煤泥水系統(tǒng)分散式布局條件下的提效設(shè)計(jì)

趙 偉，殷憲文，曲吟源，朱守其，王家林

(棗莊礦業(yè)集團(tuán) 高莊煤業(yè)有限公司，山東 棗莊 277000)

目前，國內(nèi)有不少選煤廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)煤泥水初步自動(dòng)閉環(huán)控制改造，實(shí)現(xiàn)了簡單水平衡，解決了煤泥水系統(tǒng)的自動(dòng)補(bǔ)水、排水問題。但因選煤生產(chǎn)過程中，煤泥水系統(tǒng)受生產(chǎn)時(shí)間、煤泥量多少、設(shè)備效率、人工變量、作業(yè)組合等多變量因素影響，往往難以正確地進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)描述，煤泥水系統(tǒng)的整體定性控制效果不盡人意。近年來，選煤企業(yè)綜合自動(dòng)化水平不斷提高，如何將先進(jìn)的現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于選煤廠煤泥水關(guān)鍵環(huán)節(jié)的管理，實(shí)現(xiàn)煤泥水智能化控制，將是煤泥水系統(tǒng)未來發(fā)展的重點(diǎn)[1-3]。

高莊煤業(yè)有限公司(以下簡稱高煤公司)選煤廠是一座典型煉焦煤選煤廠，洗選系統(tǒng)包括2.4 Mt/a預(yù)脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選系統(tǒng)和0.9 Mt/a全級(jí)無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選系統(tǒng)。該選煤廠歷經(jīng)多次技改，受廠區(qū)地域所限，濃縮系統(tǒng)復(fù)雜，采用斜管濃縮機(jī)及NG-20、NG-24、NG-30型耙式濃縮機(jī)，分布跨度400 m左右，壓濾系統(tǒng)采用3臺(tái)KM250-1600、1臺(tái)KM450-1600高效隔膜壓濾機(jī)，運(yùn)行中底流管路(閥門)重復(fù)利用，降低了系統(tǒng)的可靠性。

文章針對(duì)高煤公司選煤廠煤泥水系統(tǒng)復(fù)雜、布局分散、人工變量多、補(bǔ)排水無序等問題，提出分散式布局條件下的提效設(shè)計(jì)，結(jié)合分散式布局，創(chuàng)新設(shè)計(jì)“一段串聯(lián)二段并聯(lián)”煤泥水濃縮工藝，即0.9 Mt/a重介系統(tǒng)一段采用NG-20濃縮機(jī)，二段采用2臺(tái)斜管濃縮機(jī)；2.4 Mt/a重介系統(tǒng)一段采用NG-30濃縮機(jī)，二段采用3臺(tái)NG-24濃縮機(jī)的工藝，引入模糊控制、液位控制等理念，初步構(gòu)建濃縮壓濾邏輯控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的自動(dòng)采集和控制[4-7]。

1 工藝調(diào)整

1.1 水量及濃縮設(shè)備處理量核算

為保證煤泥水量的準(zhǔn)確性，使用超聲波流量計(jì)檢測系統(tǒng)循環(huán)煤泥水量，2.4 Mt/a預(yù)脫泥重介系統(tǒng)水量約為1 245 m3/h。0.9 Mt/a不脫泥重介系統(tǒng)水量約為318 m3/h，依據(jù)煤炭設(shè)計(jì)手冊(cè)，耙式濃縮機(jī)處理中等沉降特性浮選尾煤泥水負(fù)荷率取1，核算處理能力，結(jié)果見表1。

由表1可知，NG-30濃縮機(jī)處理能力不能滿足預(yù)脫泥重介系統(tǒng)煤泥水處理要求，故一段作為煤泥水預(yù)沉淀池使用，設(shè)計(jì)NG-24并聯(lián)使用進(jìn)行深度處理；NG-20濃縮機(jī)處理能力滿足脫泥重介系統(tǒng)煤泥水處理要求，但近乎飽和，故設(shè)計(jì)斜管濃縮池并聯(lián)使用進(jìn)行深度處理。

表1 耙式濃縮機(jī)循環(huán)水量核算結(jié)果

1.2 濃縮工藝調(diào)整

濃縮機(jī)數(shù)量多、能力不大、布局分散，3臺(tái)NG-24耙式濃縮機(jī)距離主廠房太遠(yuǎn)，只適合作為二段濃縮設(shè)備使用，故兩套系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)NG-30、NG-20作為一段濃縮設(shè)備?；谝陨戏治?，提出“一串二并”濃縮工藝(圖1)，即0.9 Mt/a重介系統(tǒng)一段采用NG-20濃縮機(jī)，二段采用2臺(tái)斜管濃縮機(jī)；2.4 Mt/a重介系統(tǒng)一段采用NG-30濃縮機(jī)，二段采用3臺(tái)NG-24濃縮機(jī)[8]。

