使用地下水污水流量計監測浮選系統提高藥劑消耗的準確性

摘要: 針對浮選成本高、效率低，浮選精煤質(zhì)量難以保證的問(wèn)題，呂家坨選煤廠(chǎng)的浮選自動(dòng)加藥及乳化控制系統采用以 S7 － 300 PLC 為控制器，用地下水污水流量計和煤泥濃度計分別檢測進(jìn)入浮選系統的流量和濃度，PLC 計算藥劑的加入量，變頻控制計量泵，乳化器實(shí)時(shí)準確的對藥劑實(shí)施乳化和加入。生產(chǎn)實(shí)踐表明，控制軟件采用人工智能技術(shù)并結合數字濾波，使測量、計算數據存儲數據曲線(xiàn)，藥劑消耗量準確可靠。
開(kāi)灤能源化工股份有限公司呂家坨選煤廠(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)呂家坨選煤廠(chǎng)) 設計能力為 3. 0 Mt /a，生產(chǎn)工藝為重介、浮選聯(lián)合工藝，該廠(chǎng)浮選工藝為原生煤泥和重介分流煤泥進(jìn)入 2 個(gè)煤泥混料桶，然后進(jìn)入 2 個(gè)礦漿預處理器，1 個(gè)礦漿預處理器供料2 個(gè)浮選機，4 個(gè)浮選機的精礦進(jìn)入再選預處理器，供再選浮選機。呂家坨選煤廠(chǎng)煤泥水量大，浮選系統設備多、工藝復雜，每班操作人員少，實(shí)現其全面自動(dòng)化控制是非常必要的。
浮選是洗選 ＜ 0. 5 mm 煤泥最有效的方法，利用浮選可以降低煤泥的灰分和硫分。在我國，煤泥浮選的處理量一般占全部入選量的 20% 左右。因 此，在煤炭潔凈生產(chǎn)中，強化、優(yōu)化浮選過(guò)程是一個(gè)十分重要的環(huán)節。傳統的浮選生產(chǎn)都是依靠浮選司機經(jīng)驗操作，生產(chǎn)效率較低，一些主要工藝參數，如礦漿流量、礦漿濃度、藥劑添加、尾礦灰分等都沒(méi)有做到實(shí)時(shí)定量。人工操作相對于自動(dòng)加藥和乳化作業(yè)既不準確也不及時(shí)，造成浮選成本高、效率低，浮選精煤質(zhì)量難以保證。對該過(guò)程實(shí)現自動(dòng)控制，可以提高精煤產(chǎn)率、準確控制精煤灰分、節省浮選藥劑、改善工作環(huán)境和降低工人的勞動(dòng)強度。
浮選自動(dòng)加藥及乳化控制系統對穩定浮選精煤灰分，提高藥劑分散度及顆粒接觸面積起到了一定的作用，獲得了較好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，也是選煤廠(chǎng)實(shí)現人工智能控制的有效單元。
1 硬件構成
該系統設有自動(dòng)控制柜，配有工業(yè)控制計算機和礦漿濃度計、流量計、藥劑計量泵、藥劑乳化裝置等單元組成，根據選煤廠(chǎng)浮選工藝的設計，在操作面板和工控機均設有起泡劑和捕收劑的設定旋鈕電位器，旋鈕設定只針對噸干煤泥的藥比，且具有全部的手、自動(dòng)操作裝置。儀表柜內裝有流量計和濃度計等二次檢測儀表，乳化器的操作及控制在裝置本身上。開(kāi)關(guān)電源、隔離模塊、PLC 等安裝在操作臺內部，為提高系統的可靠性，所有控制和信號線(xiàn)纜全部采用 ＲVVP － 銅芯聚氯乙烯絕緣屏蔽型護套軟電纜，該電纜外層有較密的銅網(wǎng)屏蔽，信號穩定可靠。
1. 1 PLC 可編程序控制器
