密度需要實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)調(diào)整。重介質(zhì)懸浮液密度調(diào)整時(shí)，通過控制補(bǔ)水閥、分流閥的開度可實(shí)現(xiàn)，即需調(diào)高合格介質(zhì)桶懸浮液密度時(shí)，打開分流閥使得液位下降；需調(diào)低合格介質(zhì)桶懸浮液密度時(shí)，打開補(bǔ)水閥使得液位升高。上述過程存在的主要問題是由于合格介質(zhì)桶緩沖能力有限，導(dǎo)致重介質(zhì)懸浮液調(diào)節(jié)范圍受限，即可能會(huì)出現(xiàn)將合格介質(zhì)桶液位調(diào)節(jié)至最高或者最低時(shí)都無法達(dá)到調(diào)節(jié)密度值，且實(shí)時(shí)性差。因此，引入濃介質(zhì)桶反流工藝，即需調(diào)高合格介質(zhì)桶懸浮液密度時(shí)，將濃介質(zhì)桶中懸浮液引入合格介質(zhì)桶并配合分流閥快速達(dá)到密度值；需調(diào)低合格介質(zhì)桶懸浮液密度時(shí)，將合格介質(zhì)桶中懸浮液引入濃介質(zhì)桶并配合補(bǔ)水閥快速達(dá)到密度值，同時(shí)保證合格介質(zhì)桶中的液位變化緩慢。

2 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)選煤廠重介質(zhì)分選工藝，設(shè)計(jì)重介質(zhì)懸浮液密度總體控制方案見圖1，從下到上依次分為設(shè)備層、控制層以及管理層[5-6]. 設(shè)備層為重介質(zhì)懸浮液密度控制系統(tǒng)中設(shè)備，如分流閥、補(bǔ)水閥、濃介質(zhì)泵、加水閥、反分流泵等，還包括液位計(jì)、密度計(jì)等傳感器設(shè)備。控制層完成對(duì)設(shè)備層傳感器數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)設(shè)備的控制，如根據(jù)調(diào)節(jié)的密度要求、合格介質(zhì)桶中當(dāng)前液位、密度值，控制閥或泵動(dòng)作，使得合格介質(zhì)桶中懸浮液的密度趨近于調(diào)節(jié)密度值；控制層主要由PLC控制器系統(tǒng)及其擴(kuò)展的數(shù)字量、模擬量以及通信模塊組成，還可完成對(duì)合格介質(zhì)桶密度的預(yù)測以及模式切換控制。管理層用于完成對(duì)重介質(zhì)懸浮液密度控制過程的監(jiān)視、記錄以及仿真；控制層通過TCP/IP通信模式將數(shù)據(jù)傳送至管理層，完成統(tǒng)計(jì)、分析，動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

圖1 重介質(zhì)懸浮液密度智能控制總體方案框圖

3 智能控制原理分析

3.1 合格介質(zhì)桶液位預(yù)測

對(duì)重介質(zhì)懸浮液合格介質(zhì)桶液位進(jìn)行預(yù)測時(shí)，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法，與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法相比，具有收斂速度快、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、可逼近任意非線性函數(shù)的特點(diǎn)，并與合格介質(zhì)桶液位非線性、高耦合度的特點(diǎn)相適應(yīng)[7-9]. RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2，由輸入層、隱含層以及輸出層3層結(jié)構(gòu)組成，輸入層到隱含層的權(quán)值為1，隱含層到輸出層的權(quán)值為矩陣W.

圖2 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)徑向基函數(shù)采用高斯函數(shù)，可表示為式(1)：

(1)

式中：

xp—第p個(gè)樣本輸入；

ci—隱含層節(jié)點(diǎn)中心；

σ—方差；

‖x-ci‖—?dú)W式范數(shù)。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出yj可表示為式(2)：

(2)

式中：

wij—隱含層到輸出層的權(quán)值。

選取屯蘭礦選煤廠220組代表性數(shù)據(jù)作為樣本，建立重介質(zhì)懸浮液合格介質(zhì)桶液位預(yù)測模型，對(duì)其中的200組樣本作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練集，采用高斯函數(shù)作為徑向基函數(shù)。為提高RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，對(duì)200組樣本進(jìn)行多次訓(xùn)練并做歸一化處理，確定隱含層為1層，節(jié)點(diǎn)數(shù)為12時(shí)，yj預(yù)測結(jié)果最好，見圖3. 利用訓(xùn)練好的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)剩余的20組數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測時(shí)，預(yù)測值接近實(shí)測值，預(yù)測結(jié)果較好。

