智能壓濾系統(tǒng)在新巨龍選煤廠的改造實(shí)踐

王 齊 張 鵬 潘 立

（山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274000）

煤泥水處理環(huán)節(jié)是制約濕法選煤的一大難題[1-3]，目前新巨龍選煤廠煤泥水處理過程中使用加藥機(jī)、濃縮機(jī)、壓濾機(jī)等單機(jī)自動化設(shè)備作為主要處理設(shè)備，崗位人員在生產(chǎn)區(qū)域不定期巡察濃縮池溢流及壓濾濾液情況，無法實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)狀況，生產(chǎn)效率低下。

為改善新巨龍公司選煤廠（以下簡稱新巨龍）壓濾現(xiàn)狀，開展智能壓濾系統(tǒng)在新巨龍的應(yīng)用研究與改造實(shí)踐。

1 壓濾系統(tǒng)概況

新巨龍作為煉焦煤選煤廠，采用動篩/TDS 預(yù)排矸+原煤預(yù)先脫泥+有壓兩產(chǎn)品重介旋流器主選+有壓三產(chǎn)品重介旋流器再選+粗煤泥TCS 分選+細(xì)煤泥浮選+尾煤濃縮壓濾的聯(lián)合洗選工藝，分選環(huán)節(jié)多，重介部分為有壓工藝，破碎及次生煤泥較多，加之原生煤泥較高，導(dǎo)致最終煤泥處理量大。

當(dāng)前新巨龍尾煤壓濾系統(tǒng)工藝情況大致如下：正常生產(chǎn)期間使用2 臺濃縮機(jī)作為尾煤濃縮用（備用1 臺），每臺濃縮機(jī)配備1 臺底流泵（無熱備），底流泵出料管路匯總后進(jìn)入尾煤壓濾車間，壓濾車間內(nèi)共有6 臺壓濾機(jī)入料桶，桶上均有入料閥門。

目前每個(gè)壓濾機(jī)入料桶均配置有2 臺入料泵，每臺壓濾機(jī)入料泵對應(yīng)一臺壓濾機(jī)與一臺收集刮板。當(dāng)前在用的6 臺壓濾機(jī)除8054 壓濾機(jī)外均由同一條皮帶收集轉(zhuǎn)載。系統(tǒng)設(shè)備流程關(guān)系圖如圖1。

圖1 新巨龍尾煤壓濾系統(tǒng)設(shè)備流程

當(dāng)前新巨龍尾煤壓濾系統(tǒng)使用情況如下：

1）壓濾進(jìn)料結(jié)束由人工判斷，常見的判斷標(biāo)準(zhǔn)為濾液水排出時(shí)的滴水不成線現(xiàn)象。

2）在煤泥轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)，當(dāng)本輪壓濾機(jī)全部卸料完成后，本輪卸料壓濾機(jī)進(jìn)入進(jìn)料狀態(tài)而下游轉(zhuǎn)載設(shè)備仍處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，崗位人員需及時(shí)通知調(diào)度人員停止下游設(shè)備，其人工依賴性強(qiáng)。

3）由于設(shè)備陳舊，壓濾機(jī)無法實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動化，人工巡視操作6 臺壓濾機(jī)，勞動強(qiáng)度大，且易出現(xiàn)多臺壓濾機(jī)同時(shí)達(dá)到卸料條件，但只能單臺卸料，增加了壓濾的整體周期長度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提升尾煤壓濾效率，改變長期人工操作、信息流轉(zhuǎn)不暢的情況，結(jié)合新巨龍實(shí)際，設(shè)計(jì)并開發(fā)了智能壓濾系統(tǒng)[4-6]。

