楊瑞峰，郭大林，張永清，郝全生，衛(wèi)中寬，成榮杰

(1.中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司； 2.中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司，天津 300131； 3.中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X選煤廠，山西 運(yùn)城 043300)

隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格，選煤廠洗水必須實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)。而濃縮機(jī)的高效運(yùn)行是選煤廠實(shí)現(xiàn)洗水閉路循環(huán)、確保清水選煤的關(guān)鍵，該設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)好壞直接影響分選系統(tǒng)的分選效果、介質(zhì)消耗、壓濾機(jī)脫水能力及產(chǎn)品水分等指標(biāo)。因而實(shí)現(xiàn)煤泥水濃縮系統(tǒng)藥劑的合理、精準(zhǔn)添加，保持煤泥水系統(tǒng)良好運(yùn)行，對(duì)選煤生產(chǎn)至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外在煤泥水濃縮藥劑的合理、精準(zhǔn)、快速添加方面有許多研究，但大多數(shù)集中在煤泥性質(zhì)本身對(duì)藥劑添加的定量影響，絮凝劑和凝聚劑的用量比、加藥順序?qū)γ耗喑恋硇Ч挠绊懀约盎谇梆伵c反饋的雙環(huán)絮凝劑添加系統(tǒng)自動(dòng)與智能控制研究等三大方面。但鮮有研究濃縮池內(nèi)煤泥水濃度的梯度場(chǎng)分布透明化、濃縮池內(nèi)不同高度點(diǎn)的煤泥水濃度變化與藥劑精準(zhǔn)調(diào)整的規(guī)律。如何方便可靠地獲得濃縮池內(nèi)部不同高度點(diǎn)的濃度，進(jìn)而形成綜合控制策略，用以精準(zhǔn)、及時(shí)、合理地調(diào)整濃縮加藥量，筆者提出一種無動(dòng)力多層位濃縮機(jī)透明化監(jiān)測(cè)裝置，利用簡(jiǎn)單的技術(shù)原理和簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)組成將濃縮池內(nèi)不同高度點(diǎn)的煤泥水引出，方便操作工及時(shí)快速地觀察濃縮池內(nèi)部煤泥沉淀狀況。同時(shí)該裝置也為后期通過智能攝像頭分析不同層位的煤泥水濃度、研究和建立濃縮池內(nèi)煤泥水濃度場(chǎng)分布、構(gòu)建濃縮池內(nèi)不同高度點(diǎn)濃度變化與濃縮藥劑調(diào)整策略的精準(zhǔn)算法模型打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 背景技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)濃縮加藥過程存在的問題

大多數(shù)傳統(tǒng)選煤廠是在濃縮過程中依據(jù)人工現(xiàn)場(chǎng)巡視發(fā)現(xiàn)溢流水清濁程度發(fā)生異常時(shí)，對(duì)加藥系統(tǒng)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整絮凝劑與凝聚劑的用量，這種調(diào)節(jié)方式存在以下問題。

(1)僅憑肉眼觀測(cè)澄清水層液面，達(dá)不到提前預(yù)警、及時(shí)以調(diào)整濃縮加藥量的目的；

(2)人工調(diào)整相對(duì)滯后，且準(zhǔn)確度低；

(3)高度依賴操作工的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心，且可繼承性較差。

為了解決上述問題，部分選煤廠進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn)：一是在溢流堰增加了濁度計(jì)代替人工巡視；二是將濁度計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)值與濃縮加藥系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，作為自動(dòng)反饋手段，實(shí)現(xiàn)藥劑添加自調(diào)節(jié)。

這些改進(jìn)在降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高反饋的及時(shí)性方面有了極大的進(jìn)步，但也暴露出一些問題。

(1)僅采用濁度計(jì)代替肉眼觀測(cè)，仍然存在澄清水層液面信息反饋單一，達(dá)不到提前預(yù)警、及時(shí)調(diào)整濃縮加藥量的目的；

(2)濃縮機(jī)內(nèi)部濃度場(chǎng)無法實(shí)現(xiàn)透明監(jiān)測(cè)，極易因調(diào)整過度或不足引發(fā)次生問題，制約選煤廠生產(chǎn)運(yùn)行，增加生產(chǎn)成本；

