選煤工藝設(shè)計中介質(zhì)流程計算自動化的研究

黃 飛

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430067)

選煤工藝設(shè)計中介質(zhì)流程計算自動化的研究

黃 飛

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430067)

為實(shí)現(xiàn)選煤工藝設(shè)計中介質(zhì)流程計算的自動化，結(jié)合介質(zhì)流程計算特點(diǎn)，對序貫?zāi)K法進(jìn)行特殊處理，使其滿足計算順序的需要，再查找計算順序，分析判斷分流計算所需要的所有參數(shù)，最后套用公式完成介質(zhì)流程計算。驗(yàn)證結(jié)果表明：基于序貫?zāi)K法的介質(zhì)流程計算，不但可以保證介質(zhì)系統(tǒng)平衡誤差滿足設(shè)計要求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)介質(zhì)流程計算的自動化，有利于節(jié)約人力、物力、時間等資源。

介質(zhì)流程；序貫?zāi)K法；平衡誤差

我國選煤行業(yè)于上世紀(jì)80年代末90年代初開始研究、開發(fā)、使用選煤工藝流程計算軟件，多個單位開發(fā)出專業(yè)軟件推動選煤工藝設(shè)計的研究進(jìn)展[1]。1993年煤炭工業(yè)部武漢設(shè)計研究院(現(xiàn)更名為中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計研究院有限公司)開發(fā)出“選煤工藝計算軟件包”，調(diào)用軟件的相應(yīng)模塊后，能夠完成煤質(zhì)資料的綜合、產(chǎn)品方案的計算、數(shù)質(zhì)量流程的計算、介質(zhì)流程的計算、數(shù)據(jù)庫的管理。但這類專業(yè)軟件在實(shí)際運(yùn)用中存在運(yùn)行效率低、操作復(fù)雜等缺陷，節(jié)約的人力資源和時間資源有限。

為進(jìn)一步提高工作效率，降低生產(chǎn)成本，減少計算誤差，國內(nèi)科研人員對選煤工藝流程計算軟件的研究一直進(jìn)行著不懈的努力?！缎蜇?zāi)K法求解選煤工藝流程》[2]的研究中，將序貫?zāi)K法應(yīng)用于復(fù)雜的選煤工藝流程，實(shí)現(xiàn)了包含動篩跳汰、重介、浮選在內(nèi)的復(fù)雜工藝流程的計算。其他科研院校、設(shè)計機(jī)構(gòu)也就序貫?zāi)K法在選煤工藝流程中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，比較典型的實(shí)例是對跳汰、浮選工藝流程的計算[3-4]。

數(shù)質(zhì)量流程計算自動化不僅要求煤流、水流的計算自動化，同樣要求介質(zhì)流程的計算自動化。介質(zhì)流程計算的目的，主要在于確定各有關(guān)作業(yè)的懸浮液性質(zhì)與數(shù)量、水耗量、介耗量，為設(shè)備選型提供依據(jù)。介質(zhì)流程計算的最大難點(diǎn)是分流量、補(bǔ)充水量與補(bǔ)加濃介量的確定，通常采用兩種方法對其進(jìn)行確定。一種是采用迭代的方法，多次循環(huán)直到進(jìn)出介質(zhì)系統(tǒng)的煤泥量之差小于設(shè)定的誤差，達(dá)到介質(zhì)系統(tǒng)平衡的目的[5-6]；另一種是通過有關(guān)公式[7-8]推導(dǎo)，建立進(jìn)出介質(zhì)系統(tǒng)的多個指標(biāo)平衡[9]，進(jìn)而建立多元方程組并聯(lián)立求解。采用公式推導(dǎo)可以直接計算得到結(jié)果，不存在多次循環(huán)的問題，但涉及到的計算參數(shù)多，參數(shù)的自動判斷難度大。為此，采用經(jīng)特殊處理的序貫?zāi)K法對介質(zhì)流程計算自動化進(jìn)行研究。

1 序貫?zāi)K法排序介質(zhì)循環(huán)