系統控制核心由西門(mén)子 S7 － 300 的 CPU 及模擬量、數字量輸入∕輸出模塊組成，輸入∕輸出通道均采取光電隔離等措施，大大提高了系統的抗干擾性能，可穩定工作在較惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中。軟件采用 SIEMENS STEP7 6. 0 編程，用戶(hù)界面全部漢化，各功能采用菜單提示，界面友好，易于操作?？刂瞥绦蛑饕瓿傻墓δ? 數據采集、數字濾波、控制模型運算、PID 輸出、存貯、顯示生產(chǎn)主要工藝參數及運行歷史曲線(xiàn)。呂家坨選煤廠(chǎng)采用 3 臺礦漿預處理器、6 臺 16 m3機械攪拌式浮選機，分兩期施工，在軟件設計時(shí)采用兩臺 PLC 并行運行方式，兩臺控制柜分別控制南北浮選系統和新系統，內部含有 SIEMENS S7 － 300 系列 PLC，ABB 變頻器。計算機組成網(wǎng)絡(luò )系統，與兩臺 PLC 組成 MPI網(wǎng)絡(luò )，系統最大的優(yōu)點(diǎn)是獨立運行能力強。對計量泵的控制是輸出動(dòng)力電源，由變頻器直接接線(xiàn)到計量泵電動(dòng)機。輸入信號是兩臺流量計、兩臺濃度計，是 4 ～ 20 mADC 信號?？刂乒癫捎?380VAC 動(dòng)力電源。
1. 2 地下水污水流量計
流量計一般采用電磁式結構，根據現場(chǎng)工藝狀況，分別在原礦漿管道和稀釋水管道上，根據管徑選用不同的規格，管徑一般在100 ～ 500 mm 之 間。本系統采用 LZD 一體防爆型地下水污水流量計，整體設計符合 GB 3836-2000 爆炸性氣體使用環(huán)境要求，儀器儀表特點(diǎn)為: 優(yōu)秀的單片機智能化管理，分流量段進(jìn)行修正，確保流量計量的準確性與穩定性; 傳感器測量管內無(wú)活動(dòng)及阻流部件，因此無(wú)壓力損失，無(wú)阻塞; 合理選用襯里材料及電極材料，可實(shí)現良好的耐腐蝕性和耐磨性; 測量不受液體的密度、粘度、溫度、壓力和電導率變化的影響; 低頻矩形波勵磁，不受工頻及現場(chǎng)各種雜散干擾的影響，工作穩定可靠; 不受流體方向影響，正、反向均可準確計量; 高阻快速響應電路，無(wú)失真采集微弱信號和快速反應流量變化; 寬量程比 (0. 3 ～ 10 m /s)，滿(mǎn)量程流速范圍寬; 具有小信號切除功能，用戶(hù)可通過(guò)設置切除干擾性小流量; 大屏幕多參數同步顯示，瞬時(shí)流量、流速、正負向累計總量以及報警提示等; 故障自診斷功能，當流量計工作異常時(shí)，測量界面顯示故障部位及報警; 紅外遙控功能、磁力感應式非接觸操作以及按鍵接觸操作，操作多樣、方便。測量精度可達 1. 5% ，相對濕度在 5% ～ 95% 之間。
安裝方向可垂直、水平、傾斜，但水平安裝時(shí)要求二電極的中心軸線(xiàn)處于水平狀態(tài)，安裝應保證測量管內能充滿(mǎn)介質(zhì)，不能有不滿(mǎn)管現象或有大量氣泡通過(guò)傳感器。對于液固兩相介質(zhì)，最好是垂直安裝，流體自下而上流動(dòng)。這樣既可避免固體顆粒在測量管中沉積，又使襯里的磨損均勻，延長(cháng)使用壽命。為了避免在安裝后形成旋渦流，應保證連接管、密封件、接地環(huán)及感應器這四者同心連接，不要相互錯開(kāi)。要求前置直管段長(cháng)為 5 倍管道內徑，后置直管段長(cháng)為 3 倍管道內徑。
1. 3 濃度計