(3)濁度儀測(cè)量穩(wěn)定性、精確性均不足，難以保證系統(tǒng)高效運(yùn)行。

傳統(tǒng)的濃縮加藥反饋機(jī)制，不管是人工巡視反饋，還是儀表自動(dòng)檢測(cè)反饋，都是以濃縮機(jī)表面溢流水澄清度作為調(diào)節(jié)濃縮加藥量的唯一反饋量。

1.2 智能化時(shí)代濃縮加藥系統(tǒng)的改進(jìn)及存在的問題

智能選煤廠建設(shè)在“第四次工業(yè)革命”和“中國制造2025”的時(shí)代背景驅(qū)動(dòng)下應(yīng)運(yùn)而生。為進(jìn)一步提升選煤廠煤泥水處理智能化控制水平，匹配智能化選煤廠建設(shè)的快速發(fā)展趨勢(shì)，選煤屆同仁在濃縮智能加藥控制系統(tǒng)研究方面進(jìn)行了大量卓有成效的研究，特別是逐步認(rèn)識(shí)到不能僅通過濃縮溢流水表面澄清度來調(diào)整加藥量，必須掌握濃縮池內(nèi)部位置點(diǎn)的濃度值來調(diào)整濃縮加藥量。

智能濃縮加藥系統(tǒng)除了配置完善的前饋+反饋雙機(jī)制，開發(fā)高效智能控制算法模型外，最主要的變化是增加了1臺(tái)污泥界面儀，其主要作用是測(cè)定濃縮池內(nèi)部某個(gè)濃度值的高度位置，作為藥劑調(diào)整的反饋量。但是通過分析，智能濃縮加藥系統(tǒng)污泥界面儀方案還有待進(jìn)一步討論、商榷。

(1)污泥界面儀價(jià)格昂貴，維護(hù)費(fèi)用高，目前主要用于金屬選礦廠濃縮機(jī)；

(2)污泥界面儀安裝于煤泥水水面以下，需要經(jīng)常清洗來保證檢測(cè)精度，但又存在檢修不便等問題；

(3)污泥界面儀只能測(cè)定水面以下某個(gè)設(shè)定濃度的界面高度，不能監(jiān)測(cè)濃縮池內(nèi)部不同高度的煤泥水濃度。

以上問題的存在，不可避免地會(huì)影響以污泥界面儀為主導(dǎo)的智能濃縮加藥系統(tǒng)的高效率運(yùn)行。

2 監(jiān)測(cè)裝置主要技術(shù)原理與設(shè)計(jì)安裝

如何方便、可靠地獲得濃縮池內(nèi)部不同高度點(diǎn)的濃度，構(gòu)建透明化濃度場(chǎng)分布。筆者提出了一些創(chuàng)新性想法，并做了一些探索性實(shí)踐嘗試。但限于時(shí)間和監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的原因，目前僅是做了一套純機(jī)械化的無動(dòng)力多層位濃縮機(jī)透明化監(jiān)測(cè)裝置。

2.1 主要技術(shù)原理

利用連通器與虹吸原理組合，自制一套無動(dòng)力多層位濃縮機(jī)透明化監(jiān)測(cè)裝置。通過無動(dòng)力多層位濃縮機(jī)透明化監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用，實(shí)時(shí)多層位監(jiān)測(cè)濃縮機(jī)濃度場(chǎng)分布，從而達(dá)到預(yù)警濃縮機(jī)沉降不足或過度沉降，及時(shí)精準(zhǔn)地調(diào)整加藥量，為濃縮系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

虹吸原理是指液體通過管道從液位高的一側(cè)經(jīng)過高于液面的管道自動(dòng)流向液位低的另一側(cè)，所用的管道稱為連通器(見圖1)。

圖1 虹吸原理示意

虹吸的本質(zhì)是由液體壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)共同作用而產(chǎn)生。因?yàn)閔1(p2-ρgh2)，因此A左端的壓強(qiáng)大于A右端的壓強(qiáng)，在大氣壓和液體壓強(qiáng)的共同作用下，液體向右方移動(dòng)。

