斜溝煤礦選煤廠沉降離心機入料控制系統的優化

黃健華

(西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦選煤廠，山西 呂梁 033602)

斜溝煤礦選煤廠細煤泥脫水采用篩網沉降過濾離心機和快開式隔膜壓濾機的二次聯合脫水工藝。篩網沉降過濾離心機廠家和型號為美國泰戈特公司DMI44×132型，篩網尺寸為1118mm×3353mm、處理能力可達85 t/h，產品水分15%～17%，有效回收粒度為0.045 mm，并且其回收的煤泥排出時松散連續不聚團，有利于均勻摻入洗混煤產品中，保證了洗混煤產品質量的穩定[1]。

近年來，隨著斜溝煤礦選煤廠實施工藝調整，使壓濾煤泥減量化，細粒級煤泥脫水環節前移，總體煤泥水分雖有所下降，但也加大了沉降過濾離心機的運行負荷。生產過程中該設備一旦發生故障停機，沉降系統處理能力下降，生產系統不得不降低帶煤量，從而影響生產效率。

1 存在問題分析

斜溝煤礦選煤廠在推進智能化建設過程中，將沉降離心機潤滑油泵和主電機連入集控系統，實現了沉降離心機整體集中啟停控制，但其運行中的過程控制仍然由現場崗位司機人工操作，存在問題具體如下：

(1)離心機入料閥門、旁通閥門、稀釋水閥門等均為氣動開關閥，由崗位人員憑經驗手動控制，不能實現單機自動控制。生產過程中當入料濃度增大時，離心機扭矩隨即增高，為避免設備過載時齒輪箱損壞[2]，銅質保險銷易折斷；當保險銷折斷時，其托架上的限位開關和入料閥之間無連鎖關系，物料持續在轉鼓內積聚，造成開機負荷大，頻繁啟動會將易熔塞熔化，或需人工盤轉卸掉部分物料才能恢復啟動，影響生產時間長，工人勞動工作量大，操作不當易引發安全事故。

(2)設備扭矩傳感器為應力應變器，即簡單的電阻應變片，其測量出的扭力值不準確，不能有效指導生產。

(3)除啟停控制外，缺乏極具價值的離心機系統數據的采集、監測系統，不具備設備全生命周期監測監控硬件條件，對生產管理和設備狀態管理的提升造成阻礙。

2 篩網沉降離心機的工作原理與構成

2.1 離心機工作原理

DMI型篩網沉降離心機整體結構見圖1，篩網沉降離心機結合了沉降脫水、過濾脫水兩大功能。煤漿通過入料管給入轉鼓內入料室，轉鼓高速轉動產生的離心力使煤漿加速，煤漿液面是一個與轉鼓同軸的同心圓面，液面與轉鼓內壁之間環形空間即為沉降區，固體顆粒按照沉降速度不同而發生固液初級分離。沉降后的固體顆粒緊貼圓柱段轉鼓內壁，由螺旋轉子刮刀通過錐段輸送到篩網段；沉降離心液則通過轉鼓頭部堰板口排出。在篩網段，由于螺旋轉子的輸送作用，固體物料變得松散，在離心力作用下物料進一步脫除水分，離心濾液透過篩縫排出，再次脫水后的固體顆粒經轉鼓尾部排料口排出。轉鼓沉降段內環形料漿池的深度可通過位于轉鼓入料端端蓋上的堰口擋板來調節，液位改變將影響分離效果。機殼里安裝有篩網清洗噴頭，以避免離心機長期運轉后篩網堵塞，影響脫水性能。

圖1 DMI篩網沉降過濾離心機結構示意

2.2 轉鼓及螺旋輸送器的構成

DMI型篩網沉降離心機轉鼓及螺旋輸送器結構示意如圖2和圖3所示。轉鼓由圓柱體段、錐體段和篩網段組成。固體顆粒由篩網末端的固體排料口排出，離心液通過堰板口排出。螺旋輸送器主要由驅動軸、刮刀葉片、軸承凸沿和入料管構成。驅動桿軸上帶有切齒，與行星齒輪法蘭嚙合，這保證了轉鼓、差速器軸承凸沿的連接；通過入料管，固體進入入料腔，然后經過螺旋輸送器上的出口進入轉筒。在葉片上貼耐磨材料，可以延長螺旋輸送器的使用壽命。

圖2 轉鼓外部結構示意

圖3 螺旋輸送器結構示意

2.3 扭矩監測

轉鼓內固體物料的輸送主要依靠轉鼓和螺旋輸送器之間的轉速差來實現，物料輸送時在齒輪箱上產生一個扭矩。扭矩信號實時反映離心機負載情況，隨入料速率和煤漿固料含量不同而變化。離心機齒輪箱上安裝有保險銷，安全銷的一端通過軸套與差速器的一根軸相連，另一端固定在扭矩臂上，用于扭矩過載時保護系統，來避免旋轉部件尤其是差速器的過載。如果入料量過大或濃度過高，機器將過載，螺旋輸送器葉片與固體間的摩擦力變得很大，導致轉鼓與輸送器之間因濾餅而形成剛性連接；負荷持續增加，當力矩的數值超出安全銷所能承受的力矩時，安全銷被溝槽折為兩段，螺旋輸送器和轉鼓將以同一速度旋轉，此時差速器將不受負載而避免損壞。同時，位置開關被落下的扭矩臂激發而引起離心機停機。

