選煤廠制介及加介系統(tǒng)設計與應用

周增宏

(神東煤炭集團洗選中心補連塔選煤廠,內蒙古 鄂爾多斯 017200)

0 引言

在設計選煤廠制介及加介系統(tǒng)工藝方案時，需要用發(fā)展的眼光來看，看能否符合自動化發(fā)展的前景[1-3]。隨著自動化水平的不斷提高，計算機技術大幅度地應用于控制生產后，除了一些簡單控制的廣泛應用外，一些復雜的控制回路，先進的控制算法也得到了廣泛使用。近年來，人們在控制方面的認識逐漸深入，企業(yè)及社會對自動化的要求越來越高。根據(jù)經驗來看，一般采用考慮冗余的方法進行制介系統(tǒng)和加介系統(tǒng)設計，留有空間，方便以后能夠提高控制水平，在現(xiàn)如今的設計中要考慮到將來有可能需要進行進一步的修改升級，并為以后的工作留出后路，方便以后進一步提高控制水平[4-6]。此外，另一種思路是首先設計出幾種控制方案，并且先運行簡單方案，再運行下一步的方案。采用DCS等計算機控制系統(tǒng)后，就可以通過軟件來改變其控制方案，修改控制方案變得簡單。

一般重介質選煤廠塊煤系統(tǒng)介耗約0.6 kg/t，混煤和末煤系統(tǒng)介質消耗約1.6 kg/t。一座生產規(guī)模為1.2 Mt/a的重介質選煤廠，介質補加量約6 000 kg/d，并且要頻繁補加。如果采用人工補加，勞動強度大[7-8]。為減輕人工負擔，設計了一種自動加介系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)控制工藝選擇

1.1 工藝流程

制介與加介系統(tǒng)的設計與應用將利用雷達檢測介質的盤料分布，并將實時檢測信號傳送給系統(tǒng)PLC，由PLC控制系統(tǒng)根據(jù)設定的程序功能選擇具體抓取動作[9-11]。完成一系列配比補水，制介，自動加介的過程，整個制、加介工藝流程如圖1所示。該系統(tǒng)包含一個備介桶，放置于加介房內，桶內安裝上一個液位傳感器，一個補水閥及其配套的超聲波流量計；兩套加介泵及其配套電機，每個泵均分叉送入新舊兩個系統(tǒng)加介磁選機，分別用兩個加介閥控制(其中一套為備用，圖中未畫出)，磁選機放置于主廠房高層內，其磁選精礦直接自流入合介桶，高效提密度。加介桶中凈化遺留的磁選尾礦也可作為下一次配介質用水。

圖1 加介系統(tǒng)設備工藝流程示意

1.2 各系統(tǒng)功能

1.2.1 備介系統(tǒng)

當液位計檢測到液位低于備介桶低限時，制介系統(tǒng)啟動，給入抓介信號，介質自動定量抓取裝置通過雷達判斷介質的盤料分布，自行抓取系統(tǒng)計算的定量介質，后按照給定路線返回落入備介桶內，同時備介桶外的加水動作打開，按照計算出來的配比補充定量的清水。另外，高壓風閥會定時開啟，以保證懸浮液的均勻穩(wěn)定。

1.2.2 加介系統(tǒng)

合介液位和密度均偏低時，加介信號給入，依次開啟對應系統(tǒng)的磁選機、加介閥、加介泵。充分、及時、高效、合理地為其補充重介懸浮液，保證了生產穩(wěn)定持續(xù)進行。

1.3 工藝優(yōu)點

自動備介、加介系統(tǒng)流程回收率高，加介水循環(huán)利用率高，對主選系統(tǒng)影響小，且實現(xiàn)了介質高密度添加。加介桶上設置抓介裝置，桶內接入高壓風。介質定量抓取裝置將介質給入備介桶，清水沿桶內壁一圈切線進入備介桶，充分利用水流入加介桶的勢能實現(xiàn)自動沖介代替人工沖介，連續(xù)補充介質等功能，配置的介質進一步經高壓風的動能混合均勻，流至桶下部，由泵送至加介用磁選機。這樣一來，可實現(xiàn)加介工作的自動化，加介勞動可減為零，實現(xiàn)了連續(xù)、快速、高密度加介，加介系統(tǒng)相對獨立性強；加介過程磁性物回收率高，削弱了加介磁選機對介質消耗的影響，介質中雜質不進入主選重介系統(tǒng)，優(yōu)勢明顯。

