過濾式濃縮機(jī)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(tuán)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(guó)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(huì)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(yùn)行的好壞關(guān)系到選煤廠是否能正常生產(chǎn)，同時(shí)還涉及到選煤廠節(jié)水、回收煤炭資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等多個(gè)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(jī)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(jìn)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(duì)洗選指標(biāo)造成嚴(yán)重影響。因此，進(jìn)一步開展對(duì)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(tuán)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(shí)現(xiàn)礦漿高效濃縮的新型濃縮設(shè)備——過濾式濃縮機(jī)。與傳統(tǒng)的沉降式濃縮機(jī)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(diǎn)。為了提高設(shè)備的自動(dòng)化控制水平，在已有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，首先根據(jù)正交試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果確定了控制參數(shù)，進(jìn)而以西門子PLC為基礎(chǔ)，初步設(shè)計(jì)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(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

過濾式濃縮機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)現(xiàn)過濾濃縮。濾室內(nèi)料漿的流動(dòng)狀態(tài)與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達(dá)到某一極限值時(shí)，會(huì)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(huì)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(jìn)行自上而下的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流經(jīng)過濾區(qū)域時(shí)，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(shí)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(jī)工藝參數(shù)研究

采用FLUENT軟件對(duì)過濾式濃縮機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，其數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

2.1 過濾式濃縮機(jī)正交試驗(yàn)

通過對(duì)過濾式濃縮機(jī)的模擬仿真發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部流場(chǎng)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(yùn)用正交試驗(yàn)方法，對(duì)過濾式濃縮機(jī)的工藝參數(shù)進(jìn)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(gè)因素對(duì)濃縮效果的影響。試驗(yàn)系統(tǒng)及正交試驗(yàn)流程分別見圖3和圖4。

圖2 過濾式濃縮機(jī)數(shù)值計(jì)算模型

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

圖4 正交試驗(yàn)流程圖

進(jìn)行正交試驗(yàn)時(shí)，對(duì)各個(gè)因素取兩個(gè)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(yàn)[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(duì)應(yīng)的試驗(yàn)計(jì)劃及結(jié)果如表2所示。

表1 因素水平表

表2 試驗(yàn)計(jì)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(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)過濾式濃縮機(jī)效果的影響，將空白的E、F、G三列均當(dāng)做試驗(yàn)誤差項(xiàng)進(jìn)行處理。

2.2 過濾式濃縮機(jī)試驗(yàn)分析

采用極差分析法(直觀分析法)和方差分析法對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到試驗(yàn)結(jié)果極差分析表(表3)和方差分析表(表4)。

表3 試驗(yàn)結(jié)果極差分析表

表4 試驗(yàn)結(jié)果方差分析表

極差分析反映了試驗(yàn)結(jié)果隨因素水平變動(dòng)的幅度，極差值越大，因素對(duì)試驗(yàn)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(yàn)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(huì)減小，這是因?yàn)殡S著入料壓力的增大，過濾過程的推動(dòng)力增大，很多細(xì)小顆粒會(huì)透過介質(zhì)進(jìn)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?yàn)殚y門開度減小使過濾時(shí)間變長(zhǎng)，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(qiáng)；④轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速過快，澄清液濃度增大，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速過大，產(chǎn)生的離心力場(chǎng)會(huì)增大過濾阻力。

試驗(yàn)結(jié)果表明，所選的四個(gè)工藝參數(shù)對(duì)設(shè)備效果均有顯著性影響，因此在實(shí)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(jī)達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。

3 過濾式濃縮機(jī)控制系統(tǒng)

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，過濾式濃縮機(jī)在工作過程中受到多個(gè)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(chǎng)內(nèi)部壓力受轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速影響十分明顯，因此在實(shí)際應(yīng)用中可利用轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速對(duì)流場(chǎng)壓力的調(diào)節(jié)作用來改變濃縮機(jī)的濃縮效果，實(shí)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(jī)控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)(PLC可編程控制器)、給料泵、接近開關(guān)、壓力傳感器、濃度計(jì)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(jī)作為操作站，能實(shí)時(shí)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(jī) (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(yùn)算及處理，并控制現(xiàn)場(chǎng)儀表及傳感器等的動(dòng)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(jī)壓力閉環(huán)控制。

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

(5)濃度計(jì)用來測(cè)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(cè)定濃縮機(jī)內(nèi)部壓力。

3.2 控制方法

過濾式濃縮機(jī)控制系統(tǒng)以西門子PLC-200為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算和處理，供配電和自動(dòng)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(hào)加裝信號(hào)隔離器，進(jìn)而保證輸入/輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性。過濾式濃縮機(jī)壓力、濃縮液閥門開度采用手動(dòng)在線設(shè)置，其中濃縮機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)是為過濾式濃縮機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)配套設(shè)計(jì)，既能滿足系統(tǒng)自動(dòng)控制的需要，同時(shí)又兼顧完成試驗(yàn)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(dòng)啟、停車，在滿足強(qiáng)制閉鎖的前提下手動(dòng)啟停單機(jī)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(jī)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(jī)，將系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)按時(shí)間一一記錄。

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

(5)具時(shí)鐘功能，可在記錄數(shù)據(jù)時(shí)在備注欄標(biāo)明記錄時(shí)間。

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

4 結(jié)語

通過對(duì)過濾式濃縮機(jī)的工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，初步發(fā)現(xiàn)了過濾式濃縮機(jī)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(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)濃縮效果影響規(guī)律，驗(yàn)證了過濾式濃縮機(jī)的工作原理與可行性；在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，初步設(shè)計(jì)出了與試驗(yàn)設(shè)備相匹配的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

目前，過濾式濃縮機(jī)還處于開發(fā)和完善階段，該設(shè)備涉及到過濾、自動(dòng)化、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，今后還需進(jìn)一步細(xì)化和深入對(duì)其的研究工作，主要包括：

(1)進(jìn)一步充實(shí)試驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)過濾式濃縮機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，爭(zhēng)取做到所有工藝參數(shù)能夠在線自動(dòng)整定。

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