选煤厂制介及加介系统设计与应用

周增宏

(神东煤炭集团洗选中心补连塔选煤厂,内蒙古 鄂尔多斯 017200)

0 引言

在设计选煤厂制介及加介系统工艺方案时，需要用发展的眼光来看，看能否符合自动化发展的前景[1-3]。随着自动化水平的不断提高，计算机技术大幅度地应用于控制生产后，除了一些简单控制的广泛应用外，一些复杂的控制回路，先进的控制算法也得到了广泛使用。近年来，人们在控制方面的认识逐渐深入，企业及社会对自动化的要求越来越高。根据经验来看，一般采用考虑冗余的方法进行制介系统和加介系统设计，留有空间，方便以后能够提高控制水平，在现如今的设计中要考虑到将来有可能需要进行进一步的修改升级，并为以后的工作留出后路，方便以后进一步提高控制水平[4-6]。此外，另一种思路是首先设计出几种控制方案，并且先运行简单方案，再运行下一步的方案。采用DCS等计算机控制系统后，就可以通过软件来改变其控制方案，修改控制方案变得简单。

一般重介质选煤厂块煤系统介耗约0.6 kg/t，混煤和末煤系统介质消耗约1.6 kg/t。一座生产规模为1.2 Mt/a的重介质选煤厂，介质补加量约6 000 kg/d，并且要频繁补加。如果采用人工补加，劳动强度大[7-8]。为减轻人工负担，设计了一种自动加介系统。

1 系统控制工艺选择

1.1 工艺流程

制介与加介系统的设计与应用将利用雷达检测介质的盘料分布，并将实时检测信号传送给系统PLC，由PLC控制系统根据设定的程序功能选择具体抓取动作[9-11]。完成一系列配比补水，制介，自动加介的过程，整个制、加介工艺流程如图1所示。该系统包含一个备介桶，放置于加介房内，桶内安装上一个液位传感器，一个补水阀及其配套的超声波流量计；两套加介泵及其配套电机，每个泵均分叉送入新旧两个系统加介磁选机，分别用两个加介阀控制(其中一套为备用，图中未画出)，磁选机放置于主厂房高层内，其磁选精矿直接自流入合介桶，高效提密度。加介桶中净化遗留的磁选尾矿也可作为下一次配介质用水。

图1 加介系统设备工艺流程示意

1.2 各系统功能

1.2.1 备介系统

当液位计检测到液位低于备介桶低限时，制介系统启动，给入抓介信号，介质自动定量抓取装置通过雷达判断介质的盘料分布，自行抓取系统计算的定量介质，后按照给定路线返回落入备介桶内，同时备介桶外的加水动作打开，按照计算出来的配比补充定量的清水。另外，高压风阀会定时开启，以保证悬浮液的均匀稳定。

1.2.2 加介系统

合介液位和密度均偏低时，加介信号给入，依次开启对应系统的磁选机、加介阀、加介泵。充分、及时、高效、合理地为其补充重介悬浮液，保证了生产稳定持续进行。

1.3 工艺优点

自动备介、加介系统流程回收率高，加介水循环利用率高，对主选系统影响小，且实现了介质高密度添加。加介桶上设置抓介装置，桶内接入高压风。介质定量抓取装置将介质给入备介桶，清水沿桶内壁一圈切线进入备介桶，充分利用水流入加介桶的势能实现自动冲介代替人工冲介，连续补充介质等功能，配置的介质进一步经高压风的动能混合均匀，流至桶下部，由泵送至加介用磁选机。这样一来，可实现加介工作的自动化，加介劳动可减为零，实现了连续、快速、高密度加介，加介系统相对独立性强；加介过程磁性物回收率高，削弱了加介磁选机对介质消耗的影响，介质中杂质不进入主选重介系统，优势明显。

2 控制方案与策略

2.1 方案制定原则及策略要求

2.1.1 控制方案制定原则

在确定控制方案之前，必须要与工艺的相关人员进行交流、沟通，共同合作，制定合适的控制方案。在确定控制方案时，首先要保证设计方案切实可行，在操作上可行便捷。其次要想所做的控制方案能够有一个比较高的水平，这就需要对所涉及的工艺完全熟悉，充分理解这个工艺的原理，整个工艺的流程，即所涉及的工艺的环境因素、应用场合，工作特点及其限制性。在完全了解并掌握其工艺的情况下，再运用控制方面的知识，根据工艺情况来确定所需的控制点，制定整个工艺流程的控制方案。

2.1.2 控制策略的要求

设计控制策略时要根据工艺确定合适的检测点以及被控变量，对检测点选取恰当的位置，安装适用的仪表。根据被控变量来设计合适的控制系统，并确定相对应的操纵变量。同时建立整个系统的保护系统，由报警系统、电机启动连锁系统和急停设置等组成。