系統(tǒng)架構(gòu)上，新巨龍采用IFIX5.8 原有集控平臺作為上位監(jiān)控，采用原有GE PACSystems RX3i型號CPU 作為數(shù)據(jù)采集中樞。通過原有CPU 采集壓濾機(jī)工作狀態(tài)、上游底流泵-閥門-入料桶液位狀態(tài)及下游刮板-轉(zhuǎn)載皮帶工作狀態(tài)，上位程序修改后，按照既定邏輯控制壓濾機(jī)等設(shè)備，組成完整的智能壓濾系統(tǒng)。智能壓濾系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)如圖1。

2.1 自動補(bǔ)料邏輯設(shè)計(jì)

壓濾機(jī)作為單機(jī)自動化設(shè)備，前序濃縮底流來料、管道閥門切換、入料緩沖攪拌、入料泵開啟為外圍條件，未納入單機(jī)自動化執(zhí)行范疇。若要實(shí)現(xiàn)智能壓濾，需將前序入料環(huán)節(jié)與壓濾自動控制形成有機(jī)結(jié)合[7]。

由于新巨龍選煤廠尾煤濃縮池為2 臺常開，1臺檢修備用，且尾煤濃縮池與中煤濃縮池存在輪換檢修要求，因此尾煤濃縮池底流外排管道與壓濾機(jī)入料緩沖桶無固定對應(yīng)關(guān)系，僅靠人工手動控制閥門切換完成入料緩沖桶來料切換。此外，入料緩沖桶上原液位計(jì)測量精度較差且液位與壓濾機(jī)入料泵無閉鎖關(guān)系，存在緩沖桶抽空與冒桶風(fēng)險(xiǎn)?；谝陨锨闆r，設(shè)計(jì)自動補(bǔ)料邏輯如下：

1）緩沖桶自動補(bǔ)料

定義緩沖桶的極限高/低液位、安全高/低液位，當(dāng)緩沖桶液位處于安全高-低液位之間，尾煤濃縮池底流泵不開啟；當(dāng)緩沖桶液位處于安全低-極限低液位時(shí)，尾煤濃縮池底流泵開啟進(jìn)行補(bǔ)料，直至液位超過安全高液位，底流泵關(guān)閉，補(bǔ)料結(jié)束。

2）管路閥門切換

將濃縮池底流泵、管路閥門、入料緩沖桶進(jìn)行分類綁定，同時(shí)設(shè)計(jì)濃縮池啟用選擇功能，作為智能壓濾的初始化條件，避免因檢修等環(huán)節(jié)引起的濃縮池切換，但邏輯無法更改。

3）緩沖桶自動排料

現(xiàn)場單臺緩沖桶具備2 臺排料泵，可同時(shí)供2臺壓濾機(jī)入料，且具備對應(yīng)關(guān)系，緩沖桶排料的啟動需聯(lián)動壓濾機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與工作進(jìn)程。當(dāng)壓濾機(jī)無故障，且處于入料進(jìn)程時(shí)，對應(yīng)緩沖桶的排料泵開啟，進(jìn)行排料，當(dāng)壓濾機(jī)工作進(jìn)程為進(jìn)料結(jié)束，緩沖桶排料泵關(guān)閉。

2.2 進(jìn)料結(jié)束條件設(shè)計(jì)

新巨龍尾煤壓濾機(jī)為三次取拉板型板框壓濾機(jī)，入料壓榨過程即為整體脫水過程，脫水完成時(shí)刻即可定義為壓濾機(jī)入料結(jié)束時(shí)刻，只需檢測壓濾機(jī)的脫水狀態(tài)變化，并判斷是否脫水完成，即可實(shí)現(xiàn)壓濾機(jī)入料結(jié)束時(shí)機(jī)判斷。

