智能化新技術(shù)在選煤廠的應(yīng)用

于海選，廖祥國(guó)，宋寶強(qiáng)，郜二鵬

(平頂山天安煤業(yè)天宏選煤有限公司，河南 平頂山 467000)

1 引 言

在《中國(guó)制造2025》[1]規(guī)劃中，中國(guó)計(jì)劃用30 a時(shí)間，通過“三步走”的戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，智能制造工程是其中提出的五大工程之一，提出要開發(fā)智能裝備和產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)智能化管理、智能化服務(wù)等。這為選煤行業(yè)提出了發(fā)展方向和目標(biāo)。

2020年3月，發(fā)改委、能源局等八部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》[2]，將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭開發(fā)利用深度融合，形成全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦開拓、采掘(剝)、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選、安全保障、經(jīng)營(yíng)管理等過程的智能化運(yùn)行。

智能化選煤廠建設(shè)的目標(biāo)是：實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分離、精細(xì)管理、增量提效[3]。而達(dá)到這些目標(biāo)主要是通過各種技術(shù)控制來實(shí)現(xiàn)的。

2 選煤各環(huán)節(jié)的新技術(shù)應(yīng)用

2.1 原煤環(huán)節(jié)

2.1.1 給煤系統(tǒng)PID變頻控制

在選煤生產(chǎn)過程中，原煤加煤量的穩(wěn)定是保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)給煤機(jī)要么是定頻的，通過人工打開閘板大小來調(diào)節(jié)煤量，要么是通過調(diào)節(jié)給煤機(jī)變頻電機(jī)的頻率來調(diào)節(jié)，這2種方式都需要人工操作并根據(jù)皮帶秤顯示數(shù)據(jù)人工實(shí)時(shí)做調(diào)整，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且受人為因素的影響，導(dǎo)致不準(zhǔn)確或不及時(shí)，從而影響加煤量及下游洗選環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性。

棗礦集團(tuán)高莊選煤廠[4]通過為給煤機(jī)安裝變頻器，同時(shí)關(guān)聯(lián)電子皮帶秤的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過PID變頻控制調(diào)節(jié)給煤機(jī)煤量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原煤給煤量的自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)，為選煤后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供穩(wěn)定入料，為產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定控制打下良好基礎(chǔ)。

2.1.2 雜物智能分選系統(tǒng)

除雜環(huán)節(jié)是選煤廠非常重要的環(huán)節(jié)，及時(shí)有效地除去原煤中的雜物，可避免下游設(shè)備因雜物堵塞影響生產(chǎn)，減少非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間。

傳統(tǒng)雜物分選是通過人工手選完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且分選的準(zhǔn)確度受光線、經(jīng)驗(yàn)等人為因素影響較大，為影響后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)帶來很多不確定性。

一項(xiàng)基于機(jī)器視覺的智能識(shí)別與機(jī)械手精準(zhǔn)抓取的煤中雜物智能分選系統(tǒng)研發(fā)成功，并在淮北礦業(yè)集團(tuán)渦北選煤廠調(diào)試使用，系統(tǒng)雜物分揀率為91.64%[5]。該系統(tǒng)主要通過圖像采集，上傳至圖像分析系統(tǒng)。圖像分析系統(tǒng)通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法，進(jìn)行識(shí)別及分類，確定雜物位置和姿態(tài)，確定物料的運(yùn)動(dòng)時(shí)間后，上傳至智能控制系統(tǒng)，由智能控制系統(tǒng)組成確定機(jī)械手的控制策略，啟動(dòng)機(jī)械手完成雜物抓取工作。

2.1.3 智能干選系統(tǒng)

智能干選系統(tǒng)通過圖像識(shí)別技術(shù)和X射線聯(lián)合，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)算法等先進(jìn)技術(shù)對(duì)煤和矸進(jìn)行識(shí)別，聯(lián)鎖控制儲(chǔ)氣罐用氣體進(jìn)行分離。智能干選系統(tǒng)不耗水、不耗介、不產(chǎn)生次生煤泥、成本低、識(shí)別率高。

哈爾烏素選煤廠[6]的200～50 mm的塊原煤用智能干選系統(tǒng)代替重介淺槽，塊煤加工成本大大降低，而且減少了次生煤泥的加工費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

曙光選煤廠[7]改造后，分選效果較好，矸石含煤率在1%以下，不僅減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)改善了工作環(huán)境，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.2 重介環(huán)節(jié)