2.2 需要明确的关系

2.2.1 可靠性与先进性的关系

在确定控制方案时，首先得仔细考虑其方案是否可行，其可靠性是最先考虑的因素，如果控制方案的可靠性不够，那么这整个控制方案将不能够被投入使用，这将会造成非常大的损失。在设计控制方案时，一般有这两种情况：一是之前有相同或是相类似的工艺过程得以参考，借鉴已有的设计能够使可靠性大大提升。对于这种情况，所做设计的可靠性就很容易得到保证。而另一种情况是面对全新的生产工艺，没有太多的经验可以借鉴，这就需要设计人员充分熟悉并把握工艺过程，准确把握变量及其中的一些干扰，确保所制定的方案可行。对于控制方案来说，第1步保证其控制方案是实际可行的。但仅是保证方案的可靠是远远不够的，还需要考虑控制方案的先进性是否符合当前的自动化程度或是超过当前自动化程度。

2.2.2 控制方案与工艺、设备的关系

要使得设计的方案能够实施，就必须充分考虑控制方案与工艺及设备之间的关系。这就要求做控制的人员多向工艺人员了解情况，熟悉并掌握工艺。在现场实施中，一般是先确定工艺，再确定设备，最后再配以适应的控制系统，完成整个生产过程的自动化。控制方案的制定是由已有的工艺来决定的，且不能对原先的工艺产生影响。这就表示，控制方案的设计人员长期处于被动的地位，而从发展的角度来看，现代工程，工艺设计、设备与控制设计这3方面应该是一个整体。

2.2.3 技术与经济的关系

控制方案的设计也会涉及到经济方面。所以在设计控制方案时，除了考虑其控制技术可靠性、控制水平先进性外，还必须得考虑设计的方案在经济上的合理性。所以，制定控制方案时，要充分综合考虑技术与经济这两方面的统一，寻求最优方案。充分考虑技术与经济两者之间的关系后得到控制方案，当控制水平得到提高时，可能会降低设备的投资，提升整个生产效益，节省能源等。但如果不切实考虑技术先进性，一味盲目地追求高水平，不制定合适的控制方案，那么会造成经济上不必要的损失。

2.3 抓介及加介控制策略

2.3.1 抓介过程控制

通过雷达检测介质堆，通过雷达定位可抓取的位置，确定抓取位置后，将这一信号传给PLC，开始进行抓取，抓斗在抓取时对所抓的介质进行称重。

2.3.2 制介时清水流量控制

在制介过程中，所配置的介质样品浓度是最为重要的参数之一，浓度直接决定着加介效果，直接影响着现场生产，间接影响产品质量。制介时，首先通过抓斗抓取介质，并放置到介质桶中，按一定比例加入既定流量的清水，通过鼓风混合均匀，完成介质的配制。其中，对于所加入的清水流量的控制，本设计中采用了比值与反馈相结合的控制方式，通过与纯介质质量相比计算得出所需的清水流量，将计算出的清水流量作为设定值，结合简单反馈控制，完成清水流量的控制，控制方块图如图2所示。该清水流量控制过程中，被控变量是清水流量，被控对象是清水管道，执行机构是清水管道中的电动调节阀，操作变量是电动调节阀的阀门开度。清水流量的控制系统，包括比值控制环节和反馈控制环节。在比值控制环节中，需要对抓入的介质进行称重，重量传感器安装在抓斗上，在抓介过程中就对介质质量进行测量，结合浓度要求，通过比值计算得出所需加入的清水流量，作为流量的设定值。在反馈控制环节中，通过在清水管道的调节阀后方安装流量计，来检测清水累计流量。将实时累计流量与开始加入清水时的累计流量的差作为实时值，并与设置流量值作比较，将此偏差传递给流量控制器，对电动调节阀作出调整，使偏差越来越小，当偏差逼近零时，关闭电动调节阀，完成对加入清水流量的控制。

图2 清水流量比值-反馈控制系统

2.3.3 液位高低位控制

加介过程是重介系统的一个环节，为了确保重介系统自动运行安全可靠，需要保证加介环节能正常运行，保证充足的介质液在加介时可用就十分必要。为了满足重介系统中的加介需求，在此设计了液位低位时的自动配介控制。在介质桶中安装液位计，对介质液位作实时监测。设置液位低位，当实时液位到达低位时，就进行自动配介过程。自动配介时，通过介质桶内部的空间，计算出清水和介质的总体积，并根据既定比例换算出各自的质量，以确定出当前所需加入的介质重量，此时，依次进行介质抓取、清水流量加入，完成制介过程。在此过程中，最为重要的是液位低位的设置和相应液位介质的加入量，需要根据现场经验和实际实验来决定。还需设置高位预警，以防介质液溢出。在低位自动制介时，需充分考虑介质桶的容量，针对特殊情况，设计高低预警。当介质桶的液位达到高位时，就关闭电动阀，停止清水的加入，以防介质液溢出，同时报警，可人工查看当前浓度是否达到要求，若未达到要求，可手动补水或采取其他应对措施。