圖1 “一段串聯(lián)二段并聯(lián)”工藝設(shè)計(jì)

1.3 煤泥量與壓濾設(shè)備處理量核算

2.4 Mt/a預(yù)脫泥重介系統(tǒng)處理能力約為550 t/h，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，尾煤泥含量約為12%，尾煤泥量約為66 t/h；0.9 Mt/a不脫泥重介系統(tǒng)處理能力約為220 t/h，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，尾煤泥含量約為12%，尾煤泥量約為26.4 t/h，具體核算結(jié)果見表2。

表2 耙式濃縮機(jī)沉淀量核算

由表2可知，NG-30和NG-20濃縮機(jī)實(shí)際處理能力滿足煤泥水系統(tǒng)一段串聯(lián)的要求。

1.4 煤泥壓濾脫水能力計(jì)算

KM250-1600隔膜壓濾機(jī)處理能力為3.5 t/h，KM450-1600隔膜壓濾機(jī)處理能力為7 t/h，按照每小時(shí)處理2.5個(gè)循環(huán)計(jì)算，4臺(tái)隔膜壓濾機(jī)共計(jì)可處理煤泥43.7 t/h。系統(tǒng)仍有48.6 t/h煤泥需利用其他脫水設(shè)備(沉降過濾離心機(jī))處理。

1.5 壓濾脫水工藝調(diào)整

磁選尾礦經(jīng)旋流器濃縮分級(jí)后的溢流進(jìn)入濃縮機(jī)，濃縮機(jī)的底流既可進(jìn)入快開壓濾機(jī)，也可進(jìn)入尾煤沉降過濾式離心機(jī)回收[9-10]。

2 信息化控制平臺(tái)

依托現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)、智能設(shè)備硬件，完成各控制單元與主控制系統(tǒng)之間的嵌入式融合。以服務(wù)于洗選加工為基礎(chǔ)，煤泥水系統(tǒng)“調(diào)水控制智能化、現(xiàn)場設(shè)備控制無人化”為目標(biāo)，構(gòu)建信息化控制平臺(tái)。通過對(duì)細(xì)化后的工藝環(huán)節(jié)中關(guān)鍵性生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，并找出關(guān)鍵性指標(biāo)與控制參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，設(shè)定工作閥值，使現(xiàn)代的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)具備一定的判斷能力和識(shí)別能力，并能針對(duì)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題自主、及時(shí)采取相應(yīng)的解決措施。設(shè)計(jì)引入更為擬人化的程序設(shè)計(jì)，采用變頻器、智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)更為柔和的控制模式，降低人為要素對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制干預(yù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率[11-12]。

在控制和實(shí)時(shí)狀態(tài)界面上，采用3D圖形進(jìn)行設(shè)備外觀的組建，確保與現(xiàn)場設(shè)備的布置視角基本相符，實(shí)現(xiàn)了分散的集控系統(tǒng)的編程、聯(lián)網(wǎng)，達(dá)到了調(diào)度室集中監(jiān)測、控制，更便于操作人員一目了然地完成監(jiān)控、快速操作和故障判斷，能有效提高控制率和正確率。

其主要設(shè)計(jì)功能分為3個(gè)界面：

(1)狀態(tài)監(jiān)視界面。在狀態(tài)監(jiān)視界面下，點(diǎn)擊任意某一設(shè)備，該設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)、相關(guān)參數(shù)和運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)就可以顯示出來，能為操作人員提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析資料；點(diǎn)擊界面上的箭頭，就可以完成遠(yuǎn)程啟停、閥門控制。

(2)儀表數(shù)據(jù)界面。在儀表數(shù)據(jù)界面下，可以在線監(jiān)控流量、液位、濁度等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，更便于操作人員根據(jù)儀表數(shù)據(jù)完成生產(chǎn)過程的控制。

(3)保護(hù)類數(shù)據(jù)界面。在保護(hù)類狀態(tài)數(shù)據(jù)界面下，能及時(shí)顯示設(shè)備的狀態(tài)和保護(hù)傳感器的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)跳閘、防偏等保護(hù)傳感器的狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋，并能根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)遠(yuǎn)程投切功能。

2.1 控制硬件組成

設(shè)計(jì)配置三層工業(yè)交換機(jī)，將選煤廠工業(yè)控制、辦公、視頻監(jiān)控、能耗計(jì)量等功能的局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整合提速，設(shè)置權(quán)限訪問，實(shí)施功能隔離，規(guī)避“廣播風(fēng)暴”的危害，進(jìn)一步提高選煤廠網(wǎng)絡(luò)通訊安全性。互聯(lián)網(wǎng)光纖經(jīng)過了防火墻隔離之后接入主路由器，通過設(shè)置路由器，綁定廠內(nèi)需要聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的MAC和IP地址，做到內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)的隔離。

