劉 平，馮化一，于大偉，楚遵勇，張秀峰，高會(huì)穎

(1.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.天津美騰科技股份有限公司，天津 300000)

重介選煤方法具有分選效率高，煤質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢，在選煤工藝中應(yīng)用廣泛。但是重介選煤工藝流程復(fù)雜，自動(dòng)化水平比較低，國內(nèi)大多數(shù)選煤廠還是使用人工控制的方式。即使部分選煤廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，但是算法一般采用經(jīng)典控制算法，在實(shí)際應(yīng)用中的工藝參數(shù)控制精度低，洗選過程中密度、磁性物含量均成波浪線性變化，產(chǎn)品指標(biāo)不穩(wěn)定。同時(shí)，目前選煤廠重介分選系統(tǒng)的密控調(diào)節(jié)，主要依賴化驗(yàn)室定時(shí)采樣化驗(yàn)，利用化驗(yàn)灰分反饋調(diào)節(jié)，而化驗(yàn)點(diǎn)灰一般會(huì)滯后約2 h；由于化驗(yàn)點(diǎn)灰的滯后性，這種密度調(diào)節(jié)方式對生產(chǎn)的指導(dǎo)意義不是很大，不能有效保證產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定。本文針對重介選煤工藝中的密度控制環(huán)節(jié)及洗選產(chǎn)品指標(biāo)控制方式進(jìn)行了研究，穩(wěn)定洗選密度，精準(zhǔn)預(yù)測煤質(zhì)波動(dòng)，實(shí)時(shí)調(diào)整洗選密度，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品指標(biāo)穩(wěn)定，提升產(chǎn)品質(zhì)量的重要方法。

1 重介洗選密度穩(wěn)定方法及存在問題

目前，大多數(shù)選煤廠所采用的密度穩(wěn)定方式主要分為以下幾種：

(1)隨著自動(dòng)化控制的廣泛使用，可編程式控制器(PLC)被廣泛使用于密度控制。采用PLC內(nèi)的PID控制補(bǔ)水閥開度，無分流回路。該方法由于沒有分流回路，并未考慮到重介懸浮液中的煤泥含量，重介懸浮液穩(wěn)定性較差，從而降低分選效果；

(2)采用PLC內(nèi)的PID控制補(bǔ)水閥開度，分流閥(箱)開度固定；該方法分流量固定，然而由于選煤廠入洗原煤性質(zhì)的波動(dòng)性和不均勻性，懸浮液中煤泥含量和磁性物含量也在不斷變化，固定的分流量不利于重介懸浮液的穩(wěn)定，從而影響分選效果；

(3)采用PLC內(nèi)的PID控制補(bǔ)水閥開度，分流量采用模糊控制方法。該控制方法精確度和靈敏度都較高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到了重介懸浮液密度和穩(wěn)定性，然而由于模糊控制的設(shè)計(jì)大都僅考慮了合介桶液位或者煤泥含量，而分流過程影響因素眾多，同時(shí)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，從而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

綜上可以看出，上述集中方法大部分使用PLC內(nèi)PID控制補(bǔ)水閥，分流閥控制非常單一或者甚至直接不控，系統(tǒng)穩(wěn)定性和適應(yīng)性非常差。且均使用組態(tài)軟件進(jìn)行編程，界面比較粗獷，對用戶不友好[2-7]。此外目前針對復(fù)雜煤質(zhì)的洗選密度設(shè)定也多是由具有豐富操作經(jīng)驗(yàn)的采樣、制樣人員在洗選生產(chǎn)線上均勻合理的采制樣品，然后交由化驗(yàn)室進(jìn)行燒灰、工業(yè)分析，得到原煤、產(chǎn)品煤的灰分，確定洗選過程中的密度。這種方式具有非常大的弊端：

(1)對采制樣人員的專業(yè)程度、經(jīng)驗(yàn)要求非常高。

(2)化驗(yàn)室燒灰過程需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，延遲較大，實(shí)時(shí)性不能保證。

采制樣人員，需要對現(xiàn)場工藝非常了解，化驗(yàn)人員送煤樣入馬弗爐燒灰[8]，一般需要耗費(fèi)1 h，甚至更長時(shí)間，這個(gè)時(shí)間后根據(jù)產(chǎn)品1 h之前的化驗(yàn)灰確定產(chǎn)品的質(zhì)量，延遲非常嚴(yán)重，指導(dǎo)生產(chǎn)的價(jià)值大大降低。基于上述原因，產(chǎn)品指標(biāo)也就沒辦法得到保證。

2 基于復(fù)雜煤質(zhì)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法穩(wěn)定密度的方法原理