2 控制方案與策略

2.1 方案制定原則及策略要求

2.1.1 控制方案制定原則

在確定控制方案之前，必須要與工藝的相關人員進行交流、溝通，共同合作，制定合適的控制方案。在確定控制方案時，首先要保證設計方案切實可行，在操作上可行便捷。其次要想所做的控制方案能夠有一個比較高的水平，這就需要對所涉及的工藝完全熟悉，充分理解這個工藝的原理，整個工藝的流程，即所涉及的工藝的環(huán)境因素、應用場合，工作特點及其限制性。在完全了解并掌握其工藝的情況下，再運用控制方面的知識，根據(jù)工藝情況來確定所需的控制點，制定整個工藝流程的控制方案。

2.1.2 控制策略的要求

設計控制策略時要根據(jù)工藝確定合適的檢測點以及被控變量，對檢測點選取恰當?shù)奈恢?，安裝適用的儀表。根據(jù)被控變量來設計合適的控制系統(tǒng)，并確定相對應的操縱變量。同時建立整個系統(tǒng)的保護系統(tǒng)，由報警系統(tǒng)、電機啟動連鎖系統(tǒng)和急停設置等組成。

2.2 需要明確的關系

2.2.1 可靠性與先進性的關系

在確定控制方案時，首先得仔細考慮其方案是否可行，其可靠性是最先考慮的因素，如果控制方案的可靠性不夠，那么這整個控制方案將不能夠被投入使用，這將會造成非常大的損失。在設計控制方案時，一般有這兩種情況：一是之前有相同或是相類似的工藝過程得以參考，借鑒已有的設計能夠使可靠性大大提升。對于這種情況，所做設計的可靠性就很容易得到保證。而另一種情況是面對全新的生產工藝，沒有太多的經驗可以借鑒，這就需要設計人員充分熟悉并把握工藝過程，準確把握變量及其中的一些干擾，確保所制定的方案可行。對于控制方案來說，第1步保證其控制方案是實際可行的。但僅是保證方案的可靠是遠遠不夠的，還需要考慮控制方案的先進性是否符合當前的自動化程度或是超過當前自動化程度。

2.2.2 控制方案與工藝、設備的關系

要使得設計的方案能夠實施，就必須充分考慮控制方案與工藝及設備之間的關系。這就要求做控制的人員多向工藝人員了解情況，熟悉并掌握工藝。在現(xiàn)場實施中，一般是先確定工藝，再確定設備，最后再配以適應的控制系統(tǒng)，完成整個生產過程的自動化?？刂品桨傅闹贫ㄊ怯梢延械墓に噥頉Q定的，且不能對原先的工藝產生影響。這就表示，控制方案的設計人員長期處于被動的地位，而從發(fā)展的角度來看，現(xiàn)代工程，工藝設計、設備與控制設計這3方面應該是一個整體。

2.2.3 技術與經濟的關系

控制方案的設計也會涉及到經濟方面。所以在設計控制方案時，除了考慮其控制技術可靠性、控制水平先進性外，還必須得考慮設計的方案在經濟上的合理性。所以，制定控制方案時，要充分綜合考慮技術與經濟這兩方面的統(tǒng)一，尋求最優(yōu)方案。充分考慮技術與經濟兩者之間的關系后得到控制方案，當控制水平得到提高時，可能會降低設備的投資，提升整個生產效益，節(jié)省能源等。但如果不切實考慮技術先進性，一味盲目地追求高水平，不制定合適的控制方案，那么會造成經濟上不必要的損失。

