洗煤廠入洗原煤煤量均衡化系統研究

韓春陽，劉巖峰，高燕軍

(1.國家能源集團 烏海能源有限責任公司生產技術部，內蒙古 烏海 016000； 2.天津美騰科技股份有限公司軟件開發部，天津 300110； 3.國家能源集團 烏海能源有限責任公司駱駝山洗煤廠，內蒙古 烏海 016000)

由于駱駝山煤礦沒有按期投產，駱駝山選煤廠入洗原煤主要來源為周邊礦原煤，主要是蘇海圖原煤和周邊礦井原煤，煤種總數量達到30種以上，煤種豐富的同時帶來配煤的復雜性，煤種入廠化驗結果記錄，煤種堆放位置提前規劃；配煤煤種計算配煤策略使得效益最大化。配煤過程要達到精準的量的控制，入料流量與粒級、水分等多種影響因素[1-5]?，F有選煤廠的集控配比工藝由經驗豐富的操作工人工核驗配比結果，通常出現流量偏差大、調節及時性差、質量不穩定[6-10]。駱駝山現場升級改造通過加裝精準膠帶秤來驗證調控的結果形成反向反饋來調節PLC下發到給煤的頻率調節流量。預計2022年礦井投產后主要入洗本礦煤，同時仍兼顧入洗周邊煤礦原煤，由于外購原煤煤質波動比較大，為了穩定入洗原煤煤質與煤量，需通過入選前配煤實現自產煤與外購煤系統順延，保證系統原煤煤量、煤質穩定。為了實現配煤量、質穩定的目標，從數據統計、數據擬合、PID自動控制來等多學科技術引入，消除了升級改造項目的技術風險。

1 選前配煤及存在問題

1.1 入選前配煤

外購原煤根據煤質差異在儲煤場分堆儲存，現有混原煤方案為根據所采煤樣化驗結果對2～3種煤進行分儲。

原煤有8個受煤坑，坑底加裝有8臺給煤機，編號分別為123、124、125、126、127、128、129、130。現已對編號為123、125、127、129給煤機進行了升級改造加裝變頻器實現遠程、就地頻率控制。

主運洗301膠帶機頭加裝有301A電子膠帶秤，通過觀察膠帶帶煤情況、301A電子膠帶秤的計量結果，手動調節變頻器頻率實現不同坑煤的煤量傳輸進行配洗[11-13]。改造前入選工藝如圖1所示。

圖1 改造前入選工藝示意Fig.1 Schematic diagram of selected process before transformation

1.2 存在問題分析

(1)由于無在線檢測煤質儀器，僅通過人工化驗數據判斷煤質變化，存在1～2 h的滯后。

(2)301A膠帶秤距坑煤距離較遠反饋調節存在幾分鐘的滯后，入料發生改變時無法在第一時間發出指令進行系統調優。

(3)不同的坑煤流量與頻率并非單純的線性關系。

(4)人工經驗調整存在不確定性。經驗豐富的崗位操作工可以嫻熟地操控系統，但精神高度緊張長時間工作易疲勞。

1.3 系統需達到目標

(1)通過流量實驗確定煤流量與頻率的函數關系，發生偏差動態調整頻率，保證原煤流量及時控制。

(2)實現301主入洗膠帶混煤料級穩定及入洗量的自動調節。

(3)配煤過程中閉鎖邏輯由控制系統實現。

(4)評價指標：30 min的301主入洗膠帶煤量平均值與設定值的偏差在±7%。

2 技術方案

2.1 硬件升級

(1)增加3臺電子膠帶秤。稱重給料機將經過膠帶上的物料，通過稱重秤架下的稱重傳感器進行檢測質量，以確定膠帶上的物料質量；裝在尾部滾筒或旋轉設備上的數字式測速傳感器，連續測量給料速度，該速度傳感器的脈沖輸出正比于膠帶速度；速度信號與重量信號一起送入膠帶給料機控制器，產生并顯示累計量、瞬時流量。給料控制器將該流量與設定流量進行比較，由控制器輸出信號控制變頻器調速，實現定量給料的要求。可同上位PC機設定各種相關參數，并與PLC實現系統的自動控制。設備名稱及安裝位置見表1。

表1 設備名稱及安裝位置Tab.1 Equipment name and installation position

膠帶秤在安裝時應滿足以下空間位置要求：落煤不對電子膠帶秤產生擊打，增加底托防止膠帶跳動影響計量精度。膠帶秤受料段縱向中心應與料倉下料料流中心線重合，料流自然堆積應均勻分布在膠帶秤受料段中心線兩側，且按料流方向距受料段前后沿各保持5 cm的距離，料流堆積高度不漫料。下料嘴不得與膠帶接觸，下端距膠帶保留5 mm或是2～3倍正常物料直徑的距離。同時自然堆積的物料邊緣距膠帶邊緣兩側均不小于3 cm的距離，當采用裙邊膠帶時，物料自然堆積的斜面與裙邊的交線應低于裙邊上緣至少1 cm的距離。膠帶秤下方距主膠帶高度不低于300 mm，并安裝輸料溜槽保證料流均勻分布在主膠帶中心。膠帶秤安裝適應預留適當的維修維護空間，以便于后期作業。

