煤泥水系統(tǒng)智能控制技術研究

于大偉,王 杰,劉偉雄,張 毓,趙 爽,劉建勇

(1.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000;2.天津美騰科技股份有限公司,天津 300000)

0 引言

煤泥水系統(tǒng)是我國濕法選煤工藝系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié),也是選煤廠實現(xiàn)洗水閉路循環(huán)的必經(jīng)之路。煤泥水系統(tǒng)管理的優(yōu)劣直接體現(xiàn)選煤廠的管理水準。同時,煤泥水系統(tǒng)直接影響選煤廠洗選生產(chǎn)過程,也是選煤廠能否良好運轉(zhuǎn)的關鍵路徑。因此,煤泥水系統(tǒng)在濕法選煤工藝的選煤廠十分重要。在煤泥水系統(tǒng)中,添加助濾藥劑(絮凝劑和凝聚劑)可促進煤泥水中懸浮顆粒的快速沉降,以滿足選煤廠洗水閉路循環(huán)以及原煤處理量的要求。但煤泥水沉降過程影響因素眾多,包括入洗原煤性質(zhì)、洗水水質(zhì)、煤泥水濃度、濃縮機運行工況、壓濾機生產(chǎn)效率、濃縮藥劑配比等。這會導致藥劑添加機理復雜且難以建立數(shù)學模型。煤泥水系統(tǒng)生產(chǎn)過程存在的非線性、多變量、強耦合等特性給過程的運行優(yōu)化控制帶來了極大的挑戰(zhàn),制約了整個煤泥水處理過程的提質(zhì)增效。目前,選煤廠在煤泥水處理環(huán)節(jié)使用的加藥機和壓濾機基本為單機自動化設備,崗位人員需要在生產(chǎn)區(qū)域?qū)崟r巡檢觀察。這導致生產(chǎn)狀況不能及時反饋,從而制約生產(chǎn)效率[1]。在研究煤泥水處理過程的基礎上,建立濃縮壓濾優(yōu)化控制數(shù)學模型,制定前饋與反饋相結合的控制策略,對煤泥水處理過程的穩(wěn)定運行有著重要意義。

本文針對煤泥水系統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)中存在的問題,開展煤泥水系統(tǒng)智能控制技術研究。本文從加藥機自動啟停、自動配藥、自動加藥、煤泥水系統(tǒng)聯(lián)動控制、底流泵補料自動切換、壓濾機進料等多個方面進行了研究,實現(xiàn)了多工序整體協(xié)同輔助生產(chǎn)優(yōu)化,以及濃縮、加藥、壓濾全程聯(lián)控。

1 選煤廠煤泥水系統(tǒng)現(xiàn)狀

某選煤廠煤泥水系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 某選煤廠煤泥水系統(tǒng)工藝流程圖

現(xiàn)階段大多數(shù)選煤廠的濃縮加藥系統(tǒng),在煤泥水濃度監(jiān)測環(huán)節(jié)采用人工取樣進行濃度測定的方式。人工干預操作不具備實時性,且濃度結果會因人工取樣方式、試驗環(huán)境因素等影響而產(chǎn)生誤差,與實際濃度偏離較大。在加藥機啟停環(huán)節(jié),現(xiàn)場由一位崗位司機兼職管理。這增加了人工勞動強度。在加藥量調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),藥劑消耗未能精準控制,煤泥水濃度變化時加藥量不能隨之調(diào)整,煤泥沉降效果得不到保障,存在發(fā)生“壓耙子”等生產(chǎn)安全事故的可能。在濃縮池藥劑添加環(huán)節(jié),一般采用人工手動調(diào)節(jié)加藥比例閥的開度以控制加藥量。這種加藥方式并沒有實時關注濃縮機的沉降效果,易出現(xiàn)藥劑添加過量而造成藥劑浪費,或者藥劑添加過少導致濃縮機溢流濁度較大、循環(huán)水較渾濁等情況。