2.3 抓介及加介控制策略

2.3.1 抓介過程控制

通過雷達檢測介質堆，通過雷達定位可抓取的位置，確定抓取位置后，將這一信號傳給PLC，開始進行抓取，抓斗在抓取時對所抓的介質進行稱重。

2.3.2 制介時清水流量控制

在制介過程中，所配置的介質樣品濃度是最為重要的參數(shù)之一，濃度直接決定著加介效果，直接影響著現(xiàn)場生產，間接影響產品質量。制介時，首先通過抓斗抓取介質，并放置到介質桶中，按一定比例加入既定流量的清水，通過鼓風混合均勻，完成介質的配制。其中，對于所加入的清水流量的控制，本設計中采用了比值與反饋相結合的控制方式，通過與純介質質量相比計算得出所需的清水流量，將計算出的清水流量作為設定值，結合簡單反饋控制，完成清水流量的控制，控制方塊圖如圖2所示。該清水流量控制過程中，被控變量是清水流量，被控對象是清水管道，執(zhí)行機構是清水管道中的電動調節(jié)閥，操作變量是電動調節(jié)閥的閥門開度。清水流量的控制系統(tǒng)，包括比值控制環(huán)節(jié)和反饋控制環(huán)節(jié)。在比值控制環(huán)節(jié)中，需要對抓入的介質進行稱重，重量傳感器安裝在抓斗上，在抓介過程中就對介質質量進行測量，結合濃度要求，通過比值計算得出所需加入的清水流量，作為流量的設定值。在反饋控制環(huán)節(jié)中，通過在清水管道的調節(jié)閥后方安裝流量計，來檢測清水累計流量。將實時累計流量與開始加入清水時的累計流量的差作為實時值，并與設置流量值作比較，將此偏差傳遞給流量控制器，對電動調節(jié)閥作出調整，使偏差越來越小，當偏差逼近零時，關閉電動調節(jié)閥，完成對加入清水流量的控制。

圖2 清水流量比值-反饋控制系統(tǒng)

2.3.3 液位高低位控制

加介過程是重介系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，為了確保重介系統(tǒng)自動運行安全可靠，需要保證加介環(huán)節(jié)能正常運行，保證充足的介質液在加介時可用就十分必要。為了滿足重介系統(tǒng)中的加介需求，在此設計了液位低位時的自動配介控制。在介質桶中安裝液位計，對介質液位作實時監(jiān)測。設置液位低位，當實時液位到達低位時，就進行自動配介過程。自動配介時，通過介質桶內部的空間，計算出清水和介質的總體積，并根據(jù)既定比例換算出各自的質量，以確定出當前所需加入的介質重量，此時，依次進行介質抓取、清水流量加入，完成制介過程。在此過程中，最為重要的是液位低位的設置和相應液位介質的加入量，需要根據(jù)現(xiàn)場經驗和實際實驗來決定。還需設置高位預警，以防介質液溢出。在低位自動制介時，需充分考慮介質桶的容量，針對特殊情況，設計高低預警。當介質桶的液位達到高位時，就關閉電動閥，停止清水的加入，以防介質液溢出，同時報警，可人工查看當前濃度是否達到要求，若未達到要求，可手動補水或采取其他應對措施。

2.3.4 模糊控制的加介過程

當密度、液位過低時，往往單純通過分流箱與補水閥的操作已經不能達到工藝指標，此時，需要通過加介實現(xiàn)密度、液位的穩(wěn)定。

2.3.5 鼓風與風閥大小的控制

備介時，風閥隨之打開，使得介質混合均勻，并保持開啟一段時間以確保其均勻度。

2.3.6 監(jiān)控變量

根據(jù)P&ID 圖，確定工藝系統(tǒng)的監(jiān)控變量，找到所有的監(jiān)控點，并按照選型原則選取合適的檢測儀表，根據(jù)現(xiàn)場情況確定儀表的放置位置，然后根據(jù)所需的輸入與輸出變量個數(shù)選擇PLC 模塊的型號與個數(shù)。

模擬量輸入：模擬量輸入包括備介桶液位計、清水流量檢測儀、抓取機構稱重儀、新舊系統(tǒng)分流箱氣動閥。

模擬量輸出：模擬量輸出包括加介管道上調節(jié)閥、清水加入量計算、新舊系統(tǒng)分流箱氣動閥。

數(shù)字量輸入：數(shù)字量輸入包括清水電動閥全開、全關信號，風閥開關信號等。

數(shù)字量輸出：數(shù)字量輸出包括清水電動閥、鼓風機、加介泵等。

3 設備儀表選型

3.1 傳感器選型及說明

3.1.1 液位檢測儀表

超聲波液位計是一種集超聲、電子、軟件于一體的液位測量產品，廣泛應用于石油化工、礦業(yè)、環(huán)保監(jiān)測、水文監(jiān)測、空間定位等領域。其工作原理為超聲波探頭發(fā)出超聲波束，超聲波束經測量對象表面反射后，回到探頭處，測量出整個傳播時間，由此計算測量對象具體的物位。備介桶液位傳感器選取上海賀森機電設備有限公司的EA超聲波液位計，共1個。液位檢測儀表選型，見表1。

