煤泥浮选测控系统的研究.pdf

第3 0 卷第1 期 2 0 0 1 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 0N o ．1 J a n ．2 0 0 1 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 1 0 10 0 3 90 4 煤泥浮选测控系统的研究 杨小平1 ，许德平1 ，吴翠平1 ，冯绍灌1 ， 王汝赡2 ，朱东锋2 ，李建中3 ，李永3 1 中国矿业大学，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．清华大学工程物理系，北京1 0 0 0 8 4 } 3 ．淮北矿业集团淮北选煤厂，安徽淮北2 3 2 0 8 2 摘要浮选自动化在我国多年来徘徊不前，一直采用根据入浮煤浆中的干煤泥量来确定加药量 的前馈控制方法，而不直接以产品的数质量指标作为控制目标，导致浮选生产效率较低．针对上 述问题，研究了浮选工艺参数的检测方法，开发了浮选浆位仪和煤浆测友仪．设计了浮选计算机 控制系统，它根据煤浆测灰仪旁线检测的精煤灰分，运用模糊控制技术，通过调整浮选药荆添加 量和浮选机浆位，来实现浮选过程的反馈控制．工业性试验表明，煤浆测灰仪的性能指标接近国 外先进水平．煤泥浮选测控系统在淮北选煤厂的现场使用，使浮选生产在精煤灰分合格的前提 下，得到了较高的产率．并降低了药剂用量，从而保证选堞厂高效率地运行． 关键词煤泥浮选；浆位仪；煤浆测灰仪；模糊控制；测控系统 中围分类号T D9 4文献标识码A 煤泥浮选过程控制是一个古老而又年青的研 究课题，说它古老是因为人们对其研究较早、较多， 说它年青是因为人们对它的认识不够，许多方面还 有待于去进一步探索．现代科学技术，特别是传感 器和计算机控制技术的飞速发展，为我们深入研究 浮选过程控制提供了新的有效工具． 影响煤泥浮选的工艺参数很多．这些参数中有 些可在线检测，而有些则不能．要进行浮选自动控 制，首要任务是检测主要的工艺参数，如煤浆浓度、 煤浆流量、加药量、浮选机浆位和煤浆灰分等．在我 国对煤浆灰分的检测一直是个难点，它阻碍了煤泥 浮选过程控制技术的发展，因此不得不采用稳定浮 选分选条件的间接控制方法，虽然控制效果比手动 操作要好，但实际上并没有达到最佳工作状 态o “] ．要实现这一目标。攻克煤浆灰分检测难题 是个关键，其次是如何利用检测出来的精煤灰分反 馈控制浮选生产过程，这是本文研究的主要内容。 1 工艺参数的测量 浮选过程检测系统的主要任务是在线实时地 测量浮选工艺参数。为生产管理和控制系统提供数 据．由图1 可见，要全面了解浮选的生产情况，需要 测量的工艺参数主要有煤浆浓度和流量、浮选机液 位、浮选药剂添加量和煤浆的灰分等．其中煤浆浓 度的测量多采用放射性同位素法。测量仪器为y 密 度计，而测量流体的流量则常采用电磁流量计，这 两个工艺参数的测量技术目前已经相当成熟““] ， 下面重点讨论其它工艺参数的测量方法． 起泡剂叫参1混台药剂 黼篆蔓对里醵‰ 黼鬟剩i 能脒 赢。 图1 浮选工艺参数测试仪位置示意图 F i g ．1D i a g r a mo fp o s i t i o n so fd e v i c e s m e a s u r i n gf l o t a t i o np a r a m e t e r s A ．测灰仪，D 密度计| F ．流量计} L 浆位计P 计量泵lH ．液压阀 1 ．1 浮选机浆位的测量 浮选机浆位包括浮选机内泡沫层厚度和煤浆 的液位．由于空气、泡沫和煤浆的导电率不同。因此 收藕日期。2 0 0 0 0 4 1 0 基童项目t 国家九五重点科技攻关项目子专题资助 9 5 2 1 5 一O l 一0 5 一o “ 作者简介。杨小平 1 9 6 8 一 ，男，重庆市忠县人．中国矿业大学讲师，工学博士，从事选煤自动化方面研究 万方数据 中国矿业大学学报 第2 9 卷 可以通过柱型探头 见图2 b 测量出它们的相界 面，从而得出浮选机的浆位”] ． 浮选机浆位测量的基本原理为探头垂直放置 在浮选槽中，在探头的垂直方向以螺旋状均匀分布 6 4 个电极，电极为紫铜帽，所有的电极用导线连到 顶部的航空插头上，再由多芯电缆与浆位控制器相 连．