過濾式濃縮機控制系統(tǒng)及工藝參數(shù)的研究

何勝韜,李山文

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

目前，我國煤炭洗選所采用的工藝主要以濕法選煤為主。在煤炭加工過程中會產(chǎn)生大量煤泥水。煤泥水處理是選煤廠生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，煤泥水系統(tǒng)運行的好壞關(guān)系到選煤廠是否能正常生產(chǎn)，同時還涉及到選煤廠節(jié)水、回收煤炭資源、保護生態(tài)環(huán)境等多個方面[1]。煤泥水的濃縮和澄清是煤泥水處理的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)前，采用重力沉降原理的耙式濃縮機作為主要設(shè)備廣泛應(yīng)用于精煤、尾煤及煤泥的濃縮和洗水澄清環(huán)節(jié)[2]。但是，隨著近年來采煤技術(shù)的不斷提高以及所開采原煤中低階煤比例的增大，原煤泥化加劇，煤泥水中極細(xì)物料比例大幅增加[3]，進而使采用重力沉降原理的煤泥水濃縮設(shè)備工作效率大為下降，導(dǎo)致溢流水濃度超標(biāo)，對洗選指標(biāo)造成嚴(yán)重影響。因此，進一步開展對新型濃縮設(shè)備的研究是十分有必要的。

為此，中煤科工集團唐山研究院有限公司提出了一種主要采用有壓過濾原理來實現(xiàn)礦漿高效濃縮的新型濃縮設(shè)備——過濾式濃縮機。與傳統(tǒng)的沉降式濃縮機相比，該設(shè)備具有占地面積小，濃縮速度快，濃度調(diào)整靈活，濃縮效率高等優(yōu)點。為了提高設(shè)備的自動化控制水平，在已有實驗設(shè)備的基礎(chǔ)上，首先根據(jù)正交試驗和數(shù)值模擬的結(jié)果確定了控制參數(shù)，進而以西門子PLC為基礎(chǔ)，初步設(shè)計出控制系統(tǒng)，為設(shè)備控制系統(tǒng)的最終確立打下了基礎(chǔ)。

1 過濾式濃縮機結(jié)構(gòu)及工作原理

過濾式濃縮機是一種新型濃縮設(shè)備，其工作原理不同于目前選煤廠的濃縮設(shè)備，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從圖1可看出，設(shè)備運轉(zhuǎn)時，濾漿通過入料管不斷被泵入由內(nèi)部過濾轉(zhuǎn)子和外部靜止體所圍成的濾室內(nèi)，并使之保持充滿狀態(tài)，利用轉(zhuǎn)子兩側(cè)的內(nèi)外壓差實現(xiàn)過濾濃縮。濾室內(nèi)料漿的流動狀態(tài)與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達到某一極限值時，會產(chǎn)生一種被稱為泰勒渦流的環(huán)狀渦流，相鄰的泰勒渦流在一定的軸向流速下呈螺旋狀連接起來，就會阻止液流軸向的逆流或短路，因此內(nèi)、外圓筒間的液流為理想的柱狀流。濾室內(nèi)的料漿在外壁阻力、重力和離心力的共同作用下，進行自上而下的旋轉(zhuǎn)運動，流經(jīng)過濾區(qū)域時，利用過濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差，在轉(zhuǎn)子外壁形成濾餅；過濾轉(zhuǎn)子通過旋轉(zhuǎn)，使介質(zhì)上的濾餅受到剪切掃流作用，從而實現(xiàn)薄餅層下的過濾濃縮；最終，濾液透過過濾介質(zhì)由轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部的出料口5排出，形成的濃縮物從出料口4排出，從而完成礦漿的過濾濃縮過程。

1—入料管；2—外部筒體；3—過濾轉(zhuǎn)子；4—濃縮液出口管；5—澄清液出口管

2 過濾式濃縮機工藝參數(shù)研究

采用FLUENT軟件對過濾式濃縮機進行了數(shù)值模擬，其數(shù)值計算模型如圖2所示。

2.1 過濾式濃縮機正交試驗

通過對過濾式濃縮機的模擬仿真發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部流場的變化與入料濃度、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、入料壓力和濃縮液出口閥門開度有關(guān)[4]，因此根據(jù)模擬仿真結(jié)果，運用正交試驗方法，對過濾式濃縮機的工藝參數(shù)進行了研究，以分析入料濃度、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、入料壓力和濃縮液出口閥門開度四個因素對濃縮效果的影響。試驗系統(tǒng)及正交試驗流程分別見圖3和圖4。

