斜溝煤礦選煤廠沉降離心機(jī)入料控制系統(tǒng)的優(yōu)化

黃健華

(西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦選煤廠，山西 呂梁 033602)

斜溝煤礦選煤廠細(xì)煤泥脫水采用篩網(wǎng)沉降過濾離心機(jī)和快開式隔膜壓濾機(jī)的二次聯(lián)合脫水工藝。篩網(wǎng)沉降過濾離心機(jī)廠家和型號(hào)為美國(guó)泰戈特公司DMI44×132型，篩網(wǎng)尺寸為1118mm×3353mm、處理能力可達(dá)85 t/h，產(chǎn)品水分15%～17%，有效回收粒度為0.045 mm，并且其回收的煤泥排出時(shí)松散連續(xù)不聚團(tuán)，有利于均勻摻入洗混煤產(chǎn)品中，保證了洗混煤產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定[1]。

近年來，隨著斜溝煤礦選煤廠實(shí)施工藝調(diào)整，使壓濾煤泥減量化，細(xì)粒級(jí)煤泥脫水環(huán)節(jié)前移，總體煤泥水分雖有所下降，但也加大了沉降過濾離心機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷。生產(chǎn)過程中該設(shè)備一旦發(fā)生故障停機(jī)，沉降系統(tǒng)處理能力下降，生產(chǎn)系統(tǒng)不得不降低帶煤量，從而影響生產(chǎn)效率。

1 存在問題分析

斜溝煤礦選煤廠在推進(jìn)智能化建設(shè)過程中，將沉降離心機(jī)潤(rùn)滑油泵和主電機(jī)連入集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了沉降離心機(jī)整體集中啟停控制，但其運(yùn)行中的過程控制仍然由現(xiàn)場(chǎng)崗位司機(jī)人工操作，存在問題具體如下：

(1)離心機(jī)入料閥門、旁通閥門、稀釋水閥門等均為氣動(dòng)開關(guān)閥，由崗位人員憑經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)控制，不能實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)控制。生產(chǎn)過程中當(dāng)入料濃度增大時(shí)，離心機(jī)扭矩隨即增高，為避免設(shè)備過載時(shí)齒輪箱損壞[2]，銅質(zhì)保險(xiǎn)銷易折斷；當(dāng)保險(xiǎn)銷折斷時(shí)，其托架上的限位開關(guān)和入料閥之間無(wú)連鎖關(guān)系，物料持續(xù)在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)積聚，造成開機(jī)負(fù)荷大，頻繁啟動(dòng)會(huì)將易熔塞熔化，或需人工盤轉(zhuǎn)卸掉部分物料才能恢復(fù)啟動(dòng)，影響生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，工人勞動(dòng)工作量大，操作不當(dāng)易引發(fā)安全事故。

(2)設(shè)備扭矩傳感器為應(yīng)力應(yīng)變器，即簡(jiǎn)單的電阻應(yīng)變片，其測(cè)量出的扭力值不準(zhǔn)確，不能有效指導(dǎo)生產(chǎn)。

(3)除啟停控制外，缺乏極具價(jià)值的離心機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不具備設(shè)備全生命周期監(jiān)測(cè)監(jiān)控硬件條件，對(duì)生產(chǎn)管理和設(shè)備狀態(tài)管理的提升造成阻礙。

2 篩網(wǎng)沉降離心機(jī)的工作原理與構(gòu)成

2.1 離心機(jī)工作原理

DMI型篩網(wǎng)沉降離心機(jī)整體結(jié)構(gòu)見圖1，篩網(wǎng)沉降離心機(jī)結(jié)合了沉降脫水、過濾脫水兩大功能。煤漿通過入料管給入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)入料室，轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力使煤漿加速，煤漿液面是一個(gè)與轉(zhuǎn)鼓同軸的同心圓面，液面與轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁之間環(huán)形空間即為沉降區(qū)，固體顆粒按照沉降速度不同而發(fā)生固液初級(jí)分離。沉降后的固體顆粒緊貼圓柱段轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，由螺旋轉(zhuǎn)子刮刀通過錐段輸送到篩網(wǎng)段；沉降離心液則通過轉(zhuǎn)鼓頭部堰板口排出。在篩網(wǎng)段，由于螺旋轉(zhuǎn)子的輸送作用，固體物料變得松散，在離心力作用下物料進(jìn)一步脫除水分，離心濾液透過篩縫排出，再次脫水后的固體顆粒經(jīng)轉(zhuǎn)鼓尾部排料口排出。轉(zhuǎn)鼓沉降段內(nèi)環(huán)形料漿池的深度可通過位于轉(zhuǎn)鼓入料端端蓋上的堰口擋板來調(diào)節(jié)，液位改變將影響分離效果。機(jī)殼里安裝有篩網(wǎng)清洗噴頭，以避免離心機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后篩網(wǎng)堵塞，影響脫水性能。