圖3 合格介質(zhì)桶液位預(yù)測仿真圖

3.2 智能控制模式及切換

選煤廠重介質(zhì)懸浮液密度智能控制系統(tǒng)基于EPEC控制器完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有電氣元器件的基本動(dòng)作控制以及模式控制與切換。基本動(dòng)作控制主要有周期性采集液位、密度傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)分流閥、補(bǔ)水閥、加水閥、濃介質(zhì)泵的啟停控制等。根據(jù)重介質(zhì)懸浮液特性以及工藝流程，將其控制過程分為加介、穩(wěn)態(tài)、密度階躍上升以及密度階躍下降4種模式，且模式之間可實(shí)現(xiàn)無縫切換[10-13]. 加介模式是指懸浮液內(nèi)磁鐵粉減少，需補(bǔ)充濃介質(zhì)。為防止懸浮液密度突然升高，在進(jìn)行加介操作時(shí)，需通過調(diào)節(jié)合格介質(zhì)桶、濃介質(zhì)桶的補(bǔ)水閥實(shí)現(xiàn)當(dāng)量液體密度加介。穩(wěn)態(tài)模式是指懸浮液密度已經(jīng)趨近于分選密度值，需穩(wěn)定該密度值并控制煤泥含量；基于模糊PID控制測量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)補(bǔ)水閥、分流閥開度，將懸浮液密度值和煤泥含量控制在合理區(qū)間內(nèi)。密度階躍上升模式是指懸浮液密度值需大幅調(diào)節(jié)升高，通過濃介質(zhì)泵、分流閥進(jìn)行調(diào)控，即懸浮液液位過高時(shí)，控制分流閥降低液位；當(dāng)懸浮液密度過低時(shí)，控制濃介質(zhì)泵補(bǔ)加濃介質(zhì)。密度階躍下降模式是指懸浮液密度值需大幅調(diào)節(jié)降低，當(dāng)懸浮液液位過低時(shí)，控制加水閥直接降低密度；當(dāng)液位過高時(shí)，控制反分流泵降低其液位。通過控制系統(tǒng)的模式切換按鈕可實(shí)現(xiàn)上述4種模式的無縫、自由切換。

4 應(yīng)用效果

屯蘭礦選煤廠原重介質(zhì)懸浮液控制系統(tǒng)通過手動(dòng)模式調(diào)節(jié)懸浮液密度，存在密度調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)性差、調(diào)節(jié)時(shí)間長且調(diào)節(jié)范圍受限等問題。應(yīng)用智能控制系統(tǒng)后，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)節(jié)懸浮液密度下降0.02 g/cm3時(shí)，耗時(shí)約3 min；當(dāng)調(diào)節(jié)懸浮液密度上升0.06 g/cm3時(shí)，耗時(shí)約15 min，調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)性增強(qiáng)，滿足重介質(zhì)懸浮液控制系統(tǒng)要求。懸浮液穩(wěn)定模式時(shí)，可將其密度波動(dòng)范圍穩(wěn)定在±0.005 g/cm3，穩(wěn)定性增強(qiáng)；當(dāng)需要大幅度調(diào)節(jié)懸浮液密度時(shí)，可將其控制模式切換至密度階躍上升或密度階躍下降模式進(jìn)行控制，解決調(diào)節(jié)范圍受限的問題。

5 結(jié) 論

以選煤廠重介質(zhì)懸浮液密度控制過程為研究對(duì)象，得出下述結(jié)論：1) 利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型對(duì)懸浮液液位進(jìn)行預(yù)測，指導(dǎo)補(bǔ)水閥、濃介質(zhì)泵等控制邏輯。2) 將懸浮液密度控制過程劃分為4種控制模式，根據(jù)密度調(diào)節(jié)要求分別進(jìn)入指定控制模式工作。3) 可增強(qiáng)懸浮液密度調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)范圍。