加壓過(guò)濾機(jī)入料泵綜合保護(hù)裝置的研究和應(yīng)用

郝杰，武建平，李夢(mèng)葦，薛新順

（1.平煤股份八礦選煤廠；2.平頂山市安盛機(jī)械制造有限公司，河南 平頂山 467000）

加壓過(guò)濾機(jī)作為選煤廠重要的脫水設(shè)備，在控制精煤水分，保證精煤質(zhì)量方面具有非常重要的意義。平煤股份八礦選煤廠是平煤股份的主力選煤廠之一，采用重介浮選聯(lián)合工藝，年入洗能力600萬(wàn)噸。浮選精煤脫水工藝采用4臺(tái)GPJ120型加壓過(guò)濾機(jī)完成。該型加壓過(guò)濾機(jī)配用渣漿泵作為浮選入料設(shè)備，2021年4月，選煤車間一加壓過(guò)濾機(jī)入料泵運(yùn)行中發(fā)生泵體炸裂事故，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失，并存在較大的人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。如果不能找到原因并進(jìn)行控制將給洗選生產(chǎn)埋下較大的安全隱患。通過(guò)對(duì)入料泵爆裂或爆炸機(jī)理的分析，找到了合理的保護(hù)方法，制作了科學(xué)有效的保護(hù)裝置，對(duì)保障安全生產(chǎn)具有重要的意義。

1 入料泵爆裂和爆炸機(jī)理的分析

經(jīng)過(guò)對(duì)當(dāng)時(shí)設(shè)備運(yùn)行情況的分析，經(jīng)查閱相關(guān)資料，初步確定了入料泵爆裂的原因。浮選工藝需要加入浮選藥劑，這決定了浮選入料中必然含有一定的氣泡，當(dāng)浮選工藝發(fā)生偏差時(shí)，會(huì)加大浮選入料的泡沫化情況，導(dǎo)致入料效率降低，或者長(zhǎng)時(shí)間不上量，此時(shí)按照程序設(shè)定模式，入料泵會(huì)自動(dòng)進(jìn)入高速運(yùn)行模式，試圖加大入料量，提高入料速度。而入料泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)造成入料泵工作條件更加惡劣，大量吸入泡沫，造成泵腔壓力升高，過(guò)流件高速運(yùn)轉(zhuǎn)與泡沫摩擦，導(dǎo)致泵腔高溫，水分氣化，含浮選藥劑的煤粉充斥泵腔，在進(jìn)一步高速摩擦下，會(huì)造成泵殼炸裂或爆炸的嚴(yán)重事故，造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。

通過(guò)上述過(guò)程分析，可以知道，在入料泵從正常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入異常狀態(tài)到最后產(chǎn)生爆裂或爆炸的過(guò)程中，入料泵變頻器運(yùn)行頻率、電機(jī)電流、出口壓力、泵體振動(dòng)、泵殼溫度等變量都在發(fā)生著變化。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)入料泵上料差的時(shí)候，這些變量都有變大的趨勢(shì)。如果能夠?qū)@些變量進(jìn)行有效的監(jiān)控，總結(jié)出其變化的規(guī)律，設(shè)置合理的報(bào)警和控制閾值，就可以通過(guò)監(jiān)測(cè)這些變量從而對(duì)入料泵的運(yùn)行情況進(jìn)行判斷，在入料泵進(jìn)入異常狀態(tài)時(shí)及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，并采取措施進(jìn)行控制，避免情況持續(xù)惡化，從而避免入料泵爆裂或爆炸事故的發(fā)生。

2 入料泵保護(hù)試驗(yàn)裝置的搭建與數(shù)據(jù)的分析

為了進(jìn)一步確定對(duì)這些物理量的變化情況，我們選定一臺(tái)編號(hào)為427的GPJ120型加壓過(guò)濾機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)，搭建了試驗(yàn)裝置對(duì)這些物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。

2.1 傳感器的選型和安裝位置的確定

入料泵的運(yùn)行頻率可以從變頻器進(jìn)行采集，所以只需要對(duì)壓力傳感器、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、電流傳感器進(jìn)行選型，確定安裝位置。根據(jù)入料泵的運(yùn)行參數(shù)，測(cè)量壓力采用德國(guó)E+H0—1兆帕量程的壓力傳感器，安裝在入料泵的出口位置，對(duì)出口壓力進(jìn)行檢測(cè)。溫度傳感器采用WB紅外溫度傳感器，可檢測(cè)0～200℃的溫度變化，指向泵殼相對(duì)較薄的填料箱處，檢測(cè)泵內(nèi)介質(zhì)溫度的變化。振動(dòng)傳感器采用HJ9002型壓電振動(dòng)傳感器，黏結(jié)在泵的出料管道處。測(cè)量電流選用JLB型電流傳感器，安裝在變頻器輸出端。這些傳感器均可以輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