圖1 DMI篩網(wǎng)沉降過濾離心機(jī)結(jié)構(gòu)示意

2.2 轉(zhuǎn)鼓及螺旋輸送器的構(gòu)成

DMI型篩網(wǎng)沉降離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓及螺旋輸送器結(jié)構(gòu)示意如圖2和圖3所示。轉(zhuǎn)鼓由圓柱體段、錐體段和篩網(wǎng)段組成。固體顆粒由篩網(wǎng)末端的固體排料口排出，離心液通過堰板口排出。螺旋輸送器主要由驅(qū)動(dòng)軸、刮刀葉片、軸承凸沿和入料管構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)桿軸上帶有切齒，與行星齒輪法蘭嚙合，這保證了轉(zhuǎn)鼓、差速器軸承凸沿的連接；通過入料管，固體進(jìn)入入料腔，然后經(jīng)過螺旋輸送器上的出口進(jìn)入轉(zhuǎn)筒。在葉片上貼耐磨材料，可以延長(zhǎng)螺旋輸送器的使用壽命。

圖2 轉(zhuǎn)鼓外部結(jié)構(gòu)示意

圖3 螺旋輸送器結(jié)構(gòu)示意

2.3 扭矩監(jiān)測(cè)

轉(zhuǎn)鼓內(nèi)固體物料的輸送主要依靠轉(zhuǎn)鼓和螺旋輸送器之間的轉(zhuǎn)速差來實(shí)現(xiàn)，物料輸送時(shí)在齒輪箱上產(chǎn)生一個(gè)扭矩。扭矩信號(hào)實(shí)時(shí)反映離心機(jī)負(fù)載情況，隨入料速率和煤漿固料含量不同而變化。離心機(jī)齒輪箱上安裝有保險(xiǎn)銷，安全銷的一端通過軸套與差速器的一根軸相連，另一端固定在扭矩臂上，用于扭矩過載時(shí)保護(hù)系統(tǒng)，來避免旋轉(zhuǎn)部件尤其是差速器的過載。如果入料量過大或濃度過高，機(jī)器將過載，螺旋輸送器葉片與固體間的摩擦力變得很大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓與輸送器之間因?yàn)V餅而形成剛性連接；負(fù)荷持續(xù)增加，當(dāng)力矩的數(shù)值超出安全銷所能承受的力矩時(shí)，安全銷被溝槽折為兩段，螺旋輸送器和轉(zhuǎn)鼓將以同一速度旋轉(zhuǎn)，此時(shí)差速器將不受負(fù)載而避免損壞。同時(shí)，位置開關(guān)被落下的扭矩臂激發(fā)而引起離心機(jī)停機(jī)。

由此可見，扭矩監(jiān)測(cè)與離心機(jī)運(yùn)行工況緊密相關(guān)，自動(dòng)入料控制系統(tǒng)主要根據(jù)扭矩大小對(duì)入料進(jìn)行實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)優(yōu)化，來保證設(shè)備運(yùn)行安全。

3 技術(shù)改造方案

3.1 自動(dòng)入料控制原理

離心機(jī)開機(jī)后達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，先部分開啟入料閥門實(shí)現(xiàn)小流量給料。離心機(jī)以恰當(dāng)?shù)暮奢d運(yùn)行，可以確保在輸送器與轉(zhuǎn)鼓壁間形成穩(wěn)定的固體層，轉(zhuǎn)鼓壁上的防滑條或溝槽使固體物料層產(chǎn)生的較大摩擦力，有利于物料輸送。如果開始就過量入料，還沒有完全形成的固體層就會(huì)太光滑，螺旋輸送器不能很好地輸送物料。固體可能在螺旋葉片之間壓實(shí)而與輸送器一起旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致堵塞。

將扭矩監(jiān)測(cè)裝置與PLC控制系統(tǒng)相連，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)扭矩情況，以便于在入料量發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能夠在設(shè)備進(jìn)入停機(jī)程序前調(diào)整入料量，避免停機(jī)事故。遇突發(fā)狀況，PLC 控制系統(tǒng)可在設(shè)備保險(xiǎn)銷折斷或停機(jī)前，發(fā)出聲、光預(yù)報(bào)警信號(hào)提醒現(xiàn)場(chǎng)崗位司機(jī)注意，同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉離心機(jī)，并啟動(dòng)沖洗水清洗篩網(wǎng)。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 離心機(jī)入料管路閥門改進(jìn)

斜溝煤礦選煤廠將離心機(jī)進(jìn)料管路原有氣動(dòng)開關(guān)入料閥、稀釋閥改換為電控氣動(dòng)比例閥門[3]，閥門自帶開度反饋，實(shí)現(xiàn)入料系統(tǒng)的精細(xì)穩(wěn)定控制，為自動(dòng)進(jìn)料控制奠定基礎(chǔ)，閥門改造安裝圖如圖4所示。

