重介質洗煤工藝分析及控制系統研究

李 慧

（西山煤電集團鎮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量、實現潔凈煤開發的主要手段，是我國低碳能源發展及煤炭行業的重要研究對象。相比于煤炭工業發展水平相對較高的國家，我國的煤炭選洗技術的發展與應用起步較晚，選煤工藝較為復雜且分選效果較差，同時相應選煤控制系統自動化程度低下，導致原煤入選率仍處于較低水平，在環境保護及能源利用率水平等方面亟待提高。

重介質選煤的分選效果及效率主要由工藝流程及控制系統自動化水平所決定[1-3]。目前我國多數煤礦所采用的重介質選煤集控系統仍采用傳統PID 控制算法，在實際生產中難以實現眾多工藝參數的精確控制，分選精度及效率較差。針對上述問題，本文在對重介質選煤工藝流程及基本原理進行分析后提出了一種基于模糊PID 控制的重介質選煤自動控制系統設計方案，在原選煤廠集控系統的基礎上對其控制器及傳感裝置等系統硬件進行重新選型設計，并采用工業以太網對系統通信網絡進行架構。經實際測試，該控制系統可有效實現對重介質懸浮液密度的自適應調節及監控，其適用性及抗干擾性得到了有效提高。

1 重介質選煤工藝分析

1.1 重介質選煤基本原理

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

表1 原煤組成物質密度劃分

重介質選煤是在阿基米德及重力沉降等流體力學原理的基礎上實現的，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將會下沉，反之小于懸浮液密度的物質將會上浮，從而將混合物按照不同密度進行分選。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，因此重介質選煤的基本原理是將原煤置于重介質懸浮液后通過旋流器產生的離心力加快原煤在懸浮液中的升降速度，從而實現快速分選。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懸浮液的密度恒定，但在實際生產中，所加入原煤的各成分含量及屬性具有隨機性，如果維持懸浮液密度為一恒定數值，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調控對于選煤效果十分重要。

1.2 重介質選煤工藝流程

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

圖1 重介質選煤工藝流程示意圖

原煤通過給煤機送至重介質旋流器進行洗選前，首先要通過人工分選和破碎機破碎等方式進行處理，確保所洗選的原煤粒度符合要求，并剔除鐵屑等明顯雜質。隨后原煤通過精煤篩分選處部分干精煤，剩余原煤進入旋流器進行進一步洗選，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、中煤及矸石三類產品。三類產品分別通過弧形篩及脫介篩進行脫水和脫介操作，并進入相應產品倉中，篩選剩余的物質分別進入磁選機和濃縮池進行精煤二次回收，并將合格的懸浮液進行回收，實現循環利用。

在實際操作中，重介質選煤的工藝流程由選煤集控系統完成，為了保證選洗過程安全高效進行，集控系統除完成上述基本操作外還需要對選洗過程的重要數據參數進行實時采集上傳，并通過上位機進行實時監控，從而及時發現并處理選洗設備故障、堆料等問題。

2 重介質選煤自動控制系統設計

重介質選煤控制系統的整體結構可劃分為監控層、控制層和現場設備層，系統結構如圖2 所示。其中監控層主要由上位機監控平臺構成，工作人員可通過上位機所顯示的實時選洗數據對工藝流程進行有效監測和控制。控制層作為系統的核心部分，主要負責各類重要數據及參數的采集上傳及分析處理，是影響系統性能的關鍵部分。現場設備層主要由用于監測選煤過程中重介質懸浮液密度、水池液位、入料壓力等重要參數的傳感設備組成，同時需具備數據傳輸功能對各類監測數據進行實時上傳。

圖2 重介質選煤自動控制系統結構

為了保證系統控制效果，本文選用西門子S7-1500 PLC 作為主控器，CPU 型號選為1513-1PN，系統采用主從站控制結構進一步提高系統運行效率及處理速度。同時為保證控制指令、運行反饋信號及現場監測參數的可靠傳輸，PLC 控制單元集成了模擬量及數字量輸入輸出模塊用于實現上述功能，PLC 主控單元結構如圖3 所示。

圖3 PLC 主控單元結構示意圖

控制系統所需要監測及采集的參數主要包括選洗過程中重介質懸浮液密度及黏度，濃縮池、水池、介質桶內的液位以及重介質旋流器入料口處壓力。重介質懸浮液密度及黏度作為影響洗選效果及效率的主要因素，需通過控制系統對其進行自適應動態調節，因此對其進行實時監測至關重要。針對懸浮液密度監測，本文采用高精度伽馬射線密度計實現，選用型號為PH-2000，其密度測量范圍為0～3 000 kg/m3，測量誤差可穩定控制在±0.4%，可輸出4～20 mA 標準電流信號。由于重介質懸浮液是由煤泥水及重介質所組成的混合物，其黏度過大將導致原煤不易分層，黏度過小則會導致懸浮液本身出現分層沉淀，嚴重影響洗選產品質量，本文選用MK-03 型六速旋轉黏度計對重介質懸浮液黏度進行實時測量。針對水池及介質桶液位，本文選用MIK-MP 型一體式超聲波液位傳感器進行測量，其測量范圍為0～10 m，測量精度高達±0.5%FS，同時具備溫度自動補償校準功能。旋流器入料口壓力則采用MPXHZ6400AC6T1 型壓力傳感器進行實時測量采集。

3 重介質懸浮液密度控制模塊設計

重介質懸浮液的密度需根據入料不同進行動態調節。其基本原理為：重介質懸浮液密度大于設定值時，通過控制模塊調節水閥進行補水操作，從而稀釋懸浮液使其密度下降至設定值；當懸浮液密度小于設定值時，則注入一定量的重介質增加懸浮液密度至設定值。傳統的懸浮液密度控制器采用PID 控制算法，對于工藝參數復雜繁多的煤炭選洗流程而言不易建立精確的數學模型，導致系統響應時間及超調量較大，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，針對重介質選煤控制系統將模糊控制與傳統PID 算法相結合可有效降低系統穩態誤差，提高系統動態性能及控制精度，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，經模糊化、模糊推理計算及去模糊后輸出PID 參數調整量ΔKD、ΔKI、ΔKP，從而通過模糊控制器實現對PID 控制器3 個參數的實時在線調整。

4 結語

本文首先對重介質選煤工藝流程及基本原理進行了分析，得出了影響選洗效果的主要因素，在此基礎上對傳統選煤集控系統的系統結構、硬件選型及控制算法進行了改進，通過將模糊控制引入傳統PID 控制算法設計了一種可實現懸浮液密度在線調節的模糊PID 控制器，有效提高了選煤系統的動態性能及控制精度，對于提高煤炭選洗作業效率及分選效果具有實際意義。

圖4 模糊PID 懸浮液密度控制器原理圖