2.2.1 重介質(zhì)智能添加系統(tǒng)

傳統(tǒng)介質(zhì)添加方式是人工控制抓斗進(jìn)行的，而在智能化的大形勢(shì)下，智能化技術(shù)也應(yīng)用到了介質(zhì)添加環(huán)節(jié)。

周增宏[8]研究的重介質(zhì)智能添加系統(tǒng)采用激光雷達(dá)掃描裝置，采集介質(zhì)堆體表面距離數(shù)據(jù)，建立介質(zhì)堆體表面三維模型，運(yùn)用路徑規(guī)劃算法，優(yōu)化介質(zhì)抓取點(diǎn)。通過雷達(dá)測(cè)距傳感器對(duì)識(shí)別出的抓取點(diǎn)的位置進(jìn)行立體定位，通過控制電機(jī)行進(jìn)，直至抓斗行進(jìn)到介質(zhì)堆抓取位置，完成抓介過程。

目前，該技術(shù)已在神東某選煤廠進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，處于試用階段，還需進(jìn)一步的實(shí)踐和研究。

2.2.2 智能密度控制系統(tǒng)

選煤廠重介環(huán)節(jié)的密度控制可以分2種：一種是人工調(diào)節(jié)，通過人工調(diào)節(jié)分流閥和補(bǔ)水閥進(jìn)行密度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；另一種是PID程序控制調(diào)節(jié)分流閥和補(bǔ)水閥的開度來達(dá)到設(shè)定密度。但這都是先設(shè)定密度值，然后根據(jù)1 次/h的快灰結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。灰分沒有參考原煤性質(zhì)和質(zhì)量變化，而且密度控制參考的1 次/h的快灰結(jié)果太過滯后，很難對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效指導(dǎo)。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)進(jìn)行了選煤廠重介分選過程智能控制的研究[9]，該研究基于原煤密度組成和灰分，實(shí)現(xiàn)對(duì)原煤性質(zhì)和操作參數(shù)在線預(yù)測(cè)，包括：原煤密度組分預(yù)測(cè)、產(chǎn)品產(chǎn)率和灰分預(yù)測(cè)優(yōu)化、介質(zhì)密度和期望密度的優(yōu)化等。根據(jù)原煤的實(shí)時(shí)性質(zhì)智能確定所需的密度，從而減少控制滯后和人為因素的影響，實(shí)現(xiàn)重介密度和分選的智能控制。

胡生根[10]開發(fā)出一種智能化的重介質(zhì)旋流器分選系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以依據(jù)在線檢測(cè)的介質(zhì)密度和產(chǎn)品產(chǎn)率，配合成熟的產(chǎn)品分配模型，可在線預(yù)測(cè)產(chǎn)品分配曲線和原煤的可選性曲線。再結(jié)合原煤瞬時(shí)灰分曲線，可以在線預(yù)測(cè)產(chǎn)品的灰分和增量灰分。預(yù)測(cè)產(chǎn)品灰分或增量灰分與給定灰分一致時(shí)可以得到最佳分選密度，可實(shí)時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)。該系統(tǒng)在工業(yè)性試驗(yàn)中得到成功應(yīng)用。

2.3 浮選環(huán)節(jié)

2.3.1 浮選自動(dòng)加藥系統(tǒng)

浮選是煉焦煤選煤廠重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一，是目前為止分選小于0.5 mm物料最有效的方法。浮選的分選效果和藥劑消耗直接關(guān)乎精煤產(chǎn)率和選煤成本的大小。而傳統(tǒng)的浮選控制是人工憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)的，藥劑添加不及時(shí)或調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確就會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)指標(biāo)的波動(dòng)，而且勞動(dòng)強(qiáng)度也很大。

石板選煤發(fā)電廠采用FJR120浮選藥劑自動(dòng)加藥系統(tǒng)[11]，用濃度計(jì)和流量計(jì)測(cè)出濃度和流量，傳輸至工業(yè)計(jì)算機(jī)和PLC組成的控制系統(tǒng)，控制藥劑自動(dòng)跟蹤入浮干煤泥量，控制藥劑泵變頻調(diào)速，進(jìn)行精準(zhǔn)加藥。藥劑消耗明顯降低，浮精質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)率提高，既降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，又提高了生產(chǎn)效益。