通过程序控制，依次测量相邻两个电极在介质 中的导电率 或电压 ，根据这些数据 见图2 a 即 可求得浮选机浆位，图中电压的大小与取样电阻有 关． j ⋯} ⋯■曳10 酽2 器 一⋯⋯J ⋯⋯⋯⋯⋯⋯I ． I ‘‘q r l ；‘‘ ’’、’l 、I b - ㈠i ⋯⋯I 二；刍斟器 图2 浆位柱型探头及测量试验示意 F i 8 ．2D i a g r a mdt h ec o l u m np r o b ef o rs l u r r y1 ．e v d a n dt h em e a s u r i n ge x p e r i m e n t 1 ．2 浮选药剂的计量 目 浮选生产中添加的药剂具有以下特点1 粘 度高．尤其是起泡剂，在常温下的粘滞系数约为水 的6 ～1 0 倍．2 流量小．因此给浮选药剂的添加和 计量带来了很大的困难，然而药剂添加量对生产操 作和工艺效果的评价影响较大．所以合理选择药剂 添加机构具有非常重要的意义． 目前有很多种办法可以用来计量浮选药剂o ] ， 如普罗名特 P r o M i n e n t 精密计量泵，它能满足浮 选药剂添加和控制的需要，其关键部分见图3 ．通 过电磁力或电机传动，用推杆6 带动隔膜4 水平移 隔膜传动连杆 卸载单元 压液逆止阀端盏吸液逆止阀 图3 普罗名特精密计量泵关键部件 F i g ．3 T h ek e yp a r to ft h eP r o M i n e n t p r e c i s em e t e r i n gp u m p 动，完成“压”和“吸”两个动作，在水平冲程和频率 一定的情况下．每个周期排出的药剂量是一个常 数．隔膜的质量直接影响计量泵的使用寿命和性 能．这种计量泵可以通过手动调节水平最大冲程 最小步长1 ％ 或动作频率来决定每个周期所输 送的药剂量，也可用4 ～2 0m A 的标准电流信号实 现远程控制． 1 ．3 测量煤浆灰分的基本原理[ ” 煤浆灰分是通过y 射线来测定的，低能7 射线 在煤浆中的散射服从如下规律 M K M o e x p ～p M p D ， 1 式中M o 为在分析槽中无煤浆时探测器在给定时 间内由y 射线产生的计数；M 为在分析槽中有煤浆 时探测器在给定时间内由y 射线产生的计数；p 为 煤浆的密度，g ／c m 3 ；D 为y 射线穿过的煤浆层的厚 度，c m ；K 为影响7 射线散射的修正系数；P u 为煤 浆对7 射线散射的吸收系数．c m 2 ／g ． 低能y 射线穿透煤浆时，煤浆中各种成分对低 能- y 射线的吸收可用下式表示 , U M 一 1 一W S P W w s 1w A p N A 十 ”s w A , u A ， 2 式中”s 为煤浆中煤占有的质量分数 以小数表 示 ；” A 为煤浆中煤所包含的灰分占有的质量 分数 以小数表示 ，即通常所说的灰分；／t w 为煤浆 中水对低能y 射线的衰减系数，c m 2 ／g ；触一为煤的 非灰分成分对低能y 射线的衰减系数，c m 2 ／g ；肌为 煤的灰分成分对低能y 射线的衰减系数，c m 2 ／g ． 结合式 1 ， 2 ，可以得到如下的公式 w A w s 肌一p N A 十W s ／蚺A p w I n M o ／M 4 - I n K⋯ 衄。 F ”。 ‘、。， 由式 3 不难看出，当已知低能7 射线穿透煤 浆时计数的变化 M 。／M ，煤浆密度P 和煤浆中煤 的质量分数w 。，就可以求得煤浆的灰分v o A ．对 于煤浆密度P 和煤的质量分数w s 的计算原理，在 煤浆中有无气泡的情况下略有不同． 2 控制系统的设计 煤泥浮选自动控制的基本原理是根据煤浆测 灰仪所检测的产品灰分，反馈控制浮选操作参数， 使浮选工作于最佳的生产条件，以达到实时最优． - 选煤厂浮选过程的检测与控制 验收文件 ．中国矿业大学北京校区2 0 0 0 ．4 ． 7 一 。．≮ 万方数据 第1 期杨小平等煤泥浮选测控系统的研究 由于浮选过程具有大滞后、非线性和多变量等 特点，变量之间的关系比较复杂，很难建立浮选产 品灰分与操作参数之间的数学模型，因此难以采用 以数学模型为基础的优化控制技术．但是，对于有 丰富操作经验的浮选工人．凭感觉就能获得较好的 生产效果．因此，可以用模糊控制算法实现浮选过 程的优化控制[ 7 ] ． 