黄万华

(西山煤电(集团)有限责任公司 太原选煤厂，山西 太原030053)

太原选煤厂原煤设计能力为4.50 Mt/a，采用选前脱泥50～1 mm粒级进入无压给料三产品重介质旋流器进行分选，1～0.25 mm粒级采用CSS分选，<0.25 mm粒级采用浮选工艺。重介质选煤生产过程中，悬浮液的密度直接影响着实际分选密度。由于太原选煤厂原有的重介选煤工艺系统通过人工操作控制和调节远端的加水阀门，导致介质密度控制精度差，重介质损耗高，设备运行能耗高，增加生产成本。该厂对悬浮液密度控制系统进行技术改造，并对控制系统的软、硬件进行更新升级，同时将其纳入到PLC集中控制系统中，实现生产数据信息的共享，全面提升太原选煤厂的机械化、自动化控制水平[1]。

1 系统组成

太原选煤厂主要采用的是无压三产品重介质旋流器+CSS粗煤泥分选+细煤泥浮选的联合分选工艺。其中重介悬浮液密度的检测和控制直接影响着重介分选的精度，以及精煤产品的质量是否达标[2]。

2016年太原选煤厂与太原理工大学合作，引进了重介悬浮液密度自动控制系统，该系统采用施耐德Modicon旗下Quantum系列PLC为技术核心，通过在分流管上安装分流电动调节阀，在合介管道上通过旁路设计增加磁性物含量测量仪，将合格介质密度测量仪和磁性物含量测量仪的数据同步传输到厂调度显示屏上，使调度指挥中心能及时了解现场合介情况；同时将信号传给合介分流阀和补水调节阀，对分流阀和补水阀门的开度进行实时自动控制，从而实现了密度、液位、磁性物含量实时在线自动监测与调整[3]。太原选煤厂悬浮液密度自动控制系统如图1所示。

图1 悬浮液密度自动控制系统Fig.1 The improved medium suspension density control system

1.1 检测仪表

1.1.1 同位素密度计

在重介选煤生产过程中使用AMDAL密度计通过非接触在线测量方式对重介悬浮液密度进行测量，实时动态显示密度测量值，系统不但可以为悬浮液自动控制系统输出两组4～20 mA信号，还可以实时显示悬浮液的密度值、质量分数等。同位素放射源Cs-037发射出γ射线光子穿过待测物，被物质中的原子散射或吸收而产生衰减。由于衰减程度和待测介质密度相关，介质密度越大，射线衰减越多，射线衰减程度遵循指数定律[4]。

根据吸收定律，得：

式中：I为透过γ射线强度，ci；I0为入射γ射线强度，ci；μ为质量吸收系数，cm3/s；L为射线穿过物料厚度，cm；ρ为物质密度，g/cm3。

1.1.2 磁性物含量计

磁性物含量计是测量重介悬浮液中的磁性物含量，通过磁性物含量的变化来影响线圈的电感量变化。悬浮液通常由几种物质混合而成，只有磁性物会对磁性物含量计产生作用，而其他物质中不包含磁性物则不会产生作用[5]。

1.2 执行机构

系统使用DJK型角行程电动机对介质泵前加水与筛下水分流执行机构进行控制，实现自动控制系统的控制信号自动转换成输出轴的角位移和直线位移[6]，调节阀门的角度和补水量，同时使用开关量输出实现了控制执行机构的正反转[7]。

2 系统工作内容

重介质自动控制系统主要由悬浮液密度自动控制系统与煤泥含量控制系统构成[8]。

2.1 重介质悬浮液密度的控制

由于重介选煤过程存在的时变、非线性、强耦合和环境干扰等多种不确定性因素，导致过程建模困难。为此控制算法上采用PID控制算法、模糊控制、专家控制和自适应控制，避开建模困难，提高系统的控制性能[9]。重介质悬浮液密度测控原理如图2所示。

图2 悬浮液密度测控原理

重介选煤生产过程中，合介桶液位会随着悬浮液密度的增加而逐步降低。根据这一特点，通过调节水量这一主要控制变量来控制悬浮液密度，添补浓介质量作为辅助变量[10]。设定的密度值和实际测量的密度值同时报送至PID控制器，差值信号由PID控制器调节，调节量经专家控制系统校正后，报送至伺服放大器，系统会自动将位置反馈信号进行比较，驱动电动执行机构进行工作，具体表现在以下方面:

