王占富

(1.中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司； 2.中煤(天津)礦山科技有限責(zé)任公司，天津 300120)

1 概 述

中煤華晉集團有限公司王家?guī)X選煤廠為處理能力6.0 Mt/a的煉焦煤選煤廠，主要分選工藝為：大于 50 mm 大塊煤由動篩跳汰機排矸、0～50 mm 粒級原煤預(yù)先脫泥、1～50 mm 粒級原煤由兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器主再選、0.25～1 mm 粒級粗煤泥由 TBS 干擾床分選機分選、0～0.25 mm 粒級細煤泥由機械攪拌式浮選機直接浮選的聯(lián)合工藝[1-2]。王家?guī)X選煤廠(二期)廠房浮選工藝系統(tǒng)由4套獨立運行的浮選設(shè)備組成，每套浮選系統(tǒng)由1臺礦漿預(yù)處理器串聯(lián)1臺機械攪拌式浮選機組成。浮選生產(chǎn)系統(tǒng)在設(shè)計初期因為機械攪拌式浮選機控制復(fù)雜、控制技術(shù)不成熟，因此未設(shè)置浮選過程自動控制系統(tǒng)，而是采用崗位工人巡視調(diào)節(jié)的方式生產(chǎn)。隨著國家環(huán)保要求和煤炭用戶需求的不斷提高，精煤質(zhì)量也要進一步提高并同時要減少環(huán)境污染，因此，浮選生產(chǎn)過程智能控制變得尤為重要[3-4]。由于浮選過程工藝機理復(fù)雜，整個浮選過程受入浮煤質(zhì)、煤漿性質(zhì)、藥劑制度、浮選工藝、浮選設(shè)備性能、浮選操作條件等因素影響[5-7]，各因素之間又相互耦合、相互影響，目前為止還沒有包含所有因素且符合實際的數(shù)學(xué)模型。2021年5月，中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司洗選裝備研究所從影響生產(chǎn)過程的可調(diào)控參數(shù)調(diào)節(jié)入手，依據(jù)王家?guī)X選煤廠二期浮選工藝系統(tǒng)生產(chǎn)實際需要，設(shè)計了智能化浮選控制系統(tǒng)。

2 智能化浮選控制系統(tǒng)

2.1 智能化浮選控制系統(tǒng)硬件組成

王家?guī)X選煤廠(二期)生產(chǎn)系統(tǒng)共4套浮選生產(chǎn)系統(tǒng)，每套生產(chǎn)系統(tǒng)由1臺礦漿預(yù)處理器串聯(lián)1臺機械攪拌式浮選機組成。為保證每套系統(tǒng)獨立運行，為每套浮選系統(tǒng)獨立配置1套智能化浮選控制系統(tǒng)[8-12]，4套系統(tǒng)通過以太網(wǎng)通訊方式接入綜合管理平臺。每套智能化浮選控制系統(tǒng)主要由藥劑計量、乳化一體化加藥機、浮選入料礦漿電磁流量計、入選入料礦漿濃度計、乳化水量流量計、乳化水量電動調(diào)節(jié)閥、分室乳化藥劑電磁流量計、分室乳化藥劑流量電動調(diào)節(jié)閥、礦漿液位檢測裝置、礦漿泡沫層多點限位檢測裝置、尾礦閘板位置測控裝置、電控柜、觸摸電腦等硬件組成。智能化浮選控制系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 智能化浮選控制系統(tǒng)硬件組成

2.2 智能化浮選控制系統(tǒng)工作原理

用于浮選入料參數(shù)、浮選設(shè)備過程參數(shù)檢測的現(xiàn)場儀器儀表的反饋信號，接入智能控制系統(tǒng)的專家?guī)?，?jīng)過專家?guī)煲?guī)則分析比對后，通過智能控制系統(tǒng)輸出控制信號，驅(qū)動執(zhí)行部件動作，實現(xiàn)藥劑量、礦漿液位、泡沫層限位過程參數(shù)的智能控制，得到品質(zhì)合格的產(chǎn)品。智能化浮選控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 王家?guī)X二期廠房智能化浮選控制系統(tǒng)原理

2.3 智能化浮選控制系統(tǒng)軟件功能

為便于浮選生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)控，在每臺浮選機機頭附近設(shè)置了觸摸電腦1臺，通過使用組態(tài)軟件開發(fā)出簡潔、直觀、易學(xué)、易用的操作界面，通過手指觸屏即可完成需要的操作。王家?guī)X選煤廠(二期)廠房智能化浮選控制系統(tǒng)界面具備的功能示意框圖如圖3所示。