模糊控制实际上是一种人工智能控制，它不依 赖被控过程的数学模型，而用现场操作人员和专家 的生产经验和知识，作为参数调节的依据口] ． 选煤厂对浮选生产的要求主要是精煤灰分．例 如．对于淮北选煤厂，精煤灰分规定在9 ．5 ％～ 1 1 ．5 ％之间，尾煤灰分应保持4 5 ％左右．根据浮选 基本理论，同时为了加快反馈控制的效果，最适宜 的反馈调节因素是二段加药量和浮选机的尾煤闸 门位置．由于二段加药量比较少，所以在控制中采 用煤油与G F 油按比例混合添加的方式． 通过总结操作经验，得出了表1 所示的浮选操 作规则．将调节参数模糊化后，根据表1 可以得到 模糊控制规则． 衰1 浮选操作规则 T a b l e1T h eo p e r a t i n gr u l eo fc o a lf l o t a t i o n 图4 为浮选过程模糊控制系统的方框图．图 中，w A 。 和w A 分别为浮选精煤灰分的目标值 和实测值，Q 为二次加药量，L 为尾煤闸门提升高 度． 图4 浮选过程模糊控制系统方框图 F i g ．4 T h eb l o c kd i a g r a mo ft h e f l o t a l i o nf u z z yc o n t r o ls y s t e m 3 工业性试验 有限，这里只介绍煤浆测灰仪和控制系统的工业性 试验情况． 3 ．1 煤浆测灰仪 煤浆测灰仪最重要的技术指标是仪表值与化 验值之间的偏差，即测量的准确度，它是衡量测灰 结果可靠性的依据．1 9 9 9 年1 1 月至2 0 0 0 年3 月， 我们对煤浆测灰仪进行了2 0 0 多次对比试验，根据 试验数据用式 4 可以求得不同煤浆的均方差． 。压孽， 4 式中z 为测灰仪的实测值；2 为对应于实测值的 化验值；n 为试验次数． 试验结果表明 1 测灰仪检测精煤灰分的准确度最好，均方 差为0 ．2 5 ％～0 ．4 ％； 2 检测原煤灰分时的均方差为0 ．5 ％～ 1 ．0 ％； 3 对于尾煤，仪表的准确度与煤浆浓度有很 大关系，当煤浆浓度小于2 0g ／L 时．灰分检测的结 果波动很大，结果不可靠，当煤浆浓度大于4 0g ／L 时，结果比较稳定，其均方差介于3 ％～3 ．5 ％． 衰2 煤浆测灰仪效果比较 T a b l e2C o m p a r i s o no fi n d e x e so ft h ec o a ls l u r r ya s h m e t e rw i t ht h a ts t i p u l a t e di ns o m ed o c u m e n t s“ * 摘自蕞大利亚A M D E L 的c s A 严品日录 从表2 可以看出，煤浆测灰仪的性能指标已达 到攻关合同要求，并接近澳大利亚A M D E L 煤浆 分析仪C S A C o a lS l u r r yA n a l y z e r 的技术水平． 3 ．2 煤泥浮选测控系统 煤泥浮选测控系统中的定值控制部分从1 9 9 8 年8 月份开始投入使用，在1 9 9 9 年1 2 月，2 0 0 0 年 1 月和3 月又对优化控制系统进行了试验．试验结 果表明，在浮选测控系统投入使用后，能稳定浮选 精煤灰分，精煤灰分波动的均方差为0 ．1 5 ％～ 0 ．2 2 ％，而人工操作时一般太于0 ．2 4 ％．同时稳定 了浮选生产条件，使吨煤平均油耗由1 ．3 2k g 下降 为1 ．0 7k g ．另外，根据1 9 9 8 年与19 9 9 年生产统计 资料对比，浮选产率增加了2 ％左右． 。。篓恐要苎翌兰至篓量星妻孽苎篓f 姜兰薹4 结论 选系统，经过了三年多的调研、方案设计、现场安 。 一 ～ 装、调试和完善，并分期进行了工业性试验．因篇幅 煤泥浮选测控系统从安装、调试和现场使用情 万方数据 4 2中国矿业大学学报第2 0 卷 况来看，可以得到如下主要结论 1 煤浆测灰仪由于采用非接触式的测量方 式，避免了放射源探头在煤浆中的磨损，同时方便 了操作和维护，这一点优于澳大利亚的煤浆分析仪 C S A ． 2 煤浆测灰仪有两种工作方式，手动方式主 要用于仪表的调试，而自动方式可用于浮选生产监 视与自动控制． 3 煤浆测灰仪的性能指标接近国外先进水 平，测量人料、精煤和尾煤灰分的均方差分别为； 0 ．