圖2 過濾式濃縮機數(shù)值計算模型

1—過濾式濃縮機；2—壓力表；3—流量計；4—渣漿泵(包含電機)；5—攪拌桶；6—濃縮液出口閥門；7—壓力傳感器；8—轉(zhuǎn)子電機

圖4 正交試驗流程圖

進行正交試驗時，對各個因素取兩個水平，并按照正交表選取原則，選擇七因素二水平正交表L8(27)來安排試驗[5]。參考FLUENT模擬仿真的研究結(jié)果，選取因素水平值如表1所示，對應(yīng)的試驗計劃及結(jié)果如表2所示。

表1 因素水平表

表2 試驗計劃及結(jié)果表

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，忽略因素之間的交互作用，主要研究入料濃度、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、入料壓力和濃縮液出口閥門開度四個關(guān)鍵工藝參數(shù)對過濾式濃縮機效果的影響，將空白的E、F、G三列均當(dāng)做試驗誤差項進行處理。

2.2 過濾式濃縮機試驗分析

采用極差分析法(直觀分析法)和方差分析法對正交試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到試驗結(jié)果極差分析表(表3)和方差分析表(表4)。

表3 試驗結(jié)果極差分析表

表4 試驗結(jié)果方差分析表

極差分析反映了試驗結(jié)果隨因素水平變動的幅度，極差值越大，因素對試驗指標(biāo)的影響越顯著。方差分析用來定量判斷各因素的顯著程度，并區(qū)分各試驗結(jié)果差異的來源[6]。

通過極差分析與方差分析可知：①入料壓力過大，濃縮物濃度會減小，這是因為隨著入料壓力的增大，過濾過程的推動力增大，很多細(xì)小顆粒會透過介質(zhì)進入到澄清液中；②濃縮液出口閥門開度越小，濃縮物濃度越大，這是因為閥門開度減小使過濾時間變長，過濾壓力增加，加大了清水的過濾能力；③入料濃度增大，濃縮物濃度增加，這是由于濾餅的厚度與過濾阻力隨著入料濃度的增大而增大，從而使截留細(xì)小顆粒的能力變強；④轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速過快，澄清液濃度增大，這是因為轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速過大，產(chǎn)生的離心力場會增大過濾阻力。

試驗結(jié)果表明，所選的四個工藝參數(shù)對設(shè)備效果均有顯著性影響，因此在實際工作過程中，應(yīng)該根據(jù)濃縮要求適當(dāng)調(diào)節(jié)各工作參數(shù)，以使過濾式濃縮機達到最佳的工作狀態(tài)。

3 過濾式濃縮機控制系統(tǒng)

通過試驗發(fā)現(xiàn)，過濾式濃縮機在工作過程中受到多個工藝參數(shù)的影響，如入料壓力、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、濃縮液出口閥門開度等，并且流場內(nèi)部壓力受轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速影響十分明顯，因此在實際應(yīng)用中可利用轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速對流場壓力的調(diào)節(jié)作用來改變濃縮機的濃縮效果，實現(xiàn)快捷方便地調(diào)整。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

過濾式濃縮機控制系統(tǒng)主要由上位機、下位機(PLC可編程控制器)、給料泵、接近開關(guān)、壓力傳感器、濃度計等構(gòu)成。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

(1)上位機作為操作站，能實時顯示各工藝參數(shù)，并可發(fā)出控制命令調(diào)整濃縮參數(shù)。

(2)下位機 (PLC 可編程序控制器) 負(fù)責(zé)設(shè)備各工藝參數(shù)的采集、運算及處理，并控制現(xiàn)場儀表及傳感器等的動作執(zhí)行。