2.3.4 模糊控制的加介过程

当密度、液位过低时，往往单纯通过分流箱与补水阀的操作已经不能达到工艺指标，此时，需要通过加介实现密度、液位的稳定。

2.3.5 鼓风与风阀大小的控制

备介时，风阀随之打开，使得介质混合均匀，并保持开启一段时间以确保其均匀度。

2.3.6 监控变量

根据P&ID 图，确定工艺系统的监控变量，找到所有的监控点，并按照选型原则选取合适的检测仪表，根据现场情况确定仪表的放置位置，然后根据所需的输入与输出变量个数选择PLC 模块的型号与个数。

模拟量输入：模拟量输入包括备介桶液位计、清水流量检测仪、抓取机构称重仪、新旧系统分流箱气动阀。

模拟量输出：模拟量输出包括加介管道上调节阀、清水加入量计算、新旧系统分流箱气动阀。

数字量输入：数字量输入包括清水电动阀全开、全关信号，风阀开关信号等。

数字量输出：数字量输出包括清水电动阀、鼓风机、加介泵等。

3 设备仪表选型

3.1 传感器选型及说明

3.1.1 液位检测仪表

超声波液位计是一种集超声、电子、软件于一体的液位测量产品，广泛应用于石油化工、矿业、环保监测、水文监测、空间定位等领域。其工作原理为超声波探头发出超声波束，超声波束经测量对象表面反射后，回到探头处，测量出整个传播时间，由此计算测量对象具体的物位。备介桶液位传感器选取上海贺森机电设备有限公司的EA超声波液位计，共1个。液位检测仪表选型，见表1。

表1 液位检测仪表选型

根据工艺得知，此处选取超声波液位计最为合适。此介质桶为顶部开放式柱锥桶，可利用超声波脉冲来测量液位的高低，因此要选择超声波液位计。此外，相较于放射性测位计，超声波液位计不需要防护；相较于激光测位仪，超声波液位计简单经济，适于选煤厂使用。介质桶高度为2.0 m，根据液位计选取原则，选取量程为0～3 m的液位计，该量程下的超声波液位计的超声声束角小、测距盲点距离短，适用于小型桶槽或设备。

3.1.2 流量检测仪表

超声波流量计广泛应用于化工、冶金、自来水公司、水利等几乎所有与液体相关的在线测量及监控领域。它可以实现液体流速、流量的测量和流体开关及流体辨别等功能。其工作原理为超声波束在液体中传播时，管道内液体流动会使其传播速度发生变化，这种变化与液体流速成正比。超声波流量计便利用这一原理来测量流量大小。测量合介桶加水的流量传感器选用北京格乐普高新技术有限公司的GLP-TDS-100YAG-100L型号的超声波流量计，共1个。流量检测仪表选型见表2。结合工艺及现场环境的要求，检测的目标液体为水，最大加水量小于100 L/h，液体管道公称直径为200 mm，所选择的流量计的测量范围合适，且其公称直径与管道一致，可满足正常安装及使用，所以选择GLP-TDS-100YAG-100L型号的超声波流量计是满足要求的。

表2 流量检测仪表选型

3.2 泵及阀的选型

加介泵：加介泵选用抗腐蚀、耐磨蚀的ZD系列的渣浆泵，该类型的渣浆泵在水力设计、结构设计以及耐磨材料上，都考虑到其耐腐蚀和磨损的特点。该型泵广泛用于电力、冶金、煤炭、建材等行业，用于运输含有固体颗粒的流体。加介泵选用50ZD-D40型号的渣浆泵，共2台。ZD型系列渣浆泵选型见表3。

表3 ZD型系列渣浆泵选型

补水阀：补水阀选用D941X型电动法兰阀，共1个，选型见表4。

表4 D941X电动法兰阀选型

加介阀：加介阀选用PZ943H电动刀型闸阀，共4个，选型见表5。

表5 PZ943H电动刀型闸阀选型

高压风阀：高压风阀选用AXO-CHQ-008电动阀，共1个，选型见表6。

表6 CHQ-008电动阀选型

3.3 控制装置PLC选型

在本次设计中，选取PLC控制系统。PLC控制系统结构简单，性价比较高，所占空间比较小，并且能够满足本次设计要求。PLC的程序是较为简单的梯形图，编辑起来相对容易，容易学习与理解，并且修改程序方便。在确定选用西门子S7-200系列后需要进行模块的选取，首先要确定输入输出模块的相应数量，这就要考虑到与实际应用的统一。根据实际情况，看是否需要扩展机架，并需要考虑冗余。由加介控制系统监测变量的分析可以看出，该系统共有14个模拟量，21个数字量。流程逻辑顺序图如图3所示。

图3 流程逻辑顺序

4 结语

介耗是重介质选煤厂设计、生产管理和成本核算等环节的重要技术指标。重介质分选是我国选煤生产中的主要分选方式，是今后选煤发展的主要方向。重介质系统的自动化、智能化是保证分选效果的重要条件之一，是重介质分选过程中至关重要的环节。从人工成本降低以及降低介耗等方面考虑，完成了从制介到加介环节的自动化设计。目前该自动添加系统还处于试用阶段，还需要进一步的研究完善工作，以期在未来能够大规模推广应用。