鑒于現(xiàn)有方法的各種弊端，重介洗選密度穩(wěn)定的方法需要做出改進(jìn)，其方法為：

(1)首先是洗選密度的設(shè)定，采用前饋加后饋的方法進(jìn)行洗選密度預(yù)測。原煤的可選性分析，通過篩分、浮沉試驗(yàn)可以得出兩組數(shù)據(jù)：相同物料粒度級、不同密度級物料的產(chǎn)率r(%) 和各自的灰分A(%)[9-13]。根據(jù)這些資料可以獲知原煤產(chǎn)率、灰分、密度之間的關(guān)系，因此，可以基于產(chǎn)品的目標(biāo)灰分、目標(biāo)產(chǎn)率即可以確定重介洗選的密度范圍，此為前饋。后饋則是基于實(shí)時(shí)灰分檢測設(shè)備對生產(chǎn)過程中產(chǎn)品灰分進(jìn)行監(jiān)測，然后比較產(chǎn)品灰分與目標(biāo)灰分的差異情況，在較短時(shí)間內(nèi)調(diào)整重介洗選目標(biāo)密度。

(1)其次是密度穩(wěn)定方法，利用高級語言編寫機(jī)器學(xué)習(xí)算法，根據(jù)當(dāng)前密度情況、液位情況、煤泥含量、磁性物含量、自動(dòng)加介泵的狀態(tài)等，綜合判斷，控制補(bǔ)水閥門及分流閥門，讓重介洗選密度無線趨近于目標(biāo)密度，以此可以提升產(chǎn)品質(zhì)量及精煤產(chǎn)率。

這種方法利用了原煤煤質(zhì)資料，根據(jù)煤質(zhì)特性精準(zhǔn)預(yù)測了密度區(qū)間。并且增設(shè)了智能化實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)幾分鐘之內(nèi)就對重介洗選密度進(jìn)行一次預(yù)測及調(diào)整，極大地縮短了調(diào)整的周期。另外，這些智能化設(shè)備的引入減少了人員的介入，減少對經(jīng)驗(yàn)的依賴性，讓系統(tǒng)的調(diào)整更加可靠。密度穩(wěn)定中機(jī)器學(xué)習(xí)算法的引入，綜合考慮了多種因素，保證密度調(diào)整的合理性、科學(xué)性。

3 基于復(fù)雜煤質(zhì)與產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測預(yù)測密度的數(shù)學(xué)方法

利用復(fù)雜煤質(zhì)資料與產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測預(yù)測重介洗選密度的方法主要流程如圖1所示。

首先確定產(chǎn)品煤灰分區(qū)間，然后確定煤質(zhì)情況，煤質(zhì)不一樣，其可選性曲線也不一樣。確定煤質(zhì)后，利用原煤煤質(zhì)資料確定重介洗選密度范圍。利用可選性分析過程中生成的數(shù)據(jù)可以知道原煤產(chǎn)率、灰分、密度之間的關(guān)系[14]。本文以察哈素煤礦生產(chǎn)為例，開展研究工作。察哈素煤礦洗選工藝為200～25 mm淺槽入洗，-25 mm作為末煤產(chǎn)品銷售。根據(jù)重介洗選工藝，采用察哈素煤礦3層煤生產(chǎn)煤樣進(jìn)行了可選性分析。自然級200～25 mm粒級物料浮沉試驗(yàn)結(jié)果見表1

圖1 重介洗選密度預(yù)測流程

表1 可選性曲線繪制數(shù)據(jù)

利用表1中數(shù)據(jù)擬合出來的曲線可以非常直觀的看到產(chǎn)率、灰分、密度之間的關(guān)系。如圖2所示。

圖2 可選性曲線

根據(jù)圖2及選煤廠對商品煤的要求、對生產(chǎn)的要求等，可以計(jì)算出重介洗選密度的上下限。例如，如果要求商品煤灰分在9%左右，則生產(chǎn)密度需要定義為1.5～1.6 g/cm3范圍內(nèi)，但是這時(shí)的產(chǎn)率只有22.59%，如圖2中虛線標(biāo)明。如果對產(chǎn)率有要求，如產(chǎn)率需要到60%，則密度上下限定位為1.9～2 g/cm3。但是灰分會(huì)非常高，約在45%。因此，根據(jù)煤質(zhì)資料與生產(chǎn)目標(biāo)，可以設(shè)定洗選密度對應(yīng)的區(qū)間。

密度區(qū)間確認(rèn)好好后，計(jì)算出密度區(qū)間的中值，使用密度中值進(jìn)行洗選。在生產(chǎn)過程中需要利用實(shí)時(shí)在線灰分預(yù)測洗選密度。實(shí)時(shí)在線灰分監(jiān)測裝備，主要利用X光穿透煤層后，由于煤中元素種類不同、含量不同造成射線的衰減情況不同[15-16]?；诖嗽恚劳杏跈C(jī)器學(xué)習(xí)的算法，在線灰分檢測裝備可以穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的檢測出帶式輸送機(jī)上面的煤樣灰分，如表2，可以針對煤樣進(jìn)行快速的計(jì)算及展示。

