常村煤礦選煤廠煤泥水處理系統智能化改造

韓軍萍

中煤科工集團北京華宇工程有限公司 河南平頂山 467000

我國煤炭資源較為豐富，而其他的化石能源卻相對貧乏，風電、太陽能、水電和核電雖然近年來有著快速的增長，但基數較小，在一次能源結構中總體占比不大；因此，煤炭作為我國的主要能源在短期內是無法改變的。煤炭在原始沉積過程中，由于物理、化學、生物作用造成原煤中含有灰分和硫分；在煤炭開采過程中，頂、底板破壞進一步提高煤炭灰分，對安全環保產生影響，并增加運輸能源消耗，解決這些問題就必須提高煤炭洗選比例。煤炭洗選方法主要有兩種，干法和濕法。在我國，濕法選煤占據絕對地位，占比接近 95%，煤泥水處理和脫水回收就成為重要環節[1]。現階段，主流的煤泥水處理工藝主要包括沉降濃縮—壓濾等流程，且大多數選煤廠煤泥水處理主要采用人工作業方式，存在工效低、標準化程度不足等問題。如果煤泥水處理采用自動化、智能化控制，則可實現減人增效、減少損耗的目的。煤泥水的智能化控制也是煤炭洗選智能化的重要組成部分[2]。國內選煤廠根據自身條件，采取多種方式提高煤泥水處理智能化程度。韓子彬等人[3]開展洗選裝置多參數分析，提出了模糊控制算法，并以此進行藥劑添加補償控制，實現藥劑自動添加。劉東亮等人[4]根據洗選工藝設計了基于 PLC 的煤泥水處理自動控制系統，實現了流程化、標準化。劉志升[5]根據沙坪洗煤廠煤泥水處理中存在的問題，通過多種改進措施，優化了系統工藝，提高了煤泥水處理效果。為提高常村煤礦選煤廠的洗選效率，實現降本增效，在前期研究的基礎上，通過對該選煤廠煤泥水特征進行研究，分析煤泥水處理工藝、控制系統以及設備運行等方面暴露的問題，該廠設計了煤泥水處理智能化改造方案。

1 煤泥水處理系統概況

常村煤礦選煤廠配備 2 臺濃縮機，一用一備，采用周邊傳動模式。濃縮機安裝有 S7-200 型控制器作為主體控制系統，其采用可視化屏幕，能夠顯示濃縮機的相關運行參數；但是濃縮機配套液壓站運行參數無法在主體控制系統上實時顯示。在濃縮機底流位置設計了差壓濃度計和電磁流量計，對底流質量分數、流量進行測量。

選煤廠壓濾車間共配備 5 臺尾煤壓濾機，正常運轉過程中，壓濾機由司機人工操控。壓濾機上有集成操控裝置，可以根據實際情況對入料泵、出料刮板等進行操控，但是出料刮板和之后的煤泥帶式輸送機之間沒有連鎖，只能手動操作。所有壓濾機均能與主控系統展開通信。主控系統能夠顯示壓濾機實時運轉情況以及壓煤泥板數，同時能夠觀察入料泵的實時液位；但無法觀測壓濾機所處運行步序和時間等相關數據。

濃縮機共設計 2 套加藥裝置，可以分別加入絮凝劑和助凝劑。加藥裝置全部配備變頻式輸送泵，不過泵體只能手動操作。

2 問題分析

常村選煤廠煤泥水處理配套裝備在日常使用時存在以下問題。

(1) 主控系統能夠顯示由以太網傳輸的濃縮機實時運轉情況；但該設施并非工業品，運行工況不穩定，信號中斷事件多有發生。

(2) 濃縮機底流設置了測量設備，能夠對質量分數、流量進行觀測；但是對入料沒有開展相應的觀測，僅憑經驗對溢流的渾濁度進行判斷，再相應地調節加藥量，沒有嚴格的參考標準。但是，煤泥水進入濃縮機時，其質量分數、顆粒大小、流量是動態變化的，僅憑經驗調節并不準確，可能浪費藥劑或者使濃縮機溢流不符合標準。

