重介質(zhì)旋流器入口壓力和懸浮液密度控制研究

韓變變

（山西焦煤霍州煤電白龍洗煤廠， 山西 臨汾 031400）

0 引言

煤炭洗選是對原煤進(jìn)行加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對原煤進(jìn)行分類，從而實(shí)現(xiàn)煤炭的最優(yōu)化利用。目前，我國以重介質(zhì)選煤為主，重介質(zhì)選煤的最終分選效果與其相關(guān)的工藝參數(shù)息息相關(guān)，主要包括懸浮液的密度、固體濃度、旋流器的入口壓力等。在實(shí)際分選過程中，重介質(zhì)懸浮液的密度根據(jù)精煤中的灰分比例對其進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。但是，在實(shí)際控制中，重介質(zhì)懸浮液密度控制存在一定的滯后性且控制精度不佳；而且，在懸浮液密度相對穩(wěn)定的工況下，容易出現(xiàn)重介質(zhì)旋流器入口壓力過大或者過小的情況[1-5]。上述兩種問題均是影響最終煤炭分選效果的情況。因此，本文將開展關(guān)于重介質(zhì)旋流器入口壓力和懸浮液密度控制的研究。

1 重介質(zhì)分選技術(shù)概述

基于重介質(zhì)分選技術(shù)對原煤進(jìn)行洗選的根本原理為阿基米德，重介質(zhì)旋流器的離心力作用極大地提升了原煤中密度不同物質(zhì)的分選速度和分選精度，尤其是可實(shí)現(xiàn)對原煤中細(xì)粒煤和極細(xì)煤的高效分選。一般來說，重介質(zhì)分選的工藝流程如圖1 所示。

圖1 重介質(zhì)分選工藝流程

由圖1 可知，原煤首先經(jīng)過破碎、篩分等基礎(chǔ)操作后，在脫泥篩、重介質(zhì)旋流器、固定篩、脫介篩、磁選機(jī)以及合介桶等設(shè)備后完成了分選任務(wù)，最終得到精煤產(chǎn)品。本文重點(diǎn)對重介質(zhì)旋流器相關(guān)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)包括其入口壓力和懸浮液的密度展開研究。其中，合理控制重介質(zhì)旋流器的入口壓力可實(shí)現(xiàn)對原煤的分選速度；合理控制重介質(zhì)旋流器中懸浮液的密度對于最終精煤的產(chǎn)品質(zhì)量有重要的影響，尤其是直接控制精煤中的灰分比例。

本文所研究重介質(zhì)旋流器的技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 重介質(zhì)旋流器關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

2 重介質(zhì)旋流器入口壓力的控制

2.1 重介質(zhì)旋流器入口壓力的模糊控制策略

對于重介質(zhì)旋流器入口壓力這一參數(shù)而言，在實(shí)際生產(chǎn)中主要表現(xiàn)的問題為入口壓力值控制不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致重介質(zhì)旋流器所提供的離心力不穩(wěn)定。入口壓力直接表現(xiàn)為混合物沿著重介質(zhì)旋流器內(nèi)壁的切向速度。從理論上講，當(dāng)切向速度過小時(shí)，原煤得不到充分的分選；當(dāng)切向速度過大時(shí)，原煤中密度較大的物料會對旋流器內(nèi)壁產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象。因此，對重介質(zhì)旋流器入口壓力進(jìn)行合理控制，從而保證切向速度的合理性，將直接影響原煤的分選效果。

對實(shí)踐生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出在不同入料壓力下重介質(zhì)旋流器的分選效果如表2 所示。

表2 重介質(zhì)旋流器不同入口壓力下對應(yīng)分選效果

由表2 可知，入口壓力在80～110 kPa 之間時(shí)，隨著入口壓力的增加，精煤產(chǎn)率呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，精煤灰分呈現(xiàn)不斷減小的趨勢；對應(yīng)矸石的產(chǎn)率呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，矸石灰分呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。