5 ％～1 ．0 ％，0 ．2 5 ％～0 ．4 ％和3 ％～3 ．5 ％． 4 浮选测控系统的检测仪表和执行机构运转 正常，软件使用可靠方便．使用浮选测控系统后，稳 定了浮选工作条件，方便了生产操作，并能在一定 程度上降低药剂消耗、稳定浮选精煤质量和提高浮 选精煤产率． 参考文献 [ 1 ] T h o r n t o nJ ．C a u t i o u sa d a p t i v ec o n t r o lf o rf l o t a t i o n c i r c u i t s [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ．1 9 9 1 ，4 1 2 2 7 ． L 2 ] D e s b i e n sA ，H o d o u i nD ，N a j i mK ．e ta 1 ．L o n g r a n g e p r e d i c t i v ec o n t r o lo far o u g h e rf l o t a t i o nu n i t [ J ] ． M i n e r a l sE n g i n e e r i n g 1 9 9 4 ，7 2 1 ． E 3 3李文郁．浮选人料浓度、加药和液位的测控装置[ J ] ． 选煤技术．1 9 9 4 2 4 1 ．4 4 ． [ 4 3 魏幼平。王振种．采用S T D 工控机实现浮选过程的自 动控制[ J ] ．煤炭加工与综合利用，1 9 9 4 4 2 02 2 ． [ 5 ] 杨毅．吴力心．选煤及选矿过程参数的测试技术 [ M ] ．徐州；中国矿业大学出版社，1 9 9 0 ．1 0 ． [ 6 ] 任清晨．选煤过程工艺参数自动测控技术[ M ] ，北 京煤炭工业出版社．1 9 9 0 ．1 1 ． [ 7 ] 杨小平．煤泥浮选计算机控制系统的研究[ D ] ．北 京中国矿业大学北京校区．19 9 8 ． [ 8 3 赵振宇．徐用懋．模糊理论和神经网络的基础与应用 [ M ] ．北京清华大学出版社，19 9 6 ．6 ． S t u d yo nD e t e c t i o na n dC o n t r o lS y s t e mo fC o a lF l o t a t i o n Y A N GX i a o - p i n 9 1 ，X UD e p i n 9 1 ，W UC u i p i n 9 1 ，F E N GS h a o g u a n l ， W A N GR u s h a n 2 ．Z H UD o n g f e n 9 2 ，L IJ i a n z h o n 9 3 ．L IY o n 9 3 1 ．D e p a r t m e n to fC h e m i c a la n dE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n g C U M T tB e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 E n g i n e e r i n gP h y s i c sD e p a r t m e n t ，T s i n g h u aU n i v e r s i t y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 4 ，C h i n a ； 3 ．H u a i b e iC o a lP r e p a r a t i o nP l a n t ．H u a i b e iM i n i n gG r o u pL t d ．H u a i b e i ，A n h u i2 3 2 0 8 2 ．C h i n a A b s t r a c t T h ea u t o m a t i o no fc o n lf l o t a t i o nh a sb e e nw a n d e r i n gf o rm a n yy e a r si nC h i n a ．