(3) 濃縮機底流管路內設置了差壓濃度計，但是安裝位置受到管路長度的限制，導致其穩定性不足，影響數據的精確度。

(4) 原系統中采用人工測量清水層高度，員工工作量大，數據缺乏準確性和實時性，且操作不便。

(5) 濃縮池正常運行中需要進行現場操控，有人員墜入濃縮池的安全風險。

(6) 尾煤壓濾機數量多，需要配備的司機較多，且勞動強度較大。

(7) 壓濾機刮板輸送機和帶式輸送機沒有連鎖，如果輸送帶急停，這時壓濾機還需要一定時間停止，容易造成帶式輸送機“壓死”。

3 煤泥水處理系統優化方案

3.1 濃縮流程升級改造

(1) 在濃縮機入料端安裝測量裝置，分別測量入料的質量分數和流量，并根據測量結果計算煤泥干料。以煤泥干料量為基準，分別設置相應的加藥量。煤泥水具有較強的磨蝕能力，為提高流量計的壽命，電磁流量計內襯聚氨酯，并將其設計在入料母管內。濃度計采用音叉式設計，安裝位置為濃縮池匯流箱側面。

(2) 在濃縮機上安裝高靈敏濁度和質量分數可移動檢測設備，該設備由高靈敏濁度計、濃度計和傳動裝置組成。濁度計和濃度計安裝在傳動裝置底部，傳動裝置可以在垂直方向上運動的同時執行位置檢測，從而精確控制濁度計和濃度計的深度。檢測設備在運動過程中能夠測量不同深度狀況下濃縮池的濁度和質量分數，探明清水層、沉降層、煤泥層的準確厚度。通過對不同深度煤泥水濁度和質量分數的記錄，能夠準確計算煤泥絮狀物濃度梯度和沉降速率，對藥物沉降效果進行分析，以調整藥量。濃縮池工況測試流程如圖1 所示。

圖1 濃縮池工況測試流程Fig.1 Test process of thickening tank working condition

檢測裝置配套集中控制系統，如圖2 所示。該系統可實現檢測裝置自動或者手動控制運行，能夠實時顯示檢測裝置的情況以及濃縮池內煤泥水的相關參數，實時反應絮凝劑和助凝劑沉降效果。

圖2 梯度儀顯示系統Fig.2 Gradiometer display system

(3) 利用工業版的無線傳輸設備將濃縮機連入煤泥水處理主控系統，則三段耙中的各段位距離、濃縮機工況、液壓站運行參數、設備故障等信息能夠在主控系統上集中顯示，從而避免了濃縮機壓耙事故的發生，確保煤泥水處理系統的長期安全、穩定運行。

(4) 改造前，采用差壓式密度計測量濃縮機底流質量分數，存在計量不準等問題；改造時，將其更換成音叉式。音叉式密度計采用諧振選頻方式確定其相關參數，當音叉中的流體密度發生變化時會產生不同的頻率，通過模數轉換將信號轉變為數字信號并傳輸至主控系統。通過對底流質量分數的實時、準確的測量，可以判斷壓濾機入料質量分數和評價加藥沉淀效果。

3.2 加藥添加自學習閉環控制系統

煤泥水處理系統是包含了眾多相關子系統、設備和傳感器，包括濃縮機運行參數、入料數據、底流數據、濃度傳感器、壓濾機刮板輸送機、帶式輸送機、壓濾設備、加藥系統等，必須將這些參數全部納入煤泥水處理控制系統中，才能實現集約化和統一控制。將各個子系統融合在主控系統內，按照一定的邏輯進行匹配，才能做到各系統、設備之間的耦合，提高生產效率。其中，實現加藥系統優化也是關鍵的一環，本次通過建立閉環控制系統和專家指導系統，實現加藥系統的改良。

3.2.1 閉環加藥系統

構建閉環加藥系統，其核心內容是實時監測入料煤泥水的質量分數與流量，并根據數據得出干料量，然后通過監測處理后的煤泥水質量分數梯度、底流質量分數等參數，對系統進行負反饋；系統調整加藥參數，完成加藥系統閉環管理。其運行步驟如下。

(1) 加藥系統中要預設加藥量數值。該數值由入料煤泥水計算的干料量決定，按照一定比例進行加藥，并設置波動范圍和調節周期。

(2) 添加藥物時，需要參照清水層數據，對助凝劑添加量進行相應的調整。當監測到清水層厚度超過預設值時，減少藥劑量；反之，則提高藥劑量。藥劑量調節幅度根據清水層厚度設置。