2.2 傳感器信號(hào)的采集與測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化

該加壓過(guò)濾機(jī)的控制系統(tǒng)為施耐德Modicon 14000系列中型PLC系統(tǒng)，由于原有控制系統(tǒng)沒(méi)有多余的輸入點(diǎn)，我們擴(kuò)展了一塊ACI03000的8通道模擬量輸入模塊。將該模塊設(shè)置為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸入，并將壓力、溫度、振動(dòng)、電流等四個(gè)傳感器信號(hào)接入系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)入料泵關(guān)鍵運(yùn)行指標(biāo)的可視化，就是將入料泵的需要監(jiān)測(cè)的幾個(gè)關(guān)鍵運(yùn)行變量通過(guò)數(shù)據(jù)的形式直觀地呈現(xiàn)在組態(tài)軟件的控制界面上，可以方便地對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，對(duì)異常情況及時(shí)做出反應(yīng)。

該平臺(tái)的上位機(jī)組態(tài)軟件采用IFIX，我們?cè)贗FIX數(shù)據(jù)庫(kù)中建立的相應(yīng)的變量，對(duì)ACI03000的相應(yīng)通道采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行引用，在IFIX監(jiān)控畫面中建立四個(gè)數(shù)字量顯示控件，分別對(duì)四個(gè)物理量進(jìn)行顯示，從而完成了測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化。

2.3 通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)入料泵運(yùn)行狀況進(jìn)行分析與判定

試驗(yàn)裝置的軟硬件平臺(tái)搭建完成后，我們?cè)诩訅哼^(guò)濾機(jī)的運(yùn)行中對(duì)這些測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的觀察、總結(jié)和分析，發(fā)現(xiàn)了一些規(guī)律。

溫度數(shù)據(jù)的表現(xiàn)最穩(wěn)定，與周圍的環(huán)境溫度密切相關(guān)，由于入料泵泵送的浮選入料本身也基本上是環(huán)境溫度，而且泵運(yùn)轉(zhuǎn)中浮選料也對(duì)泵有一定的冷卻作用，所以泵體的溫度一般不會(huì)超過(guò)環(huán)境溫度再加上5℃，這樣的數(shù)值，比如環(huán)境溫度是30℃，那么正常運(yùn)行中的泵體溫度不會(huì)超過(guò)50℃。

運(yùn)行頻率、電流和振動(dòng)呈現(xiàn)正相關(guān)。當(dāng)運(yùn)行頻率升高時(shí)，電流也會(huì)隨之上升，相應(yīng)的振動(dòng)值也會(huì)上升，就試驗(yàn)平臺(tái)的427加壓過(guò)濾機(jī)入料泵來(lái)說(shuō)，觀察到，正常運(yùn)行值在1500以下，運(yùn)行狀態(tài)惡化的典型值的分界點(diǎn)在2000左右，當(dāng)振動(dòng)數(shù)值高于2000時(shí)，入料泵明顯噪聲變大，振動(dòng)加劇，性能出現(xiàn)劣化，入料速度此時(shí)也變慢。

壓力的變化呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的形態(tài)，在正常工況下，觀察到的壓力值在200～300kPa居多，并且沒(méi)有明顯的規(guī)律，但是，在壓力值來(lái)到500千帕附近時(shí)，入料泵性能明顯劣化。

綜上所述，溫度、振動(dòng)和壓力在區(qū)分正常工況和異常工況時(shí)具有較為顯著的分界點(diǎn)，對(duì)入料泵運(yùn)行工況的判別也表現(xiàn)的更有價(jià)值。

3 入料泵保護(hù)裝置的改進(jìn)和推廣應(yīng)用

3.1 入料泵保護(hù)裝置的改進(jìn)

入料泵保護(hù)試驗(yàn)裝置在運(yùn)行中積累了數(shù)據(jù)，對(duì)入料泵的運(yùn)行工況的判斷起到了一定作用，同時(shí)，針對(duì)在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題做了改進(jìn)。

3.1.1 增加報(bào)警和控制功能

通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)PLC程序的改進(jìn)，對(duì)溫度、壓力和振動(dòng)這三個(gè)量增加了報(bào)警功能。傳感器采集的數(shù)據(jù)與報(bào)警閾值進(jìn)行比較，當(dāng)數(shù)據(jù)大于等于報(bào)警閾值，且該狀態(tài)持續(xù)到規(guī)定的時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置，對(duì)入料泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，提示加壓操作員采取相應(yīng)措施。報(bào)警閾值和狀態(tài)持續(xù)時(shí)間根據(jù)情況可以進(jìn)行調(diào)整。

增加等待自動(dòng)停泵功能。原有入料泵控制在打等待時(shí)回料閥打開(kāi)進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，此時(shí)，入料泵一直工作，如果加壓操作員不注意停泵，容易產(chǎn)生安全隱患，通過(guò)對(duì)程序的修改，實(shí)現(xiàn)了一旦打等待，延時(shí)自動(dòng)停泵的功能，消除了這個(gè)安全隱患。