壓濾系統(tǒng)在壓濾機進料環(huán)節(jié),由崗位人員通過觀察壓濾機濾液水流量,如滴水不成線等,以人工判斷是否結束進料。在沒有進行人工干預的情況下,壓濾機可以根據(jù)設定的進料壓力上限自動結束。但是當濃縮機底流濃度及性質(zhì)發(fā)生變化時,崗位人員就需要及時對進料壓力上限設定值進行調(diào)整,否則會導致濾餅水分不達標或者過度壓濾的情況。在濃縮機底流泵補料環(huán)節(jié),濃縮機底流泵通常為一用一備。為防止備用底流泵長期不用而出現(xiàn)堵塞管路、備用泵閥門打不開等問題,崗位人員需定期輪換使用底流泵。在壓濾機卸料環(huán)節(jié),壓濾機未進行卸料臺數(shù)限制,卸料煤泥與主洗系統(tǒng)產(chǎn)品混合后易導致得到的精煤產(chǎn)品產(chǎn)量不均勻。在煤泥轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié),當本輪壓濾機全部卸料完成后,本輪卸料壓濾機進入進料狀態(tài)而下游轉(zhuǎn)載設備仍處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)時,崗位人員需及時通知調(diào)度人員停止下游設備。故整個過程對人工依賴性強。

2 煤泥水系統(tǒng)的智能化研究

2.1 系統(tǒng)設計

智能煤泥水系統(tǒng)技術架構如圖2所示。

圖2 智能煤泥水系統(tǒng)技術架構

智能化煤泥水系統(tǒng)通過在設備上添加傳感器、數(shù)據(jù)采集器等進行物聯(lián)網(wǎng)化連接,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)標準化,從而打通數(shù)據(jù)、避免數(shù)據(jù)孤島。該系統(tǒng)由智能加藥和智能壓濾兩個系統(tǒng)組成。智能加藥系統(tǒng)包括煤泥水濃度在線監(jiān)測、加藥機自動啟停、加藥量自動調(diào)節(jié),以及加藥量自動添加功能邏輯。智能壓濾系統(tǒng)包括自動補料、自動結束進料、排隊卸料、自動停止下游設備,以及煤泥水系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)節(jié)功能邏輯。同時,智能化煤泥水系統(tǒng)通過構建網(wǎng)絡協(xié)同中心與數(shù)據(jù)中心,在支持智能煤泥水系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的同時,實現(xiàn)絮凝劑和凝聚劑藥劑消耗量精準管控,以優(yōu)化生產(chǎn)工藝、輔助生產(chǎn)管理[2-3]。

2.2 系統(tǒng)組成

智能化煤泥水系統(tǒng)配置獨立的煤泥水智能化后臺控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)與選煤廠現(xiàn)有工控系統(tǒng)之間通過用于過程控制的對象連接與嵌入統(tǒng)一體系結構(object linking and embedding for process control unified architecture,OPC UA)、基于以太網(wǎng)的傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol,TCP)兩種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進行相關設備狀態(tài)的獲取和命令下發(fā)。該控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)存儲中心等其他系統(tǒng)之間通過超文本傳輸協(xié)議(hyper text transfer protocol,HTTP)進行數(shù)據(jù)傳遞。同時,智能化煤泥水系統(tǒng)開啟流量控制等保護措施,以減少數(shù)據(jù)交換對系統(tǒng)的干擾,并通過數(shù)據(jù)庫同步進行數(shù)據(jù)交換。智能化煤泥水系統(tǒng)配置智能邊緣數(shù)據(jù)站,用于對工業(yè)數(shù)據(jù)進行采集和對協(xié)議進行標準化,兼容可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)、Modbus協(xié)議等,能在客戶端應用程序、工業(yè)設備和系統(tǒng)之間實現(xiàn)精確通信和快速設置[4]。

煤泥水智能化后臺控制系統(tǒng)邊界定義如圖3所示。

圖3 煤泥水智能化后臺控制系統(tǒng)邊界定義圖

3 控制過程的設計及實施

在系統(tǒng)控制過程中,通過搭建煤泥水智能化后臺控制系統(tǒng),針對煤泥水處理實際工藝環(huán)節(jié),系統(tǒng)在關鍵環(huán)節(jié)和控制層面進行了狀態(tài)獲取和控制切入,最終實現(xiàn)了煤泥水系統(tǒng)的智能化應用。