表1 液位檢測儀表選型

根據(jù)工藝得知，此處選取超聲波液位計最為合適。此介質桶為頂部開放式柱錐桶，可利用超聲波脈沖來測量液位的高低，因此要選擇超聲波液位計。此外，相較于放射性測位計，超聲波液位計不需要防護；相較于激光測位儀，超聲波液位計簡單經濟，適于選煤廠使用。介質桶高度為2.0 m，根據(jù)液位計選取原則，選取量程為0～3 m的液位計，該量程下的超聲波液位計的超聲聲束角小、測距盲點距離短，適用于小型桶槽或設備。

3.1.2 流量檢測儀表

超聲波流量計廣泛應用于化工、冶金、自來水公司、水利等幾乎所有與液體相關的在線測量及監(jiān)控領域。它可以實現(xiàn)液體流速、流量的測量和流體開關及流體辨別等功能。其工作原理為超聲波束在液體中傳播時，管道內液體流動會使其傳播速度發(fā)生變化，這種變化與液體流速成正比。超聲波流量計便利用這一原理來測量流量大小。測量合介桶加水的流量傳感器選用北京格樂普高新技術有限公司的GLP-TDS-100YAG-100L型號的超聲波流量計，共1個。流量檢測儀表選型見表2。結合工藝及現(xiàn)場環(huán)境的要求，檢測的目標液體為水，最大加水量小于100 L/h，液體管道公稱直徑為200 mm，所選擇的流量計的測量范圍合適，且其公稱直徑與管道一致，可滿足正常安裝及使用，所以選擇GLP-TDS-100YAG-100L型號的超聲波流量計是滿足要求的。

表2 流量檢測儀表選型

3.2 泵及閥的選型

加介泵：加介泵選用抗腐蝕、耐磨蝕的ZD系列的渣漿泵，該類型的渣漿泵在水力設計、結構設計以及耐磨材料上，都考慮到其耐腐蝕和磨損的特點。該型泵廣泛用于電力、冶金、煤炭、建材等行業(yè)，用于運輸含有固體顆粒的流體。加介泵選用50ZD-D40型號的渣漿泵，共2臺。ZD型系列渣漿泵選型見表3。

表3 ZD型系列渣漿泵選型

補水閥：補水閥選用D941X型電動法蘭閥，共1個，選型見表4。

表4 D941X電動法蘭閥選型

加介閥：加介閥選用PZ943H電動刀型閘閥，共4個，選型見表5。

表5 PZ943H電動刀型閘閥選型

高壓風閥：高壓風閥選用AXO-CHQ-008電動閥，共1個，選型見表6。

表6 CHQ-008電動閥選型

3.3 控制裝置PLC選型

在本次設計中，選取PLC控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)結構簡單，性價比較高，所占空間比較小，并且能夠滿足本次設計要求。PLC的程序是較為簡單的梯形圖，編輯起來相對容易，容易學習與理解，并且修改程序方便。在確定選用西門子S7-200系列后需要進行模塊的選取，首先要確定輸入輸出模塊的相應數(shù)量，這就要考慮到與實際應用的統(tǒng)一。根據(jù)實際情況，看是否需要擴展機架，并需要考慮冗余。由加介控制系統(tǒng)監(jiān)測變量的分析可以看出，該系統(tǒng)共有14個模擬量，21個數(shù)字量。流程邏輯順序圖如圖3所示。

圖3 流程邏輯順序

4 結語

介耗是重介質選煤廠設計、生產管理和成本核算等環(huán)節(jié)的重要技術指標。重介質分選是我國選煤生產中的主要分選方式，是今后選煤發(fā)展的主要方向。重介質系統(tǒng)的自動化、智能化是保證分選效果的重要條件之一，是重介質分選過程中至關重要的環(huán)節(jié)。從人工成本降低以及降低介耗等方面考慮，完成了從制介到加介環(huán)節(jié)的自動化設計。目前該自動添加系統(tǒng)還處于試用階段，還需要進一步的研究完善工作，以期在未來能夠大規(guī)模推廣應用。