虹吸現(xiàn)象中液體流動(dòng)的動(dòng)力由液體的靜壓差提供，要實(shí)現(xiàn)虹吸還必須滿足3個(gè)條件：① 內(nèi)因：B液面高于C液面，即其本質(zhì)是重力作用下的液體由高處向低處流；② 外因：連通器最高點(diǎn)高度不超過B液面的p1/ρg，即虹吸需要借助液面B的壓力向上流動(dòng)以越過連通器最高點(diǎn)；③ 觸發(fā)條件：連通器內(nèi)必須充滿液體達(dá)到液封狀態(tài)。

2.2 監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與安裝

2.2.1 監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)裝置主要由管道連通器和鋼制溢流式監(jiān)測(cè)槽組成。連通器一側(cè)管道插入濃縮機(jī)液面下深度為A，在不影響濃縮機(jī)爬架運(yùn)行的前提下，可根據(jù)監(jiān)控需要，進(jìn)行多層位并聯(lián)設(shè)計(jì)，以監(jiān)測(cè)不同高度點(diǎn)的煤泥水濃度，構(gòu)建透明化濃度場(chǎng)分布。

監(jiān)測(cè)裝置的另一側(cè)根據(jù)連通器組數(shù)設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的鋼制溢流式監(jiān)測(cè)槽，采用螺栓固定于濃縮池溢流槽內(nèi)部的側(cè)壁上。溢流式監(jiān)測(cè)槽采用δ8的鋼板制作，其長(zhǎng)×寬×高為0.3m×0.2m×0.15m。鋼制溢流式監(jiān)測(cè)槽的溢流液面高度低于濃縮機(jī)澄清層水面B=0.2 m，滿足B大于0，即實(shí)現(xiàn)虹吸的內(nèi)因。

本裝置選用的連通器管道管徑為DN32，則連通管最高點(diǎn)距澄清層的最大高度C為0.62 m，小于大氣壓強(qiáng)支持的水柱高度(澄清層液體密度近似水的密度)即滿足C

連通器另一側(cè)固定于鋼制溢流式監(jiān)測(cè)槽上方，在連通管出口處安裝1只DN32的閥門，閥門前端焊接一根帶閥門的補(bǔ)水管。關(guān)閉虹吸管出口處閥門，打開補(bǔ)水管閥門，使水充滿連通器達(dá)到液封狀態(tài)，滿足實(shí)現(xiàn)虹吸的觸發(fā)條件。而后打開連通器出口處閥門，關(guān)閉補(bǔ)水管閥門，連通器可正常工作。

無動(dòng)力多層位濃縮機(jī)透明化監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)示意如圖2所示。

圖2 裝置設(shè)計(jì)示意

2.2.2 監(jiān)測(cè)裝置的安裝

推薦布置3根DN32的連通管至溢流式監(jiān)測(cè)槽，實(shí)現(xiàn)3層位煤泥水濃度監(jiān)測(cè)，3根DN32連通管插入濃縮機(jī)深度A分別為1.5 m、1.0 m和0.5 m。在3根DN32連通管出口處分別安裝1只DN32的閥門，閥門前端焊接1根帶閥門的補(bǔ)水管，其作用一是用于DN32鋼管在內(nèi)部含有空氣不能完成虹吸過程的時(shí)候進(jìn)行充水液封，保證澄清水能夠正常引至溢流槽；二是在DN32鋼管堵塞時(shí)能夠進(jìn)行反沖，對(duì)管道進(jìn)行疏通。

3 監(jiān)測(cè)裝置在王家?guī)X選煤廠的探索性應(yīng)用

無動(dòng)力多層位濃縮機(jī)透明化監(jiān)測(cè)裝置目前已在王家?guī)X選煤廠的1臺(tái)濃縮機(jī)上進(jìn)行探索性應(yīng)用，使用效果良好，不同層位的煤泥水可以用肉眼觀測(cè)出濃度的明顯變化?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片見圖3所示。

圖3 王家?guī)X選煤廠無動(dòng)力多層位濃縮機(jī)透明化監(jiān)測(cè)裝置

在濃縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，保持閥門常開，監(jiān)測(cè)裝置的3根連通管作為新增溢流水管使用，對(duì)濃縮機(jī)不同層位的澄清水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