3.1 煤泥水濃度在線監(jiān)測

系統(tǒng)在原有硬件基礎上,在濃縮機上增設了污泥界面儀和清水濁度計,對濃縮機的澄清層高度和清水濁度進行實時監(jiān)測。濃縮機同時在入料緩沖池的入料管路上增設電磁流量計和入料濃度計,對濃縮池煤泥水沉降情況進行檢測,對澄清層高度、清水濁度等關鍵指標進行測量,并將監(jiān)測數(shù)值傳送至智能煤泥水系統(tǒng)。崗位人員在移動端可觀察到濃縮池入料煤泥水濃度、入料流量、澄清層高度等實時數(shù)據(jù)變化。這便于崗位人員實時觀察濃縮機狀態(tài)并作出相應調(diào)控,以避免壓耙事故產(chǎn)生[5]。

煤泥水濃度在線監(jiān)測儀表安裝位置如圖4所示。

圖4 煤泥水濃度在線監(jiān)測儀表安裝位置

3.2 加藥機自動啟停

本文通過系統(tǒng)入洗煤量、濃縮機入料濃度、濃縮機澄清層厚度以及清水層濁度等判斷濃縮機煤泥水沉降情況,并以濃縮機煤泥水沉降情況作為加藥機啟?？刂婆袛嗟奶卣鲄?shù)值。若選煤廠當前只有一臺濃縮機處于運行狀態(tài),則可根據(jù)當前投入使用的濃縮機的特征參數(shù)進行加藥機啟?？刂?。如果多臺濃縮機都為投用狀態(tài),則任意一臺濃縮機的參數(shù)滿足條件即可實現(xiàn)加藥機自動啟?？刂?。

加藥機自動啟?？刂七壿嬋鐖D5所示。

圖5 加藥機自動啟?？刂七壿?/p>

3.3 加藥量自動調(diào)節(jié)

通過在濃縮機入料管路上安裝入料濃度計及流量計,可實時監(jiān)測濃縮機入料煤泥量大小。根據(jù)不同煤泥量區(qū)間對應干粉加藥量需求,本文采用梯度調(diào)節(jié)法確定絮凝劑干粉添加量,以實現(xiàn)絮凝劑藥劑濃度自動配置。本文根據(jù)絮凝劑實際配藥量,以及沉降試驗或歷史加藥經(jīng)驗獲取的絮凝劑和凝聚劑配比系數(shù),確定凝聚劑干藥粉添加量,以自動調(diào)節(jié)凝聚劑加藥機配藥濃度,實現(xiàn)凝聚劑藥劑濃度自動配置[6]。加藥量自動調(diào)節(jié)控制邏輯如圖6所示。

圖6 加藥量自動調(diào)節(jié)控制邏輯

3.4 加藥量自動添加

加藥量自動添加控制邏輯如圖7所示。

圖7 加藥量自動添加控制邏輯

本文通過監(jiān)測濃縮機煤泥層厚度、溢流水濁度、煤泥水電導率值,實時反饋濃縮機沉降情況。本文對藥劑配置濃度、濃縮機入料濃度、入料流量、原煤入洗量進行絮凝劑加藥量前饋調(diào)節(jié),并根據(jù)濃縮機實時煤泥層厚度、溢流水濁度與目標值的差值進行絮凝劑加藥量反饋調(diào)節(jié),從而自動調(diào)節(jié)絮凝劑加藥泵頻率。同時,本文根據(jù)入料煤泥水中的電性強弱預判煤泥水的電導率值,并根據(jù)實時電導率與目標電導率的差值,自動調(diào)節(jié)凝聚劑加藥泵頻率。加藥量自動添加控制邏輯有效降低了藥劑消耗量,實現(xiàn)了加藥量的精準調(diào)控。