煤泥壓榨過程中，濾液水的狀態(tài)變化可直接反映壓濾進(jìn)程中煤泥壓榨的變化。通常在一個(gè)壓濾周期內(nèi)，濾液水遵循清澈（清水）-渾濁（摻雜細(xì)泥）-再次清澈（清水）的變化，分別代表入料初期-入料中期-入料結(jié)束三個(gè)階段。同時(shí)，濾液水的流量也遵循少量（清水）-大量（摻雜細(xì)泥）-再次少量直至滴水不成線（清水）的基本規(guī)律，同樣也可代表入料初期-入料中期-入料結(jié)束三個(gè)階段[8-9]。選煤廠人工判斷進(jìn)料結(jié)束基本依賴以上2 種基本規(guī)律，本次新巨龍智能壓濾改造，也采取同樣的策略。

結(jié)合上述基本規(guī)律，新巨龍智能壓濾改造選取濾液水流量作為壓濾機(jī)結(jié)束進(jìn)料時(shí)機(jī)（完成脫水過程）的主要參考指標(biāo)，通過設(shè)定合理的濾液水流量范圍，同時(shí)輔以壓濾機(jī)工作進(jìn)程監(jiān)測，作為尾煤壓濾機(jī)結(jié)束進(jìn)料時(shí)機(jī)的主要判斷條件。此外，為了增強(qiáng)智能壓濾環(huán)節(jié)的可靠性，結(jié)合大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)及人工經(jīng)驗(yàn)，以壓濾入料進(jìn)程的常用時(shí)間作為輔助判斷依據(jù)。具體控制邏輯如圖2。

圖2 壓濾機(jī)進(jìn)料結(jié)束判斷邏輯

1）歷史進(jìn)料結(jié)束流量/獲取

因壓濾機(jī)進(jìn)料結(jié)束后存在卸料等待情況，故壓濾機(jī)結(jié)束入料后的松開進(jìn)程無法作為進(jìn)料結(jié)束判斷依據(jù)。因此采集事先安裝的濾液水流量檢測裝置與壓濾機(jī)手動操作進(jìn)程數(shù)據(jù)，截取入料泵開啟至入料泵關(guān)閉的時(shí)間內(nèi)的流量數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù)（無小-大-小變化的數(shù)據(jù)）后，總結(jié)流量值由大變小后的斜率近似0 部分流量上限，多組數(shù)據(jù)取平均后，得到歷史進(jìn)料結(jié)束流量。

2）歷史進(jìn)料結(jié)束時(shí)長

采集壓濾機(jī)手動操作進(jìn)程數(shù)據(jù)，收集入料泵開啟至關(guān)閉的歷史時(shí)刻，剔除異常數(shù)據(jù)（過短/過長的時(shí)間）后，取平均值，得到歷史進(jìn)料結(jié)束時(shí)長。

3）濾液水流量與進(jìn)料時(shí)長綜合判斷

濾液水流量與壓濾機(jī)進(jìn)料時(shí)長共同判斷，二者均達(dá)成時(shí)系統(tǒng)判斷壓濾機(jī)可停止入料，并與入料泵連鎖，同步關(guān)閉入料泵，否則壓濾機(jī)繼續(xù)入料。

2.3 排隊(duì)卸料設(shè)計(jì)

新巨龍尾煤壓濾車間較寬，可容納10 臺壓濾機(jī)工作，車間左右各分布5 臺，壓濾機(jī)下游經(jīng)刮板收集后，分別經(jīng)左/右2 條轉(zhuǎn)載皮帶運(yùn)輸至煤泥大棚落地皮帶，2 條轉(zhuǎn)載皮帶的前序壓濾機(jī)需分別考慮排隊(duì)卸料邏輯[10]。

自動排隊(duì)卸料控制通過在上位側(cè)設(shè)定參與排隊(duì)卸料邏輯的壓濾機(jī)臺數(shù)，并根據(jù)壓濾機(jī)進(jìn)程和下游刮板/轉(zhuǎn)載皮帶工作狀態(tài)，經(jīng)過上位側(cè)排隊(duì)卸料邏輯計(jì)算實(shí)現(xiàn)壓濾機(jī)的統(tǒng)籌卸料。新巨龍自動排隊(duì)卸料邏輯如圖3。