表2 灰分儀歷史灰分查詢

通過在線實(shí)時(shí)灰分檢測設(shè)備，檢測實(shí)時(shí)灰分，累計(jì)N分鐘計(jì)算平均值A(chǔ)，判斷A與產(chǎn)品煤的目標(biāo)值之間差異A，然后根據(jù)選煤廠密度調(diào)節(jié)步長Δρ和當(dāng)前密度ρ0，計(jì)算目標(biāo)密度ρ1應(yīng)該設(shè)定為多少。公式：ρ1=ρ0+ΔA×Δρ。其中，ΔA計(jì)算時(shí)需要判斷，當(dāng)前灰分Ad是否大于灰分合理區(qū)間上限A上，如果滿足這個(gè)條件，則ΔA的計(jì)算公式為ΔA=A下-Ad，其中A下為灰分合理區(qū)間下限；如果不滿足上述條件，則繼續(xù)下一步判斷，當(dāng)前灰分Ad是否大于灰分合理區(qū)間下限A下，如果滿足這個(gè)條件，則ΔA的計(jì)算公式為ΔA=A上-Ad，其中A上為灰分合理區(qū)間下限。

4 自動(dòng)密度控制方法及原理

洗選目標(biāo)密度根據(jù)煤質(zhì)、產(chǎn)品煤質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測、設(shè)定后，利用密度控制方法穩(wěn)定密度，此方法主要是服務(wù)器利用數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換工具獲取各個(gè)儀表的讀數(shù)，包括但不限于密度計(jì)、磁性物含量計(jì)、合介桶液位計(jì)、稀介桶液位計(jì)、分選設(shè)備的壓力值、電機(jī)電流值、補(bǔ)水閥開度、補(bǔ)水閥設(shè)定開度、分流閥開度、分流閥設(shè)定開度、合介泵的頻率、自動(dòng)加介泵的運(yùn)行狀態(tài)等。然后利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法動(dòng)態(tài)計(jì)算補(bǔ)水閥、分流閥的設(shè)定開度，從而達(dá)到穩(wěn)定密度的作用。主要流程如圖3所示。

圖3 密度穩(wěn)定控制流程

不同于以往的密度控制方法，該方法運(yùn)行于服務(wù)器，使用Java等高級語言編寫，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于MYSQL及MongoDB數(shù)據(jù)庫。相比較傳統(tǒng)PLC控制方法，可以調(diào)用的計(jì)算資源更加豐富，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間也較長，可以形成有效的歷史數(shù)據(jù)查詢功能；參考指標(biāo)也更加全面，可以更加科學(xué)、有效的控制密度的穩(wěn)定性。此外，構(gòu)建精美的操作、展示界面，用戶使用簡單、方便。

5 基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的密度預(yù)測及密度控制效果

相比較于行業(yè)內(nèi)目前常用的重介洗選密度預(yù)測方法，基于煤質(zhì)資料地前饋計(jì)算更加精準(zhǔn)，基于煤質(zhì)的可選性曲線分析，在傳統(tǒng)選煤中，一般都是采用篩分、做浮沉試驗(yàn)來完成可選性曲線的繪圖，從而可以得出選煤廠的分選密度。

由于煤質(zhì)資料的研究非常嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確，所以基于原煤煤質(zhì)資料的前饋也是非常準(zhǔn)確地。而基于實(shí)時(shí)在線灰分檢測設(shè)備的灰分監(jiān)測在前饋的基礎(chǔ)上增加了快速有效的后饋手段。專業(yè)的設(shè)備解放了人力，擺脫了對人員的專業(yè)度、操作經(jīng)驗(yàn)的依賴，更加客觀、有效。另外，監(jiān)測的實(shí)時(shí)性極大地提高了這種預(yù)測方法的時(shí)效性，由原來的最短60 min變更為新方法中的5 min甚至是1 min。預(yù)測效率提高了近15倍。這就使得預(yù)測的相關(guān)性得到了極大地提高。

同時(shí)，使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的密度控制方法，與傳統(tǒng)控制方法相比，可以有效的參考各個(gè)因素，極大地減小了密度控制的波動(dòng)范圍，可以實(shí)現(xiàn)密度差在0.005 g/cm3范圍內(nèi)的占比達(dá)到85%，具體見表3。因此基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的密度預(yù)測及密度控制方法可以極大地提高產(chǎn)品的指標(biāo)。

表3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的密度預(yù)測及密度控制對比

6 結(jié)語及展望

基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的密度預(yù)測及密度控制方法核心在于煤質(zhì)資料的準(zhǔn)確性、在線灰分監(jiān)測的準(zhǔn)確性、密度控制的及時(shí)性和穩(wěn)定性。此方法可以有效提升產(chǎn)品煤的指標(biāo)。未來可以通過加大原煤煤質(zhì)分析頻率來校正原煤煤質(zhì)的特性，可以經(jīng)過提升在線灰分監(jiān)測的精度來提升此方法的準(zhǔn)確度，讓預(yù)測更加精準(zhǔn)、更加有指導(dǎo)意義，可以通過優(yōu)化密度控制算法，提升計(jì)算頻率等手段，提升密度控制的穩(wěn)定性，讓產(chǎn)品煤指標(biāo)更好，資源回收率更高。