常村煤礦選煤廠[12]投入了由藥劑儲(chǔ)備系統(tǒng)、藥劑定量輸送系統(tǒng)、藥劑乳化輸送系統(tǒng)、藥劑定點(diǎn)定量添加系統(tǒng)、礦漿流量和濃度檢測(cè)系統(tǒng)等組成的浮選自動(dòng)加藥系統(tǒng)，使浮選關(guān)鍵參數(shù)信息化，浮選精煤產(chǎn)率提高2%，藥劑消耗降低10%。

呂家坨選煤廠浮選環(huán)節(jié)增設(shè)自動(dòng)加藥及乳化控制系統(tǒng)[13]，浮選精煤產(chǎn)率提高1.0%～1.5%，藥劑消耗降低10%～15%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)對(duì)煤泥浮選過程進(jìn)行了模型仿真及控制的研究[14]，通過在線快灰儀、流量計(jì)、濃度計(jì)等在線檢測(cè)手段檢測(cè)原煤的灰分、浮選濃度和礦漿流量，建立三者之間的關(guān)系預(yù)測(cè)模型，結(jié)合入料測(cè)量模型可對(duì)浮選入料的灰分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)分析和智能加藥。

灰分作為浮選過程控制的反饋是浮選系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2.3.2 礦漿灰分在線檢測(cè)

天津美騰科技公司研發(fā)了可以直接檢測(cè)礦漿灰分的礦漿灰分在線檢測(cè)儀。通過X射線技術(shù)建立與煤質(zhì)相適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，智能控制器可控制進(jìn)行采樣、處理、檢測(cè)、分析最后得到灰分結(jié)果，檢測(cè)時(shí)間10～30 min，精度最高可達(dá)±0.4%。該公司已在棗莊礦業(yè)付村選煤廠和西山煤電官地選煤廠成功完成工業(yè)試驗(yàn)。

2.4 煤泥水處理環(huán)節(jié)

煤泥水處理環(huán)節(jié)是選煤廠至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，循壞水質(zhì)量的好壞直接影響各環(huán)節(jié)分選產(chǎn)品的質(zhì)量。傳統(tǒng)煤泥水處理環(huán)節(jié)的絮凝劑藥劑添加是人工憑經(jīng)驗(yàn)添加，控制不精確，很容易造成循環(huán)水水質(zhì)波動(dòng)大，甚至影響生產(chǎn)。

邵清[15]提出了一種基于案例推理技術(shù)與模糊控制方法相結(jié)合的藥劑協(xié)同優(yōu)化控制方法，實(shí)現(xiàn)藥劑協(xié)同控制添加，通過在設(shè)定閾值條件下運(yùn)用相似度方法實(shí)現(xiàn)藥劑添加量的預(yù)測(cè)。投入使用后，噸煤泥聚合氯化鋁藥劑消耗降低5.16%，噸煤泥聚丙烯酰胺藥劑消耗降低6.67%，降低了藥劑消耗，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

陶亞東、潘月軍[16]以煤泥水沉降實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)依據(jù)，運(yùn)用智能化加藥系統(tǒng)根據(jù)濃縮池入料性質(zhì)、入料濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)，用實(shí)際經(jīng)驗(yàn)建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算加藥量，以循環(huán)水濁度和清水層厚度作為反饋，實(shí)現(xiàn)加藥系統(tǒng)與煤質(zhì)變化聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)選煤廠煤泥水處理系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行，并達(dá)到節(jié)支降耗的效果。

3 結(jié) 語

工業(yè)智能化已上升為國(guó)家戰(zhàn)略，智能化選煤也已提上日程，選煤各項(xiàng)技術(shù)也發(fā)展迅速，但選煤廠核心工藝的智能控制技術(shù)研究尚未取得突破性進(jìn)展，如重介、浮選過程的智能控制的算法、數(shù)學(xué)模型、控制模塊等，這些瓶頸問題未得到有效解決。另外，很多環(huán)節(jié)還不能實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和優(yōu)化控制，缺乏數(shù)據(jù)充分分析和挖掘，而智能控制恰恰是以分析和優(yōu)化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)智能決策和智能控制，因此，數(shù)據(jù)的分析和挖掘是以后發(fā)展的重點(diǎn)方向。

鑒于目前智能化選煤廠還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，智能化的建設(shè)必定需要大量的資金投入，且考慮到實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益，建議結(jié)合各選煤廠自身情況及新技術(shù)的適用性，從局部自動(dòng)化、單機(jī)智能化入手，分環(huán)節(jié)、分層次逐步實(shí)現(xiàn)智能化。