圖3 壓濾機(jī)排隊(duì)卸料控制邏輯

1）根據(jù)實(shí)際情況，將壓濾機(jī)與對應(yīng)的轉(zhuǎn)載皮帶進(jìn)行綁定，并做A/B 分組，壓濾卸料邏輯可單獨(dú)應(yīng)用于A/B 組壓濾機(jī)，整體遵循先進(jìn)先卸原則。

2）由于A/B 皮帶最終匯總至煤泥落地皮帶，因此提供壓濾機(jī)使用臺數(shù)選擇，若只開A/B 其中一組壓濾機(jī)，卸料邏輯只開一側(cè)即可；若A/B 兩組壓濾機(jī)同時(shí)使用，則A/B 組邏輯需遵循左右均衡，避免出現(xiàn)一側(cè)配套設(shè)備（入料泵、刮板機(jī)、皮帶等）過度磨損現(xiàn)象。

2.4 下游設(shè)備控制設(shè)計(jì)

為了降低下游設(shè)備因空轉(zhuǎn)導(dǎo)致的高能耗，根據(jù)新巨龍尾煤壓濾實(shí)際情況設(shè)計(jì)了壓濾下游設(shè)備控制邏輯如圖4。通過在上位側(cè)預(yù)設(shè)壓濾進(jìn)料時(shí)長和下游設(shè)備停車延遲時(shí)長，結(jié)合壓濾進(jìn)程監(jiān)測判斷下游設(shè)備的啟停時(shí)間，實(shí)現(xiàn)壓濾下游設(shè)備的自動啟停[11]。

圖4 壓濾下游設(shè)備控制邏輯

1）當(dāng)至少一臺壓濾機(jī)即將滿足卸料條件時(shí)，檢測對應(yīng)的下游刮板/皮帶故障情況，若具備啟車條件則進(jìn)行啟車，若不具備啟車條件則報(bào)警提醒。

2）根據(jù)壓濾機(jī)入料結(jié)束時(shí)長設(shè)定值，判斷一段時(shí)間內(nèi)，A/B 組無卸料計(jì)劃，則將對應(yīng)的下游設(shè)備關(guān)閉。

3 系統(tǒng)實(shí)施

3.1 基礎(chǔ)改造

智能化系統(tǒng)的效果往往依賴基礎(chǔ)硬件設(shè)施的工作狀態(tài)，在脫離硬件設(shè)備的可靠性時(shí)，智能化的設(shè)計(jì)就是無根浮萍。因此，結(jié)合新巨龍現(xiàn)場實(shí)際，對原壓濾相關(guān)設(shè)備做了如下改造。

1）閥門遠(yuǎn)程控制

由于新巨龍選煤廠此前對煤泥水處理系統(tǒng)進(jìn)行了深度改造，煤泥水處理工藝較為復(fù)雜，且管道走向較為靈活，工藝變化或濃縮池輪換檢修時(shí)需通過就地開/關(guān)管路閥門以實(shí)現(xiàn)煤泥水走向切換。根據(jù)管路閥門切換設(shè)計(jì)，對新巨龍尾煤濃縮池底流外排管道上閥門的就地控制箱進(jìn)行了改造：① 更換原閥門就地控制按鈕箱，并于按鈕箱上新增就地/遠(yuǎn)程切換旋鈕；② 于閥體新增接近開關(guān)兩個(gè)，用于檢測閥門開、關(guān)到位信號，并將接近開關(guān)輸出信號引入新增按鈕箱；③ 同步，閥門開閉控制信號與到位信號以硬接線方式接入壓濾車間PLC 分站；④ 依照前序閥門自動切換設(shè)計(jì)進(jìn)行PLC 閉鎖邏輯編寫，實(shí)現(xiàn)不同壓濾機(jī)、濃縮機(jī)啟用后，閥門自動開啟、煤泥水走向自動切換的工藝閉鎖。