當(dāng)插入深度為1.5 m的DN32連通管出現(xiàn)濃度過高時(shí)，說明出現(xiàn)了過度沉降的征兆，濃縮機(jī)壓耙風(fēng)險(xiǎn)增大；當(dāng)插入深度為0.5 m的DN32連通管出現(xiàn)濃度過渾時(shí)，說明出現(xiàn)了沉降不足的征兆，濃縮機(jī)溢流跑渾風(fēng)險(xiǎn)增大；插入深度為1.0 m的DN32連通管的煤泥水濃度作為調(diào)整濃縮加藥量的主控變量，使其濃度控制在合理的范圍內(nèi)，其他2個(gè)管的濃度監(jiān)測(cè)作為調(diào)整濃縮加藥量的輔助變量，特別適用于沉降不足或過度沉降的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控。

3根虹吸管可以同時(shí)使用，也可根據(jù)檢測(cè)需要適時(shí)關(guān)閉。通過觀察不同高度點(diǎn)的煤泥水濃度狀況，判斷濃縮系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)是沉降不足還是過度沉降，及時(shí)采取相應(yīng)藥劑調(diào)整措施的同時(shí)上報(bào)相關(guān)技術(shù)人員。

4 裝置的應(yīng)用效益與未來深度研發(fā)展望

4.1 裝置的應(yīng)用效益

(1)節(jié)省藥劑用量、降低生產(chǎn)成本。無動(dòng)力多層位濃縮機(jī)透明化監(jiān)測(cè)裝置在王家?guī)X選煤廠投入使用半年以來，通過人工觀察1.5 m、1 m和0.5 m深的內(nèi)部煤泥水濃度變化，及時(shí)調(diào)整加藥量，杜絕了以往依靠表面溢流濃度反饋帶來的藥劑過量添加，降低了生產(chǎn)成本。裝置使用前后(各半年)藥劑用量見表1。

(2)生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。無動(dòng)力多層位濃縮機(jī)透明化監(jiān)測(cè)裝置的使用，可以提前對(duì)多個(gè)濃縮機(jī)內(nèi)部多個(gè)層位的濃度進(jìn)行觀測(cè)，提前預(yù)警過度沉降或沉降不足等問題，給崗位工充足的時(shí)間調(diào)整加藥制度，促使加藥量更加準(zhǔn)確合理，減少因沉降不足導(dǎo)致的溢流跑渾，或者過度沉降而導(dǎo)致濃縮機(jī)壓耙等事故的發(fā)生。

4.2 未來深度研發(fā)展望

(1)與智能分析技術(shù)的融合，形成智能化產(chǎn)品。未來隨著智能圖像分析技術(shù)的發(fā)展與成熟，預(yù)期可與該裝置深度融合集成，形成集多層位煤泥水取出、多點(diǎn)濃度自動(dòng)分析、煤泥水收集返回為一體的智能化多層位煤泥水濃度檢測(cè)裝置。

(2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置(高度與數(shù)量)的科學(xué)研究。該裝置在王家?guī)X選煤廠探索性應(yīng)用取得了一定的效果，但是否為最優(yōu)設(shè)置，包括虹吸管組數(shù)和插入深度，仍然是一個(gè)未知數(shù)，有很多沉降規(guī)律和加藥調(diào)整策略需要進(jìn)行更深入的研究。

5 結(jié) 語

無動(dòng)力多層位濃縮機(jī)透明化監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、原理簡(jiǎn)單，既沒有動(dòng)力消耗，又能方便觀察濃縮池內(nèi)不同層位的煤泥水濃度。通過在王家?guī)X選煤廠的實(shí)際應(yīng)用，表明采用該裝置方便可靠地實(shí)現(xiàn)了肉眼實(shí)看濃縮池內(nèi)部多個(gè)層位的煤泥水濃度，解決了濃縮機(jī)澄清層監(jiān)測(cè)的盲點(diǎn)，不僅可以及時(shí)精準(zhǔn)地調(diào)整濃縮加藥量，降低藥劑消耗，節(jié)省生產(chǎn)成本，還為濃縮系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。該裝置為濃縮沉降效果多層位觀測(cè)預(yù)警開辟了一條新的路徑，且裝置制作成本較低，取得效果明顯，具有廣泛的推廣前景。