圖3 智能化浮選控制系統(tǒng)界面示意

(1)查詢功能界面。實現(xiàn)浮選過程關(guān)鍵過程參數(shù)數(shù)據(jù)的保存、歷史數(shù)據(jù)查詢和曲線顯示，通過表格方式顯示關(guān)鍵參數(shù)歷史數(shù)據(jù)查詢報告，能夠以電子表格文件存儲到指定的磁盤位置，便于拷貝數(shù)據(jù)后進行生產(chǎn)過程異常情況分析。能夠按班次顯示浮選藥劑消耗、浮選藥劑月消耗、浮選藥劑消耗長期累計值。

(2)工作狀態(tài)顯示界面。以直觀的界面顯示浮選入料礦漿流量反饋數(shù)值、入料礦漿濃度反饋數(shù)值、煤泥含量數(shù)值、藥劑消耗數(shù)值、藥劑比例數(shù)值、藥劑瞬時流量、藥劑分配閥門開度、乳化用水流量、礦漿液位反饋數(shù)值、尾礦閘板位置數(shù)值、泡沫限位狀態(tài)報警、電機運行頻率反饋數(shù)值、藥劑儲罐液位反饋數(shù)值等。

(3)過程參數(shù)離線學(xué)習(xí)界面。在控制界面設(shè)置多個干煤泥含量分段，以生產(chǎn)過程入料礦漿的干煤泥含量、生產(chǎn)過程設(shè)置的噸煤泥藥劑消耗、浮選藥劑比例，精礦產(chǎn)品灰分指標(biāo)上限、精礦產(chǎn)品灰分指標(biāo)下限、尾礦產(chǎn)品指標(biāo)灰分上限、尾礦產(chǎn)品指標(biāo)灰分下限、精礦產(chǎn)品離線化驗灰分、尾礦產(chǎn)品離線化驗灰分為輸入條件，不斷優(yōu)化浮選藥劑噸煤藥耗及藥劑消耗比例參數(shù)，尋找不同礦漿入料情況對應(yīng)的最優(yōu)藥劑制度參數(shù)。

(4)操作界面。能夠通過操作界面對浮選藥劑過程參數(shù)進行手動修改、設(shè)定。可以實現(xiàn)系統(tǒng)手動/自動/智能運行方式選擇，尾礦灰分目標(biāo)可進行高灰/中灰/低灰選擇，實現(xiàn)礦漿液位手動/自動調(diào)節(jié)方式選擇，實現(xiàn)動力設(shè)備的單機啟停控制、一鍵啟?？刂疲瑢崿F(xiàn)藥劑分配手動/自動調(diào)節(jié)方式選擇，實現(xiàn)乳化用水流量手動/自動調(diào)節(jié)方式選擇。

王家?guī)X選煤廠智能化浮選控制系統(tǒng)運行主界面如圖4所示。

圖4 智能化浮選控制系統(tǒng)主界面

2.4 智能控制系統(tǒng)功能應(yīng)用

2.4.1 浮選礦漿液位調(diào)節(jié)功能應(yīng)用

浮選生產(chǎn)過程礦漿液位是影響產(chǎn)品產(chǎn)率及產(chǎn)品品位的參數(shù)之一，礦漿液位低不能將浮選精礦及時刮出，造成精礦產(chǎn)品回落到尾礦中，導(dǎo)致精礦產(chǎn)品損失；礦漿液位過高脈石等尾礦礦物不能及時從浮選泡沫回落到尾礦礦漿，極端情況會出現(xiàn)刮板刮出礦漿情況，精礦灰分指標(biāo)容易超標(biāo)，造成精礦產(chǎn)品指標(biāo)合格率降低。為了將浮選礦漿液位控制在合理范圍，在王家?guī)X選煤廠二期廠房智能化浮選控制系統(tǒng)中，設(shè)置了浮選礦漿液位自動調(diào)節(jié)功能[13]。通過在機械攪拌浮選機1室安裝浮選礦漿液位檢測裝置來檢測浮選礦漿液位，并將檢測信號接入控制器PLC。改造浮選機尾礦排放閘板控制回路，使之具備通過PLC自動控制閘板提升和下降的能力，在尾礦閘板提升裝置上增設(shè)位移傳感器，使之能夠?qū)崟r將尾礦閘板當(dāng)前位置反饋給控制器PLC。通過礦漿液位參數(shù)、入浮礦漿流量、礦漿液位高度波動閾值參數(shù)、尾礦閘板位置參數(shù)構(gòu)建模糊規(guī)則，通過模糊控制對浮選礦漿液位進行了自動調(diào)節(jié)，保證了浮選生產(chǎn)過程浮選機槽體內(nèi)礦漿液位高度在合理范圍波動。礦漿液位檢測裝置示意如圖5所示，改造后的尾礦閘板位置檢測裝置如圖6所示，浮選礦漿液位控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。生產(chǎn)過程中，浮選礦漿液位測量值穩(wěn)定跟蹤浮選礦漿液位設(shè)定值，礦漿液位測量值在礦漿液位設(shè)定值附近波動，波動范圍約為±3.6%。