2）濃縮池底流泵遠(yuǎn)程控制

新巨龍濃縮池底流泵此前僅有就地控制按鈕箱，且在底流泵附近和壓濾車間均可實(shí)現(xiàn)就地控制，壓濾機(jī)入料緩沖桶原液位計(jì)已無法使用。為了實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)料功能，進(jìn)行了如下改造：

① 對原濃縮池底流泵就地控制箱進(jìn)行改造，新增就地/遠(yuǎn)程切換旋鈕，并引出底流泵開/閉控制信號接入壓濾車間PLC 分站；② 更換壓濾機(jī)入料緩沖桶上原有靜壓式液位計(jì)，液位信號一并接入壓濾車間PLC 分站；③ 增高入料緩沖桶上沿高度與溢流口高度，對入料緩沖桶進(jìn)行擴(kuò)容；④ 依照前序緩沖桶自動補(bǔ)料設(shè)計(jì)進(jìn)行PLC 閉鎖邏輯編寫，實(shí)現(xiàn)根據(jù)壓濾機(jī)入料緩沖桶液位自動控制底流泵開啟效果。

3）新增濾液水流量計(jì)

于尾煤壓濾機(jī)一側(cè)濾液水槽中間處下方開孔，并焊接DN50 不銹鋼管路作為排液支管引出濾液水；支管引出后，下方焊接DN50 橫管，略有坡度，橫管兩端安裝盲板；于橫管中間位置安裝DN50 電磁流量計(jì)，并將電磁流量計(jì)模擬量信號引入壓濾車間PLC 分站；參照前序壓濾機(jī)入料結(jié)束條件或?yàn)V液水流量歷史數(shù)據(jù)，取對應(yīng)的歷史進(jìn)料結(jié)束流量值作為流量閾值，于PLC 中設(shè)置閾值比較，當(dāng)流量值小于閾值時(shí)，PLC 給出壓濾結(jié)束進(jìn)料信號；為保證流量計(jì)始終為滿管測量，在電磁流量計(jì)之后的支管上做垂直支管焊接，垂直支管再接橫管后進(jìn)入壓濾車間濾液水匯總管道，整體無濾液水外溢。

4）濾液水槽外移

新巨龍尾煤濾餅粘性大，在壓濾機(jī)處于拉板進(jìn)程時(shí)，部分濾餅為非垂直下落。濾餅處于傾斜下落狀態(tài)時(shí)，濾餅邊緣會與濾液水槽碰觸，濾液水槽上邊沿會對濾餅施加切割作用，導(dǎo)致濾餅上有小塊（偶見大塊，尺寸可達(dá)200 mm 以上）脫落至水槽中，若清理不及時(shí)，小塊濾餅將在水槽內(nèi)形成堆積。此外，濾液水近似無壓水流，水槽內(nèi)堆積濾餅，濾液水無法順利進(jìn)入下水孔。為避免濾液水槽內(nèi)濾餅堆積，將濾液水槽向遠(yuǎn)離壓濾機(jī)方向平移10 cm 左右，同時(shí)更換合適長度的濾液水嘴，保證濾液水正常進(jìn)入濾液水槽。

5）濾板把手更換

新巨龍尾煤壓濾車間原有A、B 兩種品牌壓濾機(jī)，后A 品牌壓濾機(jī)逐漸棄用，僅使用B 品牌壓濾機(jī)。壓濾機(jī)日常維護(hù)更換濾板時(shí)，存在A、B 兩種濾板混用情況，但兩種品牌濾板規(guī)格不一致，把手位置也不一致，部分濾板在取、拉板過程中存在跳動現(xiàn)象。該現(xiàn)象會引起濾板兩側(cè)行程差異，進(jìn)而引發(fā)濾餅傾斜，導(dǎo)致濾餅脫落困難，且加劇濾液水槽中小塊掉落現(xiàn)場?；诖?，將A 品牌濾板把手進(jìn)行統(tǒng)一更換，并重新定位把手位置，實(shí)現(xiàn)拉板過程濾板左右兩側(cè)行程一致。