圖4 入料管路閥門改造安裝

3.2.2 更換扭矩和振動(dòng)傳感器

斜溝煤礦選煤廠將原有應(yīng)力式扭矩計(jì)更換為稱重傳感器。該傳感器穩(wěn)定性好，靈敏度高，對(duì)設(shè)備工作過程中的扭矩值進(jìn)行感應(yīng)監(jiān)測(cè)，并與齒輪箱額定扭矩值相比較，以4～20 mA的信號(hào)將扭矩大小發(fā)送給控制系統(tǒng)。沉降離心機(jī)原有振動(dòng)傳感器放置于設(shè)備底架的中間位置，銹蝕嚴(yán)重，測(cè)量不準(zhǔn)確，不具備參考價(jià)值，在傳動(dòng)側(cè)軸承座位置增加1個(gè)振動(dòng)傳感器，測(cè)量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，并通過變送器反饋實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)值。稱重傳感器安裝位置如圖5所示。

圖5 稱重傳感器安裝位置

3.2.3 增加PLC控制系統(tǒng)

斜溝煤礦選煤廠為每臺(tái) DMI 篩網(wǎng)沉降離心機(jī)增加1個(gè)獨(dú)立的西門子SIMATIC S7系列產(chǎn)品的 PLC 控制柜，選用S7-300的PLC和TP900精智系列操作面板，配套專業(yè)的具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的離心機(jī)控制系統(tǒng) Andritz CentriTune。該控制系統(tǒng)把全部輔助元件(包括氣動(dòng)閥門、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、扭矩傳感器)納入監(jiān)控中，使其能夠精確有效地監(jiān)控DMI離心機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；該 PLC 控制系統(tǒng)具備和選煤廠集中控制系統(tǒng)通訊功能，利用上位機(jī)可以對(duì)離心機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

斜溝煤礦選煤廠對(duì)篩網(wǎng)沉降離心機(jī)PLC系統(tǒng)設(shè)定自動(dòng)入料控制邏輯，依據(jù)扭矩變化對(duì)入料閥門、稀釋水閥門、旁通閥門進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，全過程自動(dòng)控制，無(wú)需人工干預(yù)。離心機(jī)PLC系統(tǒng)與選煤廠智能化后臺(tái)系統(tǒng)互通，實(shí)現(xiàn)PAD端的監(jiān)測(cè)和控制。

從入料閥門開啟20%的小流量開始給料，此時(shí)若扭矩大于30%，說明煤泥水濃度過高，不適宜入料，關(guān)閉入料閥且等待離心機(jī)扭矩下降到15%以內(nèi)并持續(xù)20 s時(shí)，再次按20%開度啟動(dòng)入料；當(dāng)扭矩小于30%時(shí)，開啟稀釋閥，關(guān)閉旁通閥。在扭矩保持小于30%并持續(xù)60 s的情況下，將入料閥開度逐漸調(diào)整至40%、60%。入料滿足扭矩保持小于40%并持續(xù)60 s時(shí)，將入料閥全部打開，此后工作過程中只要扭矩小于50%，視為入料正常；若扭矩超過50%，說明入料發(fā)生變化，濃度過高，系統(tǒng)相應(yīng)啟動(dòng)離心機(jī)保護(hù)程序，打開旁通閥，關(guān)閉入料閥，避免設(shè)備過載而出現(xiàn)保險(xiǎn)銷斷裂的故障。

圖6 篩網(wǎng)沉降離心機(jī)自動(dòng)入料控制邏輯

4 應(yīng)用效果

篩網(wǎng)沉降離心機(jī)自動(dòng)入料控制系統(tǒng)改造完成后，經(jīng)過一個(gè)月多的穩(wěn)定運(yùn)行，成功解決了銅質(zhì)保險(xiǎn)銷折斷、開機(jī)負(fù)荷大、易熔塞熔化、齒輪箱損壞等問題。篩網(wǎng)沉降離心脫水機(jī)的正常使用，使細(xì)煤泥得到了有效回收，減輕了濃縮機(jī)和壓濾機(jī)的工作負(fù)荷，改善了濃縮機(jī)澄清效果，保證了煤泥水系統(tǒng)健康運(yùn)轉(zhuǎn)。自動(dòng)入料升級(jí)前后離心機(jī)運(yùn)行情況對(duì)比見表1。篩網(wǎng)沉降離心機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制柜操作界面如圖7所示。

表1 自動(dòng)入料升級(jí)前后離心機(jī)運(yùn)行情況對(duì)比

圖7 篩網(wǎng)沉降離心機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制柜操作界面

5 結(jié) 語(yǔ)

該自動(dòng)入料控制系統(tǒng)提高了離心機(jī)自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備自動(dòng)入料功能，設(shè)備振動(dòng)、扭矩監(jiān)測(cè)等重要參數(shù)得到了精準(zhǔn)可靠的檢測(cè)和在線實(shí)時(shí)顯示，避免了設(shè)備過負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，改善了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)工況，既保證了設(shè)備的安全運(yùn)行，也降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。