濃度計一般分為同位素濃度計和雙膜盒差壓濃度計。雖然同位素濃度計的測量精度較高，但由于價(jià)格昂貴難于維護和管理，目前現場(chǎng)一般推薦使用雙膜盒式濃度計，該儀表安裝容易、使用安全和易于管理，實(shí)踐證明這種方式的濃度計也能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。選煤廠(chǎng)浮選生產(chǎn)中，入浮濃度是一個(gè)重要參數，它直接關(guān)系到洗選效果與精煤產(chǎn)率。最佳入浮濃度由小浮選試驗得出，多數選煤廠(chǎng)最佳入浮濃度在 80 ～ 120 g /L 之間。主要技術(shù)參數為: 測量精度為 0. 25% ，通過(guò)儀表量程的遷移，選取密度測量變化范圍為 1 000 ～ 1 200 g /L 的上下限值，對應測量信號為 4 ～ 20 mA，實(shí)際誤差應在±0. 5 g /L。管徑范圍為 0 ～ 750 mm，環(huán)境溫度為 － 10 ～ 50 ℃。
1. 4 變頻式藥劑計量泵
計量泵在市場(chǎng)上有多種方式，其流量調節基本有兩種: 一是調節泵的柱塞行程長(cháng)度; 二是采用變頻器改變電源頻率調節泵速，后者便于實(shí)現流量的控制和計算機管理。主要技術(shù)參數為: 測量精度為±1% ，測量范圍為 0 ～ 300 L /h 可調，環(huán)境溫度為－ 10 ～ 50 ℃。
1. 5 單一藥劑乳化器
選煤廠(chǎng)浮選藥劑乳化裝置是將藥劑和水制成乳化液，實(shí)現藥劑的合理使用，將對浮選效果和節約藥劑起到一定的作用。在使用中可根據藥劑和水的配制比例觀(guān)察藥劑的乳化效果，通過(guò)乳化器操作箱內的的電位器調整水泵轉速，即調整乳化壓力。自動(dòng)加藥控制是根據入浮流量與入浮濃度的檢測結果，控制起泡劑與捕收劑的加入。乳化器的工作原理如圖 1 所示。
2 控制原理及功能
2. 1 藥劑自動(dòng)添加原理
藥劑添加是浮選生產(chǎn)中的重要環(huán)節，其添加量的大小、準確與否和油醇配比等都直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、效果及經(jīng)濟效益。傳統浮選司機憑經(jīng)驗調節油嘴加藥，沒(méi)有做到定量，在流量、濃度、煤質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，不能及時(shí)調節，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，尾礦跑粗現象嚴重。

STD － Ⅲ型浮選工藝參數自動(dòng)測控系統通過(guò)雙膜盒差壓計測量原礦漿濃度; 采用地下水污水流量計測量原礦漿流量，由 PLC 計算出入浮干煤泥量和藥劑的瞬時(shí)添加量，用變頻式計量泵完成浮選藥劑的添加。通過(guò)上位機還可以打印小時(shí)、班、天及月的運行數據，更加有利于生產(chǎn)管理及技術(shù)分析，藥劑自動(dòng)原理如圖 2 所示，k1、k2、k3 是計算修正參數。以 PID 算法為核心，通過(guò)優(yōu)化控制程序計算出藥劑給定量，在捕收劑和起泡劑管道上分別安裝藥劑測量裝置，用于檢測藥劑的添加量。當藥劑測量值小于藥劑給定量時(shí)，PID 輸出增大，反之則減小。加藥泵變頻器控制原理如圖 3 所示。

2. 2 改變藥強控制浮選精煤灰分
在控制系統中，通過(guò)對入浮礦漿的流量、濃度檢測，計算出入浮的煤泥量，根據人工設定的藥劑加入量/噸煤泥，計算出起泡劑和捕收劑的加入量，然后通過(guò)在線(xiàn)乳化，分別送到礦漿預處理器和浮選機各室。調節藥強旋鈕可以改變噸煤耗油量，這樣選煤廠(chǎng)可根據客戶(hù)要求，方便生產(chǎn)出不同灰分等級的浮選精煤產(chǎn)品。
2. 3 乳化器構成及操作
射流泵可產(chǎn)生一定壓力，通過(guò)文李氏管將藥劑吸入，并和水形成乳化液。