6）拉板鏈條及滾輪更換

新巨龍尾煤壓濾機(jī)自投產(chǎn)以來未做大型升級，部分鏈條由于環(huán)境潮濕、附著煤泥導(dǎo)致鏈條存在生銹、固化現(xiàn)象。鏈條伸展時(shí)形態(tài)不一，也會導(dǎo)致濾板兩側(cè)行程差異引起拉板傾斜，故將原拉板鏈條取出，全部換新，以保證濾板間隙一致。此外，壓濾機(jī)首板滾輪軸承損壞，也會破壞濾板兩側(cè)進(jìn)程一致性，故對原壓濾機(jī)首板滾輪進(jìn)行修復(fù)或更換，進(jìn)一步保證拉板過程中濾板兩側(cè)行程的一致性，保證多數(shù)濾餅為垂直脫落。

3.2 電控設(shè)施改造

新巨龍目前在用的尾煤壓濾機(jī)多數(shù)為B 品牌2007 年生產(chǎn)設(shè)備，其CPU 選用為GE 品牌Versamax 型號，該型號僅有一路串行通信接口且已用于壓濾機(jī)觸摸屏通信，無法與選煤廠集控系統(tǒng)用GE PLC RX3i 實(shí)現(xiàn)通信。

為將壓濾機(jī)接入集控系統(tǒng)統(tǒng)一管理，將原有壓濾機(jī)小型CPU 升級為IC200CPUE05 型號并更換電源為IC200PWR102 電源模塊，采用GE 自有EGD通信協(xié)議通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)壓濾機(jī)與廠內(nèi)主控CPU 的通信。另外，新增IC695 系列模擬量輸入模塊與數(shù)字量輸入輸出模塊，將壓濾機(jī)入料桶液位信號、濾液水流量信號、濃縮機(jī)底流泵與閥門的控制點(diǎn)位接入集控系統(tǒng)。

3.3 上位程序編寫

新巨龍?jiān)蠭Fix 5.8單機(jī)版上位監(jiān)控軟件兩套，在原有界面上重新設(shè)計(jì)壓濾頁面，按照前序智能壓濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案重新編寫PLC 程序與上位監(jiān)控程序。此外，在壓濾車間增加上位分站一套，通過IFix 5.8 軟件的授權(quán)功能，壓濾區(qū)域崗位人員僅可查看與操作壓濾上下游相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了壓濾區(qū)域內(nèi)的集中監(jiān)測與控制。

4 效果分析

新巨龍智能壓濾系統(tǒng)自2022 年5 月開始研究，到2022 年10 月正式開始投用，目前壓濾系統(tǒng)使用近3 個(gè)月。

智能壓濾系統(tǒng)的實(shí)施極大程度上降低了崗位人員勞動強(qiáng)度，崗位人員可在區(qū)域控制上位處完成整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控與操作。在系統(tǒng)原煤入選量一致的情況下，單板壓濾周期從約2.8 h 降低至2.3 h，單板壓濾周期縮短約18%，有效地降低了壓濾系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)長，效果明顯。具體如圖5。

圖5 單板壓濾周期統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

選煤廠智能壓濾改造完成后，結(jié)束了新巨龍選煤廠依靠人工判斷濾餅是否注干、設(shè)備轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)依靠人工干預(yù)的狀況，實(shí)現(xiàn)了新巨龍公司選煤廠尾煤壓濾環(huán)節(jié)的智能化，保證了系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。壓濾智能化升級，可降低人工勞動強(qiáng)度，保證系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定排料，避免因崗位響應(yīng)不及時(shí)導(dǎo)致的卸料積壓，提升壓濾工作效率約18%。智能化系統(tǒng)的升級，形成了區(qū)域監(jiān)控+集中監(jiān)控的操作模式，生產(chǎn)控制更加靈活。