(3) 加藥時，若濁度梯度或濃度梯度高于預設值時，應減少絮凝劑的用量；反之，則增加絮凝劑的用量。

(4) 底流質量分數低于預設值，增加助凝劑的用量。

3.2.2 專家藥量指導系統

完成閉環加藥系統的設計和改造后，需要提取加藥系統運行期間的主要參數，對其進行分析和處理，為專家指導系統提供基本參數，由專家系統對處理后的參數建立模型。利用尋優算法，對不同階段流程的加藥量進行計算，匹配藥物參數，并存儲在專家系統內，在煤泥水處理系統運行期間對加藥量進行控制。在控制系統中，主要變量為浮選入料干煤泥量、白藥加藥量、黃藥加藥量、清水層厚度、濁度梯度平均值、原煤硫分、濃縮底流質量分數；輔助變量為濃縮池入料流量、濃縮池入料質量分數、濃縮底流流量、沉降層厚度、煤泥層厚度、梯度儀數據。專家指導系統控制策略如圖3 所示。

圖3 專家系統控制流程Fig.3 Control process of expert system

圖4 壓濾機群控系統工作流程Fig.4 Working process of group control system for filter press

在運行中，專家系統不斷對系統參數進行調整，最終取代人工設置，并在后續數據的積累中不斷進行學習，以修正加藥參數，確保參數最優化。對不同層位、不同煤質的煤泥水，可對其進行分組，分別建立專家系統。

3.3 壓濾系統控制優化改造

3.3.1 煤泥水入料連鎖設計

在濃縮機底流管路內設置濃度測量裝置，可以實時監測壓濾機入料質量分數。將壓濾機入料質量分數與濃縮機底流泵相連鎖，當入料質量分數低于預設值時，底流泵停止運轉；當測量數據滿足預設要求時，底流泵再次開啟。

3.3.2 壓濾機卸料連鎖設計

在單體壓濾機控制系統內，新增“請求卸料”和“卸料允許”信號。該信號的使用，能夠將壓濾機和配套的帶式輸送機聯鎖，實現卸料與運輸的耦合控制。

3.3.3 壓濾機群控設計及聯網

將煤泥水處理控制系統連入工業環網中，通過交換機將 5 臺壓濾機內設的 PLC 主機與煤工業環網相連接，多臺壓濾機均需卸料時，可利用群控功能為每臺壓濾機分配時間。

當1 臺壓濾機發送卸料請求至工業環網中，而其他壓濾機保持靜默時，控制系統會將下游帶式輸送機開啟，然后向壓濾機發出“卸料允許”信號，刮板輸送機啟動，開始卸料。若多臺壓濾機需要卸料時，首先發送請求“卸料信號”，同時進入等待程序。此時煤泥水處理控制系統根據壓濾機發送信號的順序對壓濾機賦予 1 個優先級，首臺壓濾機卸料完畢，則系統打開第 2 優先級的壓濾機開始卸料，直到所有壓濾機全部卸料完畢。壓濾機群控系統流程如 4 所示。

3.4 煤泥水處理系統工業 WiFi 網絡構建

在煤泥水處理系統設備范圍內，建立工業 WiFi網絡，設置數量相匹配的移動 PAD，監控煤泥水處理系統運行，并可用于操作執行。PAD 在功能上和集控系統相同，利用權限管理功能，給不同操作人員設置不同的操作權限，實現分級管理，并對不同設備進行操控。

4 應用效果

(1) 該系統的應用實現煤泥水濃縮流程的可視化，并將系統運行過程中需要的各類參數數字化，通過準確掌握煤泥沉降速率、澄清水質量分數以及其他參數，進行負反饋，形成閉環處理，避免藥量不匹配造成“壓耙”事故或者循環水變黑的問題，提高煤泥水處理效率。

(2) 專家藥量指導系統通過建立算法模型，以目標為導向，解決煤泥水處理流程中加藥量匹配的問題，并可以進行自我學習、存儲相應數據，實現加藥系統的標準化，藥耗下降約 5%～ 10%。

(3) 壓濾機群控系統大大提升了壓濾效率。群控技術能夠保證 5 臺壓濾機自動入料和卸料，縮短煤泥處理循環，生產效率提升近 20%。

(4) 濃縮-壓濾系統自動化作業后，壓濾車間工作人員從 5 人降至 2 人，并降低了勞動強度，實現了降本增效。

5 結語

煤泥水處理系統對選煤廠生產效率提升有著舉足輕重的作用。常村煤礦選煤廠通過優化煤泥水參數監測設備，升級可視化控制系統，實現對煤泥水處理過程中相關參數的準確提取，形成閉環控制；研發具有自學習功能的專家藥量指導系統，實現加藥標準化；壓濾機群控系統實現多臺壓濾機有序自動排隊作業，提高了煤泥水處理系統的生產效率，實現了降本增效。