3.5 底流泵自動輪換補料

濃縮機作為壓濾系統(tǒng)的上游工藝環(huán)節(jié),按需給壓濾系統(tǒng)供料。大多數(shù)選煤廠底流泵切換由人工手動操作完成?；诖?本文進行底流泵自動輪換補料技術研究。首先,實時監(jiān)測濃縮機扭矩值及壓濾機進料時長以反饋濃縮機底流濃度,并選擇底流泵最佳啟動時機。其次,通過監(jiān)測各壓濾機入料桶液位,并在移動終端進行狀態(tài)切換、參數(shù)設定以及補料模式選擇,實現(xiàn)底流泵自動開啟及停止補料的控制邏輯。最后,設定底流泵輪換使用周期,并根據(jù)設定的時間周期自動切換備用泵,以避免備用泵長期不用而出現(xiàn)的異常情況,以及投用泵出現(xiàn)故障后不能及時切換造成的生產(chǎn)事故[7]。底流泵自動輪換補料控制邏輯如圖8所示。

圖8 底流泵自動輪換補料控制邏輯

3.6 自動結束進料

壓濾機作為單機自動化設備,其生產(chǎn)方式分為手動和自動兩種模式。在壓濾機自動模式下,崗位人員通過觀察濾液水的滴水不成線而人為判斷進料結束,或是在壓濾機達到進料壓力上限時自動結束進料。過程中,崗位人員需要及時巡視壓濾機進料狀態(tài)?；诖?本文設計了壓濾機自動結束進料控制邏輯。該控制邏輯通過監(jiān)測壓濾機進料時長和濾液水流量,結合壓濾機進料結束控制算法判斷壓濾機是否達到進料結束狀態(tài),從而實現(xiàn)壓濾機自動進料結束[8]。壓濾機自動結束進料控制邏輯如圖9所示。

圖9 壓濾機自動結束進料控制邏輯

3.7 排隊卸料

自動排隊卸料控制通過在移動端設定允許卸料臺數(shù),并實時監(jiān)測壓濾機當前進程及下游設備運行狀態(tài),以后臺排隊卸料邏輯判斷算法實現(xiàn)壓濾機統(tǒng)籌排隊卸料。壓濾機自動排隊卸料控制邏輯如圖10所示。

圖10 壓濾機自動排隊卸料控制邏輯

3.8 自動停止下游設備

自動停止壓濾機下游設備控制通過在移動端設定壓濾機進料結束時長和下游設備無料停止延時時間,結合壓濾機工作進程、進料時長等實時參數(shù)及狀態(tài),經(jīng)過后臺邏輯算法自動停止下游設備控制算法,實現(xiàn)壓濾機下游轉(zhuǎn)載設備自動停止。這可以避免下游設備空轉(zhuǎn)引起的能耗及生產(chǎn)成本的增加。自動停止壓濾機下游設備控制邏輯如圖11所示。

圖11 自動停止壓濾機下游設備控制邏輯

3.9 煤泥水系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)節(jié)

煤泥水系統(tǒng)聯(lián)動控制邏輯如圖12所示。

圖12 煤泥水系統(tǒng)聯(lián)動控制邏輯

煤泥水系統(tǒng)有時會出現(xiàn)底流濃度較低、壓濾系統(tǒng)運行效率較低的問題。一般情況下,崗位人員會延遲濃縮機向壓濾系統(tǒng)補料的時間。基于此,本文設計了煤泥水系統(tǒng)聯(lián)動控制邏輯。該邏輯以濃縮機煤泥層厚度、溢流水濁度、耙架在下限位時的濃縮機扭矩以及壓濾機進料時長為特征參數(shù),采用特征加權法對特征參數(shù)的實時值與設定值的比值進行加權計算,并根據(jù)所得加權計算值自動判斷當前濃縮機的工作負荷。若濃縮機工作負荷較高,則暫停濃縮機底流泵補料過程、下游壓濾系統(tǒng)進料和卸料工作進程。當濃縮機工作負荷恢復正常后,再繼續(xù)上述進程[9]。該邏輯實現(xiàn)了影響濃縮池沉淀過程的多參數(shù)聯(lián)動邏輯運算,均衡了濃縮機工作負荷,穩(wěn)定了煤泥水沉降效果,提高了壓濾生產(chǎn)效率。