圖5 浮選礦漿液位檢測裝置示意

圖6 尾礦閘板位置檢測裝置示意

圖7 浮選礦漿液位控制系統(tǒng)

2.4.2 泡沫層多點電信號檢測功能應(yīng)用

煤泥浮選生產(chǎn)過程是通過精礦產(chǎn)品附著于氣泡表面，以氣泡上浮的浮力為動力從礦漿中浮出并聚集在浮選設(shè)備的表層，通過自流或機械刮泡方式進入精礦收集槽，產(chǎn)出精礦產(chǎn)品。由于沒有直接測量浮選泡沫層厚度的傳感器，只能在浮選礦漿液位合理的情況下，對浮選泡沫層進行多點檢測，分別檢測泡沫層位置低限、泡沫層位置高限及泡沫層位置超高限。依據(jù)浮選泡沫層的導(dǎo)電性配置了電極式液位開關(guān)，其形式如圖8所示。

圖8 泡沫層多點限位檢測裝置示意

在溢流堰附近設(shè)置了泡沫層低限檢測電極，當(dāng)?shù)V漿液位反饋值在合理范圍時，控制系統(tǒng)檢測到低限位電極信號返回時，系統(tǒng)判斷此時浮選泡沫層過低。在高于溢流堰50 mm處設(shè)置泡沫層高限檢測電極，控制系統(tǒng)檢測到高限位電極信號返回時，系統(tǒng)判斷此時浮選泡沫層位置高。在超過溢流堰 50 mm附近處設(shè)置泡沫層高限檢測電極，控制系統(tǒng)檢測到高限位電極信號返回時，系統(tǒng)判斷此時浮選泡沫層位置高；在高于溢流堰100 mm附近處設(shè)置泡沫層超高限檢測電極，控制系統(tǒng)檢測到超高限位電極信號返回時，系統(tǒng)判斷此時浮選泡沫層位置超高。浮選泡沫層限位信號同時作為調(diào)整浮選藥劑用量及藥劑比例的條件，納入浮選藥劑用量及藥劑比例調(diào)整的專家規(guī)則庫里，進行浮選藥劑用量及藥劑比例微調(diào)。檢測裝置現(xiàn)場使用實物如圖9所示。

圖9 泡沫層多點限位檢測裝置應(yīng)用

2.4.3 浮選藥劑流量雙重高精度計量、藥劑雙重乳化功能應(yīng)用

浮選藥劑種類、藥劑用量、藥劑分散性、藥劑用量比例均影響到浮選過程的藥劑使用效率、精礦產(chǎn)品的浮出率及產(chǎn)品品位。王家?guī)X選煤廠二期廠房使用醇類起泡劑和油類捕收劑作為浮選藥劑。為降低浮選藥劑用量及控制合理的藥劑用量比例，需要對浮選藥劑瞬時流量進行精確計量、對浮選藥劑進行充分乳化分散，在王家?guī)X選煤廠(二期)廠房使用了雙重藥劑計量方式及雙重藥劑乳化配置。