不論從理論分析還是從實(shí)踐生產(chǎn)均表明：重介質(zhì)旋流器入口壓力在一定范圍之內(nèi)，其值越大越有利于對所得精煤產(chǎn)品的灰分比例，從而提高精煤產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，需將重介質(zhì)旋流器入口壓力控制在合理范圍之內(nèi)，保證設(shè)備的分選力，最終保證精煤產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)對重介質(zhì)旋流器入口壓力的調(diào)整控制，采用模糊PID 控制算法根據(jù)重介質(zhì)旋流器的入口壓力和設(shè)定的最佳壓力值得出控制指令，通過變頻泵實(shí)現(xiàn)對入口壓力的閉環(huán)控制。重介質(zhì)旋流器入口壓力控制如圖2 所示。

圖2 重介質(zhì)旋流器入口壓力控制

對于模糊PID 控制而言，需要根據(jù)重介質(zhì)旋流器入口壓力的控制需求及其現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)，完成相應(yīng)的模糊控制器設(shè)計(jì)、隸屬函數(shù)的確定、模糊控制規(guī)則的制定等流程，建立模糊控制策略。基于模糊算法對PID 控制器中比例、積分和微分三個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，保證其對重介質(zhì)旋流器最快、最高精度的控制。

根據(jù)重介質(zhì)旋流器的實(shí)際工況，并在模糊控制算法的優(yōu)化下得出其PID 控制器的三個(gè)環(huán)節(jié)的系數(shù)如下：比例環(huán)節(jié)系數(shù)為2.0，積分環(huán)節(jié)系數(shù)為1.23，微分環(huán)節(jié)系數(shù)為2.3。

2.2 重介質(zhì)旋流器入口壓力模糊控制效果仿真

基于Simulink 軟件建立的模糊控制模型如圖3所示。

圖3 重介質(zhì)旋流器入口壓力模糊控制仿真模型

設(shè)定仿真時(shí)間為500 s，旋流器的初始壓力值為0 kPa，重介質(zhì)旋流器最佳入口壓力為100 kPa，分別研究模糊控制策略對無擾動工況下入口壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量；在有擾動情況時(shí)，系統(tǒng)再次達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間和超調(diào)量。仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 模糊控制算法對重介質(zhì)旋流器入口壓力控制的效果

由表3 可知，在無擾動工況下且初始壓力為0 kPa 時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到預(yù)設(shè)壓力值所需時(shí)間為45 s，整個(gè)控制過程的超調(diào)量為10%；在200 s 時(shí)加入擾動后，在11 s 后入口壓力再次達(dá)到穩(wěn)定值，并且在調(diào)整過程的超調(diào)量為5%。

3 重介質(zhì)旋流器懸浮液密度的控制

針對重介質(zhì)旋流器懸浮液密度的控制也采用模糊PID 控制算法實(shí)現(xiàn)其功能。對于懸浮液密度的控制而言，需要為其設(shè)置密度控制器和液位控制器兩部分。其中，密度控制器主要對懸浮液的密度進(jìn)行控制，其對應(yīng)的模糊PID 控制器中的比例環(huán)節(jié)系數(shù)為2.1，積分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.11，微分環(huán)節(jié)系數(shù)為0；液位控制器主要對懸浮液的量進(jìn)行控制，其對應(yīng)的模糊PID 控制器中比例環(huán)節(jié)系數(shù)為0.26，積分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.01，微分環(huán)節(jié)系數(shù)為0。

對上述懸浮液控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表4 所示。

表4 懸浮液控制系統(tǒng)的模糊PID 控制效果

由表4 可知，基于模糊PID 控制策略能夠更好地解決懸浮液密度控制滯后的問題；同時(shí)，采用模糊PID 策略對應(yīng)控制過程相對穩(wěn)定，超調(diào)量為0。

4 結(jié)語

重介質(zhì)選煤為當(dāng)前選煤廠的主流分選技術(shù)，其核心設(shè)備為重介質(zhì)旋流器。實(shí)踐表明，重介質(zhì)旋流器入口壓力和懸浮液密度是影響最終分選效果的參數(shù)。針對重介質(zhì)旋流器入口壓力控制不穩(wěn)定和懸浮液密度控制滯后的問題，將模糊PID 控制策略應(yīng)用于其中很好地解決了上述問題，為保證煤炭的分選效果奠定基礎(chǔ)。