T h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi sr e l a t i v e l yl o wb e c a u s eo ft h ef e e df o r w a r dc o n t r o lw h i c ha d d st h ef l o t a t i o nr e a g e n tb a s e do nt h ef i n e c o a li nf e e ds l u r r y ，i g n o r i n gt h eq u a n t i t ya n dq u a l i t yo ft h ep r o d u c t s ．A i m i n ga tt h i sp r o b l e m ，m e t h o do f m e a s u r i n gt h ef l o t a t i o nt e c h n i c a lp a r a m e t e r sw a ss t u d i e d ，t h es l u r r yl e v e lm e t e ra n dt h es l u r r ya s h m e a s u r i n g d e v i c ew e r ew o r k e do u t ，a n dt h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m0 ft h ec o a lf l o t a t i o nw a sd e s i g n e d ．T h ef e e d b a c k c o n t r o lw a sr e a l i z e dh yu s i n gt h ef u z z yl o g i cc o n t r o lt e c h n o l o g yt Or e g u l a t et h er e a g e n ta d d i t i o na n dt h es l u r r y l e v e li nt h ef l o t a t i o nt a n ka c c o r d i n gt ot h ec o n c e n t r a t ea s hc o n t e n td e t e c t e db yt h ec o a Is l u r r ya s h m e a s u r i n g d e v i c ed e v e l o p e d ．T h ei n d u s t r i a le x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h ep e r f o r m a n c ei n d e x e so ft h eC O i l ls l u r r ya s h m e a s u r i n gd e v i c eh a v ec o m eu pt Ot h ea d v a n c e dl e v e lo ft h ew o r l d ．T h ea p p l i c a t i o no ft h ed e t e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e mi nH u a i b e iC o a lP r e p a r a t i o nP l a n tr e s u l t si nah i g hc o n c e n t r a t er e c o v e r y ，ad e c r e a s eo ft h er e a g e n t c o n s u m p t i o n ，e n s u r i n gah i g h l ye f f i c i e n to p e r a t i o n ． K e yw o r d s c o a lf l o t a t i o n ；s l u r r y1 e v e lm e t e r ；c o a ls l u r r ya s h m e a s u r i n gd e v i c e ；f u z z yl o g i cc o n t r o l ；d e t e c t i o n a n dc o n t r o ls y s t e m 万方数据