1.1 序貫?zāi)K法

序貫?zāi)K法[10]是過程系統(tǒng)常用的研究方法之一，在化工等行業(yè)已投入使用或正在進(jìn)行相關(guān)研究。序貫?zāi)K法是以單元模塊為基本計算單元，通過單元模塊的序貫計算來求解系統(tǒng)模型，只要知道系統(tǒng)中單元設(shè)備的輸入物料流和有關(guān)決策變量，就能通過調(diào)用相應(yīng)的單元模塊，求解出所有輸出物料流。

采用序貫?zāi)K法計算選煤工藝流程，首先必須將選煤系統(tǒng)分隔成若干個不可再分塊，然后順序求解這些不可再分塊，對含有多個單元的不可再分塊用迭代的辦法獨(dú)立求解。序貫?zāi)K法排序思路為：將選煤工藝采用有向圖表示，并采用鄰接矩陣(過程矩陣、關(guān)聯(lián)矩陣)進(jìn)行描述；分隔系統(tǒng)并找出不可再分塊，對其進(jìn)行排序；對包含多個單元的不可再分塊進(jìn)行切割，并對切割后的不可再分塊進(jìn)行排序；獲得完整的計算順序，依次調(diào)用單元模塊計算公式來完成計算。

對于選煤大部分作業(yè)環(huán)節(jié)而言，計算相對獨(dú)立，以單元模塊求解，通常只要輸入入料的數(shù)質(zhì)量和相關(guān)參數(shù)，就可得到出料的數(shù)質(zhì)量。介質(zhì)流程中分流作業(yè)的計算，要確定補(bǔ)加濃介量、補(bǔ)充水量、分流量，其計算不同于常規(guī)的作業(yè)環(huán)節(jié)，除了要掌握入料的性質(zhì)外，還要查詢多個作業(yè)環(huán)節(jié)的相關(guān)數(shù)據(jù)。為保證計算順序和計算精度，無論是采用序貫?zāi)K法排序，還是采用分流作業(yè)的單元模塊公式計算，二者都必須經(jīng)過特殊處理。

1.2 排序介質(zhì)循環(huán)

選煤工藝流程中的介質(zhì)流程部分如圖1所示，針對介質(zhì)流程的特點(diǎn)，以圖1為例說明排序介質(zhì)循環(huán)。介質(zhì)系統(tǒng)是一個循環(huán)系統(tǒng)，在序貫?zāi)K法中將其分隔為一個不可再分塊，對介質(zhì)循環(huán)的不可再分塊進(jìn)行特殊處理。

圖1 介質(zhì)流程圖

(1)圖1中介質(zhì)循環(huán)表示的不可再分塊。將圖1中的不可再分塊表示為{10，11，12，13，14，15，16，17，18，19， 20，21，22，23，24，25，26，27，28}。

(2)不可再分塊的切割。切割的一般思路為程序選取物料流出現(xiàn)頻率最大的流程線，其與流程繪制順序有關(guān)。由于繪制順序不同，可能相同的循環(huán)切割的流程線位置不同。

介質(zhì)循環(huán)有兩個特點(diǎn)：①介質(zhì)循環(huán)為單循環(huán)，沒有嵌套循環(huán)，故切割的流程線可以是一個；②介質(zhì)流程計算通常從工作介質(zhì)開始，直到全部作業(yè)環(huán)節(jié)計算完成，即人工計算時認(rèn)為計算工作介質(zhì)是起點(diǎn)，將該思路應(yīng)用到程序中，切割位置就是固定的。工作介質(zhì)所在位置同時也滿足序貫?zāi)K法頻率最高的要求，因此切割點(diǎn)唯一且固定，程序直接指定循環(huán)的起點(diǎn)位置為合格介質(zhì)桶出料，對應(yīng)流程線為17→18。

(3)切割后不可再分塊的排序。相關(guān)環(huán)節(jié)根據(jù)序貫?zāi)K法中的排序過程，自動將各作業(yè)環(huán)節(jié)排入出料數(shù)組和入料數(shù)組，直至排序完成，但分流作業(yè)要進(jìn)行特殊處理。按一般排序方法，分流作業(yè)和脫介作業(yè)處于相同位置，或者不相干的位置，如果直接排序分流作業(yè)可能位于脫介作業(yè)計算之前。但按照計算要求，分流作業(yè)必須在脫介作業(yè)計算完成后才能夠進(jìn)行，所以必須確保分流作業(yè)在脫介作業(yè)之后。