電氣操作箱通過(guò)對電機頻率的調整可使射流泵改變供水壓力，即達到調整乳化效果。操作箱上有啟動(dòng)、停止按鈕，可控制射流泵的運行，操作箱內部有一個(gè)電位器，可用來(lái)調節射流泵電機的轉速，即調節射流泵產(chǎn)生的水壓力，可通過(guò)乳化器上的壓力表觀(guān)察，一般壓力調節到 0. 25 ～ 0. 4 MPa 之間即可，在變頻器的小顯示屏上可查看運轉速度，電機電流等參數。
在乳化裝置的進(jìn)水管處應安裝有閥門(mén)，工作前將該進(jìn)水閥們打開(kāi)，然后開(kāi)啟操作箱的啟動(dòng)按鈕，注意觀(guān)察供水壓力，通常在 0. 25 ～ 0. 5 MPa 范圍內調整 (注意觀(guān)察乳化效果) 調整射流泵壓力。該裝置停止時(shí)，按操作箱上的停止按鈕，關(guān)閉進(jìn)水閥門(mén)。
系統的控制柜、操作臺和現場(chǎng)儀表在布線(xiàn)時(shí)，要信號線(xiàn)與動(dòng)力線(xiàn)嚴格分開(kāi)，無(wú)法分開(kāi)的地方控制線(xiàn)要求穿管，以防動(dòng)力電源干擾控制信號。

2. 4 參數設定操作
系統具有電腦操作和控制柜手動(dòng)操作，而電腦操作又有手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，在自動(dòng)狀態(tài)下有測量參數的實(shí)際值和人工給定值得選擇。手動(dòng)運行是通過(guò)拖動(dòng)鼠標條改變藥劑量的添加。選擇自動(dòng)時(shí)系統是根據流量、濃度、起泡劑設定、捕收劑設定，自動(dòng)確定藥劑的加入量，此時(shí)手動(dòng)拖動(dòng)鼠標條是沒(méi)用的。藥劑比是由捕收劑除起泡劑運算所得，在自動(dòng)運行時(shí)，需隨時(shí)調整起泡劑設定和捕收劑設定。
3 結語(yǔ)
以呂家坨選煤廠(chǎng)應用前后的對比，在正確使用的情況下，除穩定產(chǎn)品煤質(zhì)量、縮小精煤灰分區間外，回收 率 可 提 高 1 ～ 1. 5 個(gè) 百 分 點(diǎn)，以 選 煤 廠(chǎng)(3. 0 Mt /a) 年處理60 萬(wàn) t 浮選煤泥計算，可多產(chǎn)出商品煤 0. 6 ～0. 9 萬(wàn) t ，按噸精煤中煤差價(jià) 500 元計算，可增加收入300 ～450 萬(wàn)元 ; 另外還使浮選藥劑的消耗下降了 10 ～15 個(gè)百分點(diǎn)，節省藥劑 180 ～ 270萬(wàn)元。浮選自動(dòng)加藥及乳化控制系統實(shí)現了浮選生產(chǎn)過(guò)程中參數的精確實(shí)時(shí)檢測、內部數據浮點(diǎn)運算及精準的藥劑加入量自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)在線(xiàn)的藥劑乳化及加入，降低浮選藥劑消耗、穩定了浮選精煤灰分、提高了浮選精煤產(chǎn)率、減輕了工人勞動(dòng)強度。該系統通過(guò)多種網(wǎng)絡(luò )接口可實(shí)現與全廠(chǎng)自動(dòng)化系統的數據共享，下一步可結合浮選精煤灰分和尾礦灰分的測量，采用大數據處理技術(shù)構建浮選灰分智能控制閉環(huán)，實(shí)現浮選精煤灰分的在線(xiàn)測控，對提高選煤廠(chǎng)的運行質(zhì)量和經(jīng)濟效益有較大的意義。

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