由此可見，扭矩監測與離心機運行工況緊密相關，自動入料控制系統主要根據扭矩大小對入料進行實時控制調節優化，來保證設備運行安全。

3 技術改造方案

3.1 自動入料控制原理

離心機開機后達到額定轉速時，先部分開啟入料閥門實現小流量給料。離心機以恰當的荷載運行，可以確保在輸送器與轉鼓壁間形成穩定的固體層，轉鼓壁上的防滑條或溝槽使固體物料層產生的較大摩擦力，有利于物料輸送。如果開始就過量入料，還沒有完全形成的固體層就會太光滑，螺旋輸送器不能很好地輸送物料。固體可能在螺旋葉片之間壓實而與輸送器一起旋轉，導致堵塞。

將扭矩監測裝置與PLC控制系統相連，通過實時檢測扭矩情況，以便于在入料量發生變化時，系統能夠在設備進入停機程序前調整入料量，避免停機事故。遇突發狀況，PLC 控制系統可在設備保險銷折斷或停機前，發出聲、光預報警信號提醒現場崗位司機注意，同時自動關閉離心機，并啟動沖洗水清洗篩網。

3.2 系統硬件設計

3.2.1 離心機入料管路閥門改進

斜溝煤礦選煤廠將離心機進料管路原有氣動開關入料閥、稀釋閥改換為電控氣動比例閥門[3]，閥門自帶開度反饋，實現入料系統的精細穩定控制，為自動進料控制奠定基礎，閥門改造安裝圖如圖4所示。

圖4 入料管路閥門改造安裝

3.2.2 更換扭矩和振動傳感器

斜溝煤礦選煤廠將原有應力式扭矩計更換為稱重傳感器。該傳感器穩定性好，靈敏度高，對設備工作過程中的扭矩值進行感應監測，并與齒輪箱額定扭矩值相比較，以4～20 mA的信號將扭矩大小發送給控制系統。沉降離心機原有振動傳感器放置于設備底架的中間位置，銹蝕嚴重，測量不準確，不具備參考價值，在傳動側軸承座位置增加1個振動傳感器，測量數據更準確，并通過變送器反饋實時顯示振動值。稱重傳感器安裝位置如圖5所示。

圖5 稱重傳感器安裝位置

3.2.3 增加PLC控制系統

斜溝煤礦選煤廠為每臺 DMI 篩網沉降離心機增加1個獨立的西門子SIMATIC S7系列產品的 PLC 控制柜，選用S7-300的PLC和TP900精智系列操作面板，配套專業的具有知識產權的離心機控制系統 Andritz CentriTune。該控制系統把全部輔助元件(包括氣動閥門、溫度傳感器、振動傳感器、扭矩傳感器)納入監控中，使其能夠精確有效地監控DMI離心機運行狀態；該 PLC 控制系統具備和選煤廠集中控制系統通訊功能，利用上位機可以對離心機進行監控。

3.3 系統軟件設計

斜溝煤礦選煤廠對篩網沉降離心機PLC系統設定自動入料控制邏輯，依據扭矩變化對入料閥門、稀釋水閥門、旁通閥門進行實時調整，全過程自動控制，無需人工干預。離心機PLC系統與選煤廠智能化后臺系統互通，實現PAD端的監測和控制。

從入料閥門開啟20%的小流量開始給料，此時若扭矩大于30%，說明煤泥水濃度過高，不適宜入料，關閉入料閥且等待離心機扭矩下降到15%以內并持續20 s時，再次按20%開度啟動入料；當扭矩小于30%時，開啟稀釋閥，關閉旁通閥。在扭矩保持小于30%并持續60 s的情況下，將入料閥開度逐漸調整至40%、60%。入料滿足扭矩保持小于40%并持續60 s時，將入料閥全部打開，此后工作過程中只要扭矩小于50%，視為入料正常；若扭矩超過50%，說明入料發生變化，濃度過高，系統相應啟動離心機保護程序，打開旁通閥，關閉入料閥，避免設備過載而出現保險銷斷裂的故障。

圖6 篩網沉降離心機自動入料控制邏輯

4 應用效果

篩網沉降離心機自動入料控制系統改造完成后，經過一個月多的穩定運行，成功解決了銅質保險銷折斷、開機負荷大、易熔塞熔化、齒輪箱損壞等問題。篩網沉降離心脫水機的正常使用，使細煤泥得到了有效回收，減輕了濃縮機和壓濾機的工作負荷，改善了濃縮機澄清效果，保證了煤泥水系統健康運轉。自動入料升級前后離心機運行情況對比見表1。篩網沉降離心機現場控制柜操作界面如圖7所示。

表1 自動入料升級前后離心機運行情況對比

圖7 篩網沉降離心機現場控制柜操作界面

5 結 語

該自動入料控制系統提高了離心機自動化程度，實現了設備自動入料功能，設備振動、扭矩監測等重要參數得到了精準可靠的檢測和在線實時顯示，避免了設備過負荷運轉，改善了設備運轉工況，既保證了設備的安全運行，也降低了職工的勞動強度，取得了良好的經濟效益[4-6]。