在各配電室之間構(gòu)建8芯的多模光纖環(huán)網(wǎng)，光纖的尾端與配電室內(nèi)交換機(jī)相連，配電室內(nèi)的交換機(jī)選用管理型工業(yè)交換機(jī)，將其網(wǎng)口根據(jù)需要?jiǎng)澐譃?個(gè)VLAN，每個(gè)VLAN之間不允許通訊，做到了四個(gè)子網(wǎng)的隔離，同時(shí)又簡化了配電室的網(wǎng)絡(luò)線路。配電室交換機(jī)通過光纖與調(diào)度機(jī)房內(nèi)的核心交換機(jī)相連，同時(shí)核心交換機(jī)又與調(diào)度機(jī)房內(nèi)的工業(yè)、辦公、視頻、計(jì)量子交換機(jī)相連，處于同一VLAN內(nèi)的設(shè)備可以保持通訊，而處于不同VLAN中的設(shè)備可以通過VLANIF接口互相訪問。

2.2 通訊控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

所有PLC控制單元均支持TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊功能，其中PLC主站 CPU位于調(diào)度室機(jī)房內(nèi)，與工業(yè)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和組態(tài)客戶端一同接入機(jī)房內(nèi)的工業(yè)交換機(jī)，再鏈接到核心交換機(jī)的工業(yè)VLAN。廠內(nèi)其他PLC分站(如部分選煤設(shè)備自帶的小型PLC)的CPU均位于配電室或設(shè)備附近的控制箱內(nèi)，將廠房和配電室內(nèi)PLC的以太網(wǎng)接口與配電室的交換機(jī)的工業(yè)VLAN相連，再由遍布全廠的光纖網(wǎng)絡(luò)連接至調(diào)度機(jī)房的三層核心交換機(jī)的工業(yè)VLAN上，通訊網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

此外，廠房內(nèi)用于采集電機(jī)保護(hù)器數(shù)據(jù)的串口服務(wù)器，用于設(shè)備控制的智能終端和工業(yè)操作臺(tái)同屬PLC網(wǎng)絡(luò)，與PLC等設(shè)備一同接入。主集中控制系統(tǒng)和單機(jī)隨機(jī)自動(dòng)控制單元通過構(gòu)建的工業(yè)控制通訊網(wǎng)絡(luò)，完成各子控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝系統(tǒng)的控制協(xié)同功能以及滿足生產(chǎn)和控制的柔性要求[13-15]，控制網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

3 濃縮壓濾邏輯化控制

3.1 邏輯化控制思路

系統(tǒng)分為上、下兩級(jí)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化控制，上級(jí)系統(tǒng)為生產(chǎn)調(diào)度遠(yuǎn)程監(jiān)控部分，下級(jí)系統(tǒng)為信息傳輸、壓濾機(jī)聯(lián)機(jī)自循環(huán)系統(tǒng)?？刂圃O(shè)備包含了濃縮機(jī)、底流泵、電動(dòng)閥門、壓濾機(jī)、刮板輸送機(jī)等。設(shè)計(jì)通過檢測濃縮機(jī)底流積聚情況，采取給料桶料位信號(hào)控制底流泵自動(dòng)開停，同時(shí)需要完成對(duì)PLC配電柜、部分設(shè)施(管路、混料筒)及運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行改造，以底流控制狀態(tài)的有效選擇、壓濾設(shè)備的連續(xù)性運(yùn)作及其控制方式、關(guān)聯(lián)運(yùn)輸設(shè)備的參控度、入料和副產(chǎn)品(濾液)狀態(tài)的準(zhǔn)確控制，構(gòu)成了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的核心[16]，邏輯化控制方式如圖4所示。

圖3 控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

圖4 邏輯化控制方式

3.2 系統(tǒng)功能

煤泥水經(jīng)濃縮機(jī)藥劑沉降處理后，其底流可進(jìn)入4臺(tái)KM250-1600壓濾機(jī)或3臺(tái)KM450-1600壓濾機(jī)系統(tǒng)壓榨脫水，產(chǎn)出煤泥，濾液循環(huán)使用。在入料管上安裝遠(yuǎn)程控制閥門，利用PLC設(shè)定入料優(yōu)先級(jí)，通過脫水設(shè)備的入料穩(wěn)流桶的液位監(jiān)測進(jìn)行函數(shù)計(jì)算，自動(dòng)排列閥門開啟的順序完成入料控制，壓濾脫水系統(tǒng)監(jiān)控如圖5所示。