(3)給料泵采用變頻控制，通過調(diào)整變頻器頻率，保持內(nèi)部壓力的穩(wěn)定、變頻頻率與濃縮機壓力閉環(huán)控制。

(4)接近開關(guān)用來精確測量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給下位機。

(5)濃度計用來測定并反饋澄清液濃度，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速形成閉環(huán)控制。

(6)壓力傳感器用來測定濃縮機內(nèi)部壓力。

3.2 控制方法

過濾式濃縮機控制系統(tǒng)以西門子PLC-200為核心進行數(shù)據(jù)的采集、運算和處理，供配電和自動控制集成在同一柜體內(nèi)，設(shè)有觸摸屏操控面板，便于人員操作。開關(guān)量的輸入和輸出均采用繼電器隔離裝置，模擬量信號加裝信號隔離器，進而保證輸入/輸出信號的實時性與穩(wěn)定性。過濾式濃縮機壓力、濃縮液閥門開度采用手動在線設(shè)置，其中濃縮機壓力采用PID閉環(huán)控制，其控制過程如圖6所示。

圖6 PID閉環(huán)控制圖

3.3 系統(tǒng)功能

過濾式濃縮機控制系統(tǒng)是為過濾式濃縮機試驗樣機配套設(shè)計，既能滿足系統(tǒng)自動控制的需要，同時又兼顧完成試驗參數(shù)的記錄和保存。系統(tǒng)主要功能如下：

(1)能夠按工藝要求自動啟、停車，在滿足強制閉鎖的前提下手動啟停單機設(shè)備。

(2)能在界面上方便地輸入、調(diào)整工作參數(shù)(濃縮機壓力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、閥門開度等)。

(3)可將筆記本電腦作為上位機，將系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)參數(shù)按時間一一記錄。

(4)可在上位機上定義一功能鍵，觸發(fā)該鍵作為取樣開始的次序和時間標(biāo)記，再次觸發(fā)該鍵作為取樣結(jié)束的標(biāo)記，同時自動記錄該時間段的參數(shù)值。

(5)具時鐘功能，可在記錄數(shù)據(jù)時在備注欄標(biāo)明記錄時間。

(6)在控制柜上設(shè)有觸摸屏，可實現(xiàn)就地操作，同時能在上位機的界面上實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

4 結(jié)語

通過對過濾式濃縮機的工藝參數(shù)進行正交試驗，初步發(fā)現(xiàn)了過濾式濃縮機的入料濃度、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、入料壓力和濃縮液出口閥門開度四個關(guān)鍵參數(shù)對濃縮效果影響規(guī)律，驗證了過濾式濃縮機的工作原理與可行性；在正交試驗的基礎(chǔ)上，對設(shè)備的控制系統(tǒng)進行了分析，初步設(shè)計出了與試驗設(shè)備相匹配的自動控制系統(tǒng)。

目前，過濾式濃縮機還處于開發(fā)和完善階段，該設(shè)備涉及到過濾、自動化、機械等多個學(xué)科，今后還需進一步細(xì)化和深入對其的研究工作，主要包括：

(1)進一步充實試驗內(nèi)容，對試驗數(shù)據(jù)進行更加系統(tǒng)地分析研究，為確定科學(xué)合理的工藝參數(shù)和設(shè)備系列化打下基礎(chǔ)。

(2)對過濾式濃縮機的控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，爭取做到所有工藝參數(shù)能夠在線自動整定。

[1] 吳慶勇.淺析煤泥水處理系統(tǒng)及洗水閉路循環(huán)[J].科技資訊,2006(24):42.

[2] 王世文.中國煤炭消費、生產(chǎn)的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J].經(jīng)濟問題,2011(11):38-41.

[3] 李曉英，沈麗娟，陳建中，等. 煤泥高效濃縮機技術(shù)特點分析[J].選煤技術(shù)，2008(2)：39.

[4] 劉紅娜,李山文 .過濾式濃縮機壓力場分布規(guī)律研究[J].選煤技術(shù),2014(2):29.

[5] 徐仲安,王天保,李常英,等.正交試驗設(shè)計法簡介[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2002,12(5):148.

[6] 侯化國,王玉民.正交試驗法[M].吉林:吉林人民出版社,1985:8-12.