4 效益分析

傳統(tǒng)煤泥水處理的某些核心工藝通常依靠人工經(jīng)驗完成。由于選煤廠的生產(chǎn)環(huán)境惡劣等原因,年輕的技術工人越來越少,選煤廠的生產(chǎn)穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)。市場急需沉淀并共享行業(yè)知識。通過提高選煤廠的智能化水平可解決這個難題。智能化煤泥水系統(tǒng)將新一代信息技術與傳統(tǒng)煤炭行業(yè)洗選工藝結合,形成行業(yè)機理模型庫,優(yōu)化生產(chǎn)工藝,輔助生產(chǎn)管理;實現(xiàn)加藥智能控制,降低藥劑消耗量;實現(xiàn)自動化壓濾過程控制,減少人工作業(yè),實現(xiàn)全自動化作業(yè);通過濃縮、加藥、壓濾聯(lián)動控制,提高壓濾機工作效率,實現(xiàn)壓濾機入料濃度穩(wěn)定,解決壓濾系統(tǒng)運行效率低等問題;保障洗水閉路循環(huán)質(zhì)量,提高精煤產(chǎn)率,保證精煤產(chǎn)品產(chǎn)量均勻;減少巡視崗位工作量,降低勞動強度。

選煤廠智能煤泥水系統(tǒng)實施前、調(diào)試階段,以及正式使用階段的藥劑消耗對比如表1所示。

表1 藥劑消耗對比表

由表1可知,系統(tǒng)實施前,絮凝劑和凝聚劑噸煤消耗量均較大;系統(tǒng)進入調(diào)試階段后,絮凝劑和凝聚劑噸煤消耗量有所降低;系統(tǒng)正式投用后,絮凝劑和凝聚劑噸煤消耗量呈顯著下降趨勢。使用結果表明,采用智能煤泥水系統(tǒng)進行藥劑流量自動調(diào)節(jié)及濃度配置,不僅可以節(jié)省人力成本,還可以顯著降低藥劑消耗量、節(jié)約藥劑成本。

智能煤泥水系統(tǒng)應用前,壓濾機每日平均工作時長16 h,日平均壓濾板數(shù)285板。系統(tǒng)應用后,壓濾機每日平均工作時長仍是16 h,但日平均壓濾板數(shù)達到320板。相比應用前,壓濾板數(shù)提高12%。對比結果表明,智能煤泥水系統(tǒng)的使用大大提高了壓濾生產(chǎn)效率。

煤泥水系統(tǒng)根據(jù)煤泥沉降情況建立濃縮壓濾數(shù)學模型,實現(xiàn)煤泥水在濃縮機中的合理沉降。同時,該系統(tǒng)利用煤泥水在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的自學習功能,實現(xiàn)濃縮壓濾生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能控制[10-11]。該系統(tǒng)的應用將對環(huán)境保護、水資源高效利用、減少濃縮藥劑消耗等發(fā)揮積極作用。

5 結論

針對選煤廠煤泥水處理環(huán)節(jié)大多依靠人工經(jīng)驗、藥劑添加量不能精準控制、系統(tǒng)生產(chǎn)效率低等問題,本文進行了選煤廠煤泥水系統(tǒng)的智能化升級改造。升級改造內(nèi)容包括:對多項煤泥水系統(tǒng)關鍵參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集,并結合數(shù)學建模與大數(shù)據(jù)分析,將歷史數(shù)據(jù)作為模型的輸入進行訓練,實現(xiàn)了加藥機自動啟停、加藥量自動調(diào)節(jié)及添加、底流泵自動輪換補料、自動結束進料、煤泥水系統(tǒng)聯(lián)動控制等功能,以及濃縮、加藥、壓濾多系統(tǒng)的聯(lián)動控制及統(tǒng)籌管理。煤泥水系統(tǒng)智能控制技術減少了人工操作給生產(chǎn)帶來的不穩(wěn)定因素,保證了煤泥水沉降效果,降低了藥劑消耗,提高了煤泥水系統(tǒng)生產(chǎn)效率。