采用高精度量筒作為第一級藥劑流量計量裝置，采用機械隔膜計量泵作為二級計量裝置，并通過變頻控制方式調(diào)節(jié)機械隔膜計量泵頻率來調(diào)整藥劑瞬時流量，同時使計量泵具備了執(zhí)行器的功能。第一級高精度量筒既可以作為機械隔膜計量泵的輸送頻率微調(diào)條件，同時也可以作為檢測隔膜計量泵是否正常運行的條件，控制系統(tǒng)通過監(jiān)測隔膜計量泵的運行信號、故障信號及運轉(zhuǎn)反饋頻率來確定其電氣設(shè)備是否處于正常運行狀態(tài)。但生產(chǎn)過程中機械隔膜計量泵的輸送膜片是易損件，當(dāng)計量泵輸送隔膜破損時，藥劑輸送流量發(fā)生較大變化或已經(jīng)喪失了藥劑輸送功能時，并不能發(fā)出能夠被控制系統(tǒng)接收并識別的故障信號，但精確計量筒能以計量泵運行為條件，量筒液位未產(chǎn)生高度變化為依據(jù)，發(fā)出機械隔膜計量泵膜片損壞的報警信號。機械隔膜計量泵因其工作原理在泵進出口處均設(shè)置了逆止閥，計量泵長期運行后會因為藥劑雜質(zhì)粘附逆止閥密封球面致使其密封不嚴，輸送流量受影響較大或者無法完成藥劑輸送，此時精確計量筒也可以發(fā)出流量異常報警。

為了使浮選藥劑充分乳化通過管道增壓泵輸送的清水作為真空射流器的動力源，將計量泵輸送至真空射流器的浮選藥劑進行第一級真空射流乳化，經(jīng)過真空射流乳化的乳化液進入微管射流高剪切混合器進行二次乳化疏散，浮選藥劑充分疏散在水中的形成的乳化藥液經(jīng)過藥劑分配裝置添加至浮選機藥劑入口。

雙重藥劑流量計量及雙重藥劑乳化設(shè)備工作原理如圖10所示。

圖10 雙重藥劑流量計量及雙重藥劑乳化工作原理

2.4.4 多參數(shù)藥劑用量專家系統(tǒng)調(diào)控功能應(yīng)用

王家?guī)X智能化浮選項目上采取了以浮選礦漿流量、浮選礦漿濃度、起泡劑瞬時流量、捕收劑瞬時流量、浮選礦漿液位參數(shù)、浮選泡沫層厚度參數(shù)、浮選泡沫層限位檢測信號、浮選藥劑用量與浮選入料濃度關(guān)系作為輸入變量，以浮選藥劑輸送設(shè)備機械隔膜計量泵作為執(zhí)行機構(gòu)，以浮選藥劑瞬時流量作為被控對象，通過在PLC控制器內(nèi)建立專家控制系統(tǒng)進行了浮選藥劑用量的精確控制，應(yīng)用多變量輸入的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 多變量輸入的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用效果

3.1 應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計

智能化浮選控制系統(tǒng)投運前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表見表1。由表1看出，系統(tǒng)投入運行后二期廠房生產(chǎn)系統(tǒng)壓濾精煤板數(shù)占比由81%提高到84%。智能化浮選控制系統(tǒng)投入之前3個月的浮選藥劑噸原煤消耗為0.193 kg，投入智能化浮選控制系統(tǒng)之后的2個月的浮選藥劑噸原煤消耗為降低到0.167 kg，噸原煤節(jié)省藥劑用量0.033 kg，約占藥劑消耗的13%。

表1 智能化浮選控制系統(tǒng)投入運行前后統(tǒng)計數(shù)據(jù)

3.2 經(jīng)濟效益分析

王家?guī)X選煤廠入洗原煤煤質(zhì)為瘦煤，是寶貴的優(yōu)質(zhì)煉焦配煤，原煤入洗量6.0 Mt/a，按照16%煤泥量計算，則有1.2 Mt/a的煤泥入洗量，智能化浮選控制系統(tǒng)投入運行后浮選精礦產(chǎn)率增長3%左右，浮選精礦產(chǎn)率按80%計算，則增加精煤浮出600萬t×16%×3%×80%=2.3萬t，按照煉焦配煤的精煤與尾煤差價1 000 元/t計算，每年提高經(jīng)濟效益2.3萬t×1000元/t=2300萬元。浮選藥劑成本約為0.9萬元/t，每年節(jié)省藥劑數(shù)量為600萬t×(0.193-0.167)kg/t=156 t，每年節(jié)省藥劑產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為156 t×0.9萬元/t=140.4 萬元。每年綜合經(jīng)濟效益提升2300+140.4=2440.4(萬元)。

4 結(jié) 語

通過中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司洗選裝備研究所研發(fā)的智能化浮選控制系統(tǒng)在王家?guī)X選煤廠(二期)浮選生產(chǎn)系統(tǒng)投入運行前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比，證明了該系統(tǒng)的應(yīng)用達到了預(yù)期目的，成功地提升了浮選生產(chǎn)過程的智能化水平、提升了浮選精礦的浮出率、降低了浮選藥劑消耗、降低了崗位工人的勞動強度，創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟及社會效益。