程序設(shè)計了兩個排序數(shù)組：一組為入料數(shù)組，入料數(shù)組不接收分流作業(yè)；另一組為出料數(shù)組，出料數(shù)組不接收脫介作業(yè)。經(jīng)此處理后脫介作業(yè)必然在入料數(shù)組，分流作業(yè)必然在出料數(shù)組或者循環(huán)完成后的入料數(shù)組最后一個位置，兩個數(shù)組結(jié)合后分流作業(yè)就在脫介作業(yè)之后。據(jù)此得到圖1的兩個數(shù)組分別為出料數(shù)組{18→10→11→12→13→14→19→20→28→15}，入料數(shù)組{25→24→16→27→23→21→26→22→17}。

2 分流量的計算

對于分選作業(yè)、脫介作業(yè)、磁選作業(yè)等環(huán)節(jié)的計算，只要給定入料點(diǎn)的參數(shù)即可得到出料點(diǎn)的數(shù)質(zhì)量。而分流作業(yè)的計算不但需要參考進(jìn)入系統(tǒng)原料帶入的懸浮液和去稀介段的懸浮液，而且需要程序能夠自動查找并判斷這些數(shù)據(jù)的位置，并將其提取出來，然后套用公式進(jìn)行相關(guān)計算，其是整個介質(zhì)流程計算中最為復(fù)雜的部分。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)判斷并計算輕產(chǎn)物稀介質(zhì)的參數(shù)。輕產(chǎn)物稀介質(zhì)所在脫介篩一般為精煤脫介篩，分流作業(yè)一般也在精煤脫介的流程線上，而分流作業(yè)很容易定位，故定位分流作業(yè)并從分流作業(yè)來判斷輕產(chǎn)物所在的脫介篩，然后進(jìn)行相關(guān)計算。分流作業(yè)入料有兩種情況:弧形篩篩下物和脫介篩合介段，分別用流程的關(guān)系處理這兩種情況，將其統(tǒng)一到精煤脫介篩作業(yè)環(huán)節(jié)，然后計算輕產(chǎn)物稀介質(zhì)的各項(xiàng)參數(shù)。

圖1中分流15入料對應(yīng)的工作環(huán)節(jié)是13精煤弧形篩，13精煤弧形篩篩上物對應(yīng)的19精煤脫介篩即為輕產(chǎn)物稀介質(zhì)所在的脫介篩。

(2)判斷并計算重產(chǎn)物稀介質(zhì)的參數(shù)。從介質(zhì)循環(huán)計算順序的數(shù)組中查找出所有脫介篩，去除輕產(chǎn)物脫介篩，計算重產(chǎn)物稀介質(zhì)的各項(xiàng)參數(shù)。

圖1中從排序數(shù)列中選取出的脫介篩包括14矸石脫介篩、20中煤脫介篩、19精煤脫介篩，去除19精煤脫介篩即可得到重產(chǎn)物稀介質(zhì)所在脫介篩，合計后完成計算。

(3)判斷并計算原煤帶入介質(zhì)的參數(shù)。從排序數(shù)列中找到分選環(huán)節(jié)10重介質(zhì)旋流器，并提取出相關(guān)參數(shù)。

(4)代入公式進(jìn)行相關(guān)計算，得到分流量、補(bǔ)充水量、補(bǔ)加濃介量，并將補(bǔ)加濃介量、補(bǔ)充水量存儲，以便后續(xù)合格介質(zhì)桶作業(yè)的計算。圖1中的數(shù)質(zhì)量、介質(zhì)量即為程序自動計算的最終結(jié)果。