3.3 高濃度底流秩序運(yùn)行

通過安裝的濁度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測各濃縮機(jī)底流濃度，通過計(jì)算比較，排列底流入料順序，在各入料穩(wěn)流桶液位到達(dá)入料閥值時(shí)，通過聯(lián)動(dòng)控制，其濃度較高的底流對(duì)應(yīng)的入料管道閥門自動(dòng)打開，入料泵自動(dòng)報(bào)警運(yùn)行，完成向穩(wěn)流桶的入料過程[17]，壓濾脫水底流運(yùn)行監(jiān)測如圖6所示。

3.4 運(yùn)輸設(shè)備秩序運(yùn)行

因多臺(tái)壓濾機(jī)處理的煤泥共用運(yùn)輸機(jī)(帶式輸送機(jī)和刮板輸送機(jī))，運(yùn)送至煤泥場地，當(dāng)多臺(tái)壓濾機(jī)同時(shí)卸料時(shí)會(huì)引起設(shè)備負(fù)荷過載跳閘，為避免這一情況的發(fā)生，通過各壓濾機(jī)控制CPU之間的通訊聯(lián)系，進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制編程，確保當(dāng)壓濾機(jī)卸料數(shù)量大于設(shè)定閥值時(shí)，實(shí)施暫停等待前一個(gè)壓濾機(jī)完成卸料，通過“謙讓”運(yùn)行設(shè)計(jì)，規(guī)避設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[18]，卸料運(yùn)輸機(jī)聯(lián)機(jī)監(jiān)控如圖7所示。

圖5 壓濾脫水系統(tǒng)監(jiān)控

圖6 壓濾脫水底流運(yùn)行監(jiān)測

圖7 卸料運(yùn)輸機(jī)聯(lián)機(jī)監(jiān)控

3.5 操作權(quán)限秩序分配

為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，建立了設(shè)備檢試車、就地、集控三級(jí)操作權(quán)限。試車狀態(tài)下運(yùn)行模式由操作人員在現(xiàn)場操作單臺(tái)設(shè)備，自身保護(hù)通過控制二次回路起作用，設(shè)備之間沒有互鎖功能。就地狀態(tài)運(yùn)行模式由操作人員在現(xiàn)場操作單臺(tái)設(shè)備，自身保護(hù)通過PLC計(jì)算結(jié)果起作用，設(shè)備之間具有互鎖功能。集控狀態(tài)運(yùn)行模式由操作人員在調(diào)度室統(tǒng)一控制單臺(tái)設(shè)備，自身保護(hù)通過PLC計(jì)算結(jié)果起作用，設(shè)備之間具有互鎖功能。

4 應(yīng)用效果

4.1 濃縮設(shè)備效果分析

對(duì)比應(yīng)用尾煤泥濃縮壓濾聯(lián)機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)前后濃縮機(jī)運(yùn)行指標(biāo)見表3、表4。

由表3和表4可知，應(yīng)用尾煤泥濃縮壓濾聯(lián)機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)后，煤泥在各濃縮池內(nèi)有效地沉淀，降低了洗水和噴水濃度，洗水濃度控制在15 g/L左右，濃縮效率提高近25個(gè)百分點(diǎn)，底流固體回收率提高近30個(gè)百分點(diǎn)。

4.2 壓濾設(shè)備效果分析

對(duì)比應(yīng)用煤泥濃縮壓濾邏輯化后壓濾機(jī)運(yùn)行指標(biāo)見表5。

表3 應(yīng)用前濃縮機(jī)運(yùn)行指標(biāo)Table 3 Performance data of thickeners before system upgrading %

表4 應(yīng)用后濃縮機(jī)運(yùn)行指標(biāo)Table 4 Performance data of thickeners after system upgrading %

表5 壓濾機(jī)運(yùn)行指標(biāo)

由表5可知，在入料濃度和產(chǎn)品質(zhì)量基本不變的情況下，按單位時(shí)間處理能力計(jì)算，系統(tǒng)運(yùn)行效率提高了41%。

5 結(jié)語

分散式煤泥水布局條件下的提效設(shè)計(jì)特別適用于濃縮、壓濾系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量多、布局分散的低效無序運(yùn)行情況，經(jīng)實(shí)踐證明，“一段串聯(lián)二段并聯(lián)”濃縮設(shè)計(jì)，在同等條件下濃縮效率可提高25個(gè)百分點(diǎn)；尾煤泥濃縮壓濾聯(lián)機(jī)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可提高固體回收率30個(gè)百分點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)減員3人，提高人員功效50%，部分崗位實(shí)現(xiàn)無人值守，在同類選煤廠具有推廣借鑒的意義。