改造后入選工藝如圖2所示。

圖2 改造后入選工藝示意Fig.2 Schematic of selected process after transformation

(2)TDS智能干選機可調取工藝參數。TDS智能干選機通過X射線和圖像識別技術，運用深度學習算法等先進技術，對煤和矸進行識別，實現了對塊煤的精準識別與分選。TDS智能干選機不用水、不產生煤泥、加工成本低、塊煤產率高。

2.2 主配煤邏輯

主配煤邏輯如圖3所示，主配煤配比計算邏輯如圖4所示，主配煤流量反饋如圖5所示。

圖3 主配煤邏輯Fig.3 Main coal blending logic

圖4 主配煤配比計算邏輯Fig.4 Calculation logic of main coal blending ratio

圖5 主配煤流量反饋Fig.5 Main coal blending flow feedback

顯示配煤任務的運行開始時間、運行情況(不同煤質的處理量)、已運行時長、調節次數、目標流量；膠帶秤流量曲線、總體啟、停控制；不同煤種的比例設定、總目標流量的設置；不同現場運輸流程單獨定義；報警記錄，顯示最后報警且未消警記錄；配煤記錄主要是給煤機的啟、?？刂?、頻率的調整記錄。

3 給煤機與流量函數關系

實驗過程中，震動給煤機每次調高1 Hz的變頻器頻率，運行1 min隨機記錄3次流量，流量為每小時取3次瞬時流量的平均值，并且通過累計運量進行流速驗證，取1 min流量均值得到的數據見表2。流量分布與擬合曲線如圖6所示。

表2 頻率與流量的關系Tab.2 Relationship between frequency and flow

圖6 流量分布與擬合曲線Fig.6 Flow distribution and fitting curve

通過以上數據擬合，得出煤流量與給煤機頻率的方程式：

Y=-0.000 232 5X3+0.022 49X2+9.54

4 均衡PID算法

PID算法是應用非常廣泛的控制算法，小到控制一個元件的溫度，大到控制無人機的飛行姿態和飛行速度等，都可以使用PID來控制。從原理上來講，PID(Proportion Integration Differentiation)其實就是指比例、積分、微分控制，每項前都有一個系數，公式呈離散化，很適合用編程來實現。在工程實踐中，如果要確定3個項的系數，需要進行大量的實驗，選取合適的系數，實現優良的控制器，PID調節器原理如圖7所示。

圖7 PID調節器原理Fig.7 PID regulator principle

4.1 可調整生產參數

(1)123、125、127、129給煤機的頻率、啟停。

(2)124、126、128、130給煤機的啟停。

4.2 調整邏輯

(1)設定131帶式輸送機輸送物料的瞬時量最大值為710 t/h(可配置)。

(2)設定301帶式輸送機輸送物料的瞬時量目標值為330～560 t/h(人工根據煤質變化配置)。

(3)根據原煤煤質數據(人工化驗)，設定131A膠帶秤的瞬時量目標值為Q1，131B膠帶秤的瞬時量目標值為Q2，Q1∶Q2的比例為m，此時理論計算的Q值應為目標Q值。

(4)301膠帶瞬時量的穩定區間為目標值Q±80 t/h(Q及80均可配置)，當目標帶煤量突破區間時，觸發調整邏輯。

(5)301膠帶瞬時量

(6)301膠帶瞬時量>Q+80 t/h時，Q1及Q2同比例降低，將301膠帶瞬時量穩定在Q±80 t/h范圍內。

(7)當Q1+Q2≥710 t/h時，Q1及Q2同比例降低，確保131膠帶的瞬時量最大值不超過710 t/h。

(8)統計30 min的301膠帶瞬時煤量平均值Q與設定值的偏差是否在±7%，如果超過了±7%，需優化PID參數及允許的瞬時量波動范圍。

(9)更換原煤后，需手動調整Q的目標值，此時m不變，Q1和Q2值自動跟隨Q調整，人工可手動調整配比m，匹配原煤的粒度組成。

5 結論

(1)通過簡易的設備升級改造，解決了入洗原煤流量的穩定，充分利用不同工藝保證入洗均衡。

(2)工藝前置生產條件有效監控，防止入洗波動造成壓料、積料、欠料，降低故障影響生產時長。

(3)入洗混料中尚欠缺對于粒級準確識別的系統，未細分0.25 mm以下脫泥分選比例、0.25～1.5 mm粗泥的分選比例以及磁選等工藝。主入洗給料過程將是后期精細化生產的重要環節，同時也是智能化升級改造不可或缺的工藝內容。