3 介質(zhì)系統(tǒng)平衡驗(yàn)證

介質(zhì)系統(tǒng)的平衡即進(jìn)出系統(tǒng)的非磁性物量、磁性物量、水量等相等，系統(tǒng)處于動態(tài)平衡，可通過介質(zhì)系統(tǒng)平衡表、循環(huán)介質(zhì)系統(tǒng)平衡表對其平衡效果進(jìn)行驗(yàn)證。圖1流程圖中標(biāo)識了各個作業(yè)環(huán)節(jié)的數(shù)質(zhì)量計算結(jié)果，相應(yīng)的介質(zhì)系統(tǒng)平衡表、循環(huán)介質(zhì)系統(tǒng)平衡表如表1、表2所示。表中最后一欄的差值表明計算的精確度和最終的平衡效果，也能說明分流作業(yè)計算的準(zhǔn)確性。

由表1、表2可知：進(jìn)出介質(zhì)系統(tǒng)的非磁性物量、磁性物量、水量等相等，滿足規(guī)定的精度要求，介質(zhì)系統(tǒng)達(dá)到動態(tài)平衡，說明排序過程滿足計算順序的要求，實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)流程計算的自動化。

設(shè)計實(shí)踐表明：基于序貫?zāi)K法的介質(zhì)流程計算適用于現(xiàn)有絕大部分介質(zhì)流程，現(xiàn)有的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器、兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器、淺槽重介質(zhì)分選機(jī)等工藝流程均可采用。依據(jù)序貫?zāi)K法要求將其切割后，介質(zhì)循環(huán)成為獨(dú)立的不可再分塊，程序計算的查找算法也只會查找所在循環(huán)內(nèi)的作業(yè)環(huán)節(jié)，多套介質(zhì)系統(tǒng)互不干涉，故其也適用于兩段重介質(zhì)聯(lián)合工藝流程，如淺槽重介質(zhì)分選機(jī)分選、兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選的聯(lián)合工藝流程等。

表1 介質(zhì)系統(tǒng)平衡表

注:G、Gf、Gc為單位時間內(nèi)工作懸浮液中固體、磁性物、非磁性物的質(zhì)量，W為單位時間內(nèi)工作懸浮液中水的體積。

表2 循環(huán)介質(zhì)系統(tǒng)平衡表

注:V為單位時間內(nèi)懸浮液的體積。

4 結(jié)語

通過對介質(zhì)流程計算特點(diǎn)的分析，根據(jù)序貫?zāi)K法要求，對原有的切割、排序算法進(jìn)行特殊處理，得到符合要求的計算順序；通過對計算順序的查找，得到分流計算需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的位置，并提取相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而計算得到分流的參數(shù)。程序設(shè)計中，對其進(jìn)行有針對性的優(yōu)化，數(shù)質(zhì)量流程、介質(zhì)流程同步計算、輸出，有利于提高運(yùn)行效率和計算精度。驗(yàn)證結(jié)果表明：介質(zhì)系統(tǒng)平衡誤差滿足設(shè)計要求，實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)流程計算的自動化。

[1] 何亞群，趙躍民，匡亞莉. 計算機(jī)在礦物加工中的應(yīng)用[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2003.

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[10] 王宏軾. 化工工程系統(tǒng)工程[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2006: 248-249.

Research on automation calculation of medium flow in coal preparation process design

HUANG Fei

(Wuhan Design & Research Institute Co., Ltd. of China Coal Technology & Engineering Group, Wuhan, Hubei 430067, China)

In order to realize automation calculation of medium flow in coal preparation process design, based on the characteristics of medium flow calculation, the special treatment is used on the sequential modular approach to meet the need of calculating order. Then the calculation order is searched to analysis and determine all parameters for the split flow calculation. Finally the formula is applied to end calculation. The results show that the method based on sequential modular approach can not only ensure the equilibrium error of the medium system to meet the design requirements, but also can realize the automation of the medium flow calculation, and save manpower, material resources, time and other resources

medium flow calculation; sequential modular approach; balanced error

TD948.9

A

1001-3571(2015)04-0075-04

2015-04-14

10.16447/j.cnki.cpt.2015.04.021

黃 飛(1984—)，男，四川省樂山市人，工程師，從事選煤工程設(shè)計工作。

E-mail：huangfei132000@163.com Tel：027-87717205