增加停機(jī)功能。在溫度、壓力、振動(dòng)這三個(gè)量中，溫度最穩(wěn)定，也最能夠體現(xiàn)入料泵工作狀態(tài)正常與否，通過(guò)對(duì)溫度變化情況的分析，在溫度報(bào)警的基礎(chǔ)上增加了超溫自動(dòng)停泵，自動(dòng)停泵功能設(shè)置為環(huán)境溫度加15℃，如夏季環(huán)境35℃的時(shí)候，該停機(jī)溫度設(shè)定為50℃，一旦入料泵溫度穩(wěn)定達(dá)到該溫度，就立刻控制入料泵停機(jī)保護(hù)。

3.1.2 可視化界面的優(yōu)化調(diào)整

（1）在IFIX組態(tài)軟件建立iHistrian歷史，給這些變量增加歷史趨勢(shì)記錄頁(yè)面，完成了對(duì)這四個(gè)物理量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和顯示，方便對(duì)這些變量的變化趨勢(shì)進(jìn)行查詢，當(dāng)發(fā)生異常情況的時(shí)候，可以還原當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況。

（2）在上位機(jī)組態(tài)軟件上增加報(bào)警值及報(bào)警時(shí)間調(diào)整功能，使維護(hù)人員方便根據(jù)環(huán)境變化以及入料泵運(yùn)行工況變化情況對(duì)這些參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。另外，根據(jù)數(shù)值變動(dòng)情況對(duì)數(shù)值顯示框中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)測(cè)量數(shù)值大于等于設(shè)定值時(shí)，使顯示數(shù)字閃動(dòng)并變換顏色對(duì)操作人員進(jìn)行提醒。

3.2 入料泵保護(hù)裝置的推廣應(yīng)用

入料泵保護(hù)裝置在427加壓過(guò)濾機(jī)上試驗(yàn)運(yùn)行取得了成功，該裝置可以較為直觀地檢測(cè)反映加壓入料泵運(yùn)行工況，對(duì)入料泵運(yùn)行異常提供預(yù)警，為加壓系統(tǒng)操作員提供指導(dǎo)。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，先后發(fā)生了兩件事都印證了該保護(hù)裝置的有效性。一次是加壓操作員發(fā)現(xiàn)427入料泵報(bào)高溫警報(bào)停機(jī)，立刻將事情反饋給了設(shè)備維修單位，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是附近熱水桶上的熱水濺到了溫度傳感器上，從而造成誤報(bào)停機(jī)。另一次是加壓操作員發(fā)現(xiàn)入料泵持續(xù)振動(dòng)報(bào)警，經(jīng)檢修發(fā)現(xiàn)該泵一個(gè)地腳螺絲斷，造成整個(gè)泵體振動(dòng)幅度變大。

實(shí)踐證明，該入料泵保護(hù)裝置起到了相應(yīng)的保護(hù)作用，提高了加壓過(guò)濾機(jī)入料泵運(yùn)行的安全性，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值，繼427加壓過(guò)濾機(jī)后，先后對(duì)426、428、429等三臺(tái)過(guò)濾機(jī)加裝了入料泵保護(hù)裝置，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，后續(xù)將對(duì)風(fēng)穿流過(guò)濾機(jī)系統(tǒng)的4臺(tái)入料泵加裝該保護(hù)裝置，提高了洗選生產(chǎn)的安全保障水平。

4 結(jié)語(yǔ)

由于加壓過(guò)濾機(jī)入料泵送介質(zhì)的特殊性，使入料泵在工作時(shí)存在引發(fā)爆裂或爆炸的安全隱患，入料泵保護(hù)裝置采用軟件和硬件相結(jié)合的方式，依托PLC控制系統(tǒng)及組態(tài)軟件，將傳感器接入PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)PLC編程對(duì)變量的閾值進(jìn)行判斷，驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)出報(bào)警聲音，或者進(jìn)行停機(jī)保護(hù)。組態(tài)軟件界面作為人機(jī)界面和操作員進(jìn)行溝通，可以進(jìn)行閾值設(shè)置、報(bào)警復(fù)位等操作。還增加了等待自動(dòng)停機(jī)的保護(hù)功能，避免了操作員手動(dòng)停機(jī)可能會(huì)忘記造成入料泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，具有一定的應(yīng)用意義和推廣價(jià)值。今后將繼續(xù)對(duì)入料泵頻率、電流、溫度、壓力、振動(dòng)數(shù)值的變化規(guī)律進(jìn)行研究分析，采用更加完善成熟的安全保護(hù)策略和機(jī)制，進(jìn)一步提高加壓過(guò)濾機(jī)入料泵保護(hù)裝置的可靠性和穩(wěn)定性。