(1)检测悬浮液密度信号超过设定值时，系统会自动调节补水阀门加大水量，降低悬浮液密度[11]。

(2)当密度设定值和实际测量值的差值<0.002 g/cm3时，系统内PID控制器无操作反应。

(3)当密度设定值和实际测量值的差值>0.01 g/cm3时，合介桶液位在正常范围内，则不考虑粘度计算值，系统会将分流量设定为45%，自动增加悬浮液密度；如合介桶液位低于下限值，为保证旋流器入口压力，不可再打分流，可通过补加浓介质提高悬浮液密度值，并调节阀门增加水量提高合介桶液位[12]。

2.2 煤泥含量控制系统

在重介质选煤过程中，悬浮液中煤泥含量会对分选效果产生直接影响，增加产品的脱介难度，影响精煤的精度，同时对重介悬浮液的流变性与稳定性造成影响，进而影响实际分选效果。为保证悬浮液的流变性与稳定性，只有通过控制调节悬浮液中的煤泥含量来实现[13]。

在上料管上安装密度计与磁性物含量计实现对悬浮液密度和磁性物含量的测定，将测量值通过公式计算得出悬浮液中的煤泥含量。煤泥含量计算公式:

β=A(ρ-1)-BG，

式中:β为煤泥含量，g/L；ρ为悬浮液密度，g/cm3；G为磁性物含量，g/L；A=δc/(δc-1)(δc为煤泥密度，g/cm3)；B=δc(δf-1)/δf(δc-1)(δf为磁铁粉密度，g/cm3)。

使用弧形筛下分流装置调节循环悬浮液分流量可实现对煤泥含量的控制。当煤泥含量低于设定值时，PID控制器会降低输出，使用伺服放大器来控制分流装置，减少分流；当煤泥含量大于设定值时，PID调节器会增加输出，使用伺服放大器驱动分流装置，增加分流；当煤泥含量等于设定值时，系统保持不变。特殊情况下当密度测量值和给定值差值<0.01 g/cm3时，控制系统会自动停止对煤泥含量监测，如合介桶内液位低于下限值时系统会自动报警，强置分流机构的输出为0，停止分流操作[14]。

2.3 合介桶液位控制

合介桶液位作为重介质分选的主要技术参数，当桶内液位高时，会发生溢流，导致重介质的流失；当桶内液位低时，难以保证重介质旋流器入口压力，发生打空泵现象。因此，实现对合介桶液位的控制与调节非常重要。

合介桶液位控制系统采用开关量控制方式，分别设定桶内液位上限与下限。当桶内液位低于下限、悬浮液密度较高时，系统会自动补水；当桶内液位高于上限、悬浮液密度较低时，系统会自动分流，同时为增加调节速度还可直接添加浓介质。特殊情况如当桶内液位和悬浮液密度都高时，一般不会发生在系统正常生产的情况下，只需采取人工处理的方式即可[15]。合介桶液位控制系统框图如图3所示。

图3 液位控制系统框图

3 经济效益分析

太原选煤厂对重介悬浮液密度控制系统的改造应用，大幅提高了精煤产品的质量，稳定了精煤灰分，精煤产率较改造前提高了1.5个百分点。太原选煤厂技术改造前后重介悬浮液密度控制系统的精煤灰分和产量对比见表1。

表1 改造前后重介悬浮液密度控制系统技术参数对比Table 1 Comparison of the technical parameters before and after renovation of the medium suspension density control system %

注：按年处理原煤300万t，精煤390元/t，中煤75元/t计算，不计算矸石效益。

4 结语

太原选煤厂对悬浮液密度控制系统的技术改造取得良好效果，实现了密度调节的手动与自动控制灵活转换机制，可将重介生产中悬浮液密度控制精度控制在±0.005 g/cm3范围内，粘度控制精度稳定在±2%范围内，有效控制了精煤灰分，提高了精煤产量和质量。该系统已稳定运行一年时间，大幅降低了工人的劳动强度，改善了工作环境，为企业创造了显著的经济效益。通过随机抽检表明，设定悬浮液密度的调节，实际检测密度也会波动，经过一个周期的波动会逐步稳定到原设定值，达到良好的调节效果。