使用地下水污水流量計監測浮選系統提高藥劑消耗的準確性
點擊次數：2616 發布時間：2021-08-19 07:17:20
摘要: 針對浮選成本高、效率低，浮選精煤質量難以保證的問題，呂家坨選煤廠的浮選自動加藥及乳化控制系統采用以 S7 － 300 PLC 為控制器，用地下水污水流量計和煤泥濃度計分別檢測進入浮選系統的流量和濃度，PLC 計算藥劑的加入量，變頻控制計量泵，乳化器實時準確的對藥劑實施乳化和加入。生產實踐表明，控制軟件采用人工智能技術并結合數字濾波，使測量、計算數據存儲數據曲線，藥劑消耗量準確可靠。
開灤能源化工股份有限公司呂家坨選煤廠(以下簡稱呂家坨選煤廠) 設計能力為 3. 0 Mt /a，生產工藝為重介、浮選聯合工藝，該廠浮選工藝為原生煤泥和重介分流煤泥進入 2 個煤泥混料桶，然后進入 2 個礦漿預處理器，1 個礦漿預處理器供料2 個浮選機，4 個浮選機的精礦進入再選預處理器，供再選浮選機。呂家坨選煤廠煤泥水量大，浮選系統設備多、工藝復雜，每班操作人員少，實現其全面自動化控制是非常必要的。
浮選是洗選 ＜ 0. 5 mm 煤泥*有效的方法，利用浮選可以降低煤泥的灰分和硫分。在我國，煤泥浮選的處理量一般占全部入選量的 20% 左右。因 此，在煤炭潔凈生產中，強化、優化浮選過程是一個十分重要的環節。傳統的浮選生產都是依靠浮選司機經驗操作，生產效率較低，一些主要工藝參數，如礦漿流量、礦漿濃度、藥劑添加、尾礦灰分等都沒有做到實時定量。人工操作相對于自動加藥和乳化作業既不準確也不及時，造成浮選成本高、效率低，浮選精煤質量難以保證。對該過程實現自動控制，可以提高精煤產率、準確控制精煤灰分、節省浮選藥劑、改善工作環境和降低工人的勞動強度。
浮選自動加藥及乳化控制系統對穩定浮選精煤灰分，提高藥劑分散度及顆粒接觸面積起到了一定的作用，獲得了較好的經濟效益和社會效益，也是選煤廠實現人工智能控制的有效單元。
1 硬件構成
該系統設有自動控制柜，配有工業控制計算機和礦漿濃度計、流量計、藥劑計量泵、藥劑乳化裝置等單元組成，根據選煤廠浮選工藝的設計，在操作面板和工控機均設有起泡劑和捕收劑的設定旋鈕電位器，旋鈕設定只針對噸干煤泥的藥比，且具有全部的手、自動操作裝置。儀表柜內裝有流量計和濃度計等二次檢測儀表，乳化器的操作及控制在裝置本身上。開關電源、隔離模塊、PLC 等安裝在操作臺內部，為提高系統的可靠性，所有控制和信號線纜全部采用 ＲVVP － 銅芯聚氯乙烯絕緣屏蔽型護套軟電纜，該電纜外層有較密的銅網屏蔽，信號穩定可靠。
1. 1 PLC 可編程序控制器
系統控制核心由西門子 S7 － 300 的 CPU 及模擬量、數字量輸入∕輸出模塊組成，輸入∕輸出通道均采取光電隔離等措施，大大提高了系統的抗干擾性能，可穩定工作在較惡劣的生產環境中。軟件采用 SIEMENS STEP7 6. 0 編程，用戶界面全部漢化，各功能采用菜單提示，界面友好，易于操作。控制程序主要完成的功能: 數據采集、數字濾波、控制模型運算、PID 輸出、存貯、顯示生產主要工藝參數及運行歷史曲線。呂家坨選煤廠采用 3 臺礦漿預處理器、6 臺 16 m3機械攪拌式浮選機，分兩期施工，在軟件設計時采用兩臺 PLC 并行運行方式，兩臺控制柜分別控制南北浮選系統和新系統，內部含有 SIEMENS S7 － 300 系列 PLC，ABB 變頻器。計算機組成網絡系統，與兩臺 PLC 組成 MPI網絡，系統*大的優點是獨立運行能力強。對計量泵的控制是輸出動力電源，由變頻器直接接線到計量泵電動機。輸入信號是兩臺流量計、兩臺濃度計，是 4 ～ 20 mADC 信號。控制柜采用 380VAC 動力電源。
1. 2 地下水污水流量計
流量計一般采用電磁式結構，根據現場工藝狀況，分別在原礦漿管道和稀釋水管道上，根據管徑選用不同的規格，管徑一般在100 ～ 500 mm 之 間。本系統采用 LZD 一體防爆型地下水污水流量計，整體設計符合 GB 3836-2000 爆炸性氣體使用環境要求，儀器儀表特點為: **的單片機智能化管理，分流量段進行修正，確保流量計量的準確性與穩定性; 傳感器測量管內無活動及阻流部件，因此無壓力損失，無阻塞; 合理選用襯里材料及電極材料，可實現良好的耐腐蝕性和耐磨性; 測量不受液體的密度、粘度、溫度、壓力和電導率變化的影響; 低頻矩形波勵磁，不受工頻及現場各種雜散干擾的影響，工作穩定可靠; 不受流體方向影響，正、反向均可準確計量; 高阻快速響應電路，無失真采集微弱信號和快速反應流量變化; 寬量程比 (0. 3 ～ 10 m /s)，滿量程流速范圍寬; 具有小信號切除功能，用戶可通過設置切除干擾性小流量; 大屏幕多參數同步顯示，瞬時流量、流速、正負向累計總量以及報警提示等; 故障自診斷功能，當流量計工作異常時，測量界面顯示故障部位及報警; 紅外遙控功能、磁力感應式非接觸操作以及按鍵接觸操作，操作多樣、方便。測量精度可達 1. 5% ，相對濕度在 5% ～ 95% 之間。
安裝方向可垂直、水平、傾斜，但水平安裝時要求二電極的中心軸線處于水平狀態，安裝應保證測量管內能充滿介質，不能有不滿管現象或有大量氣泡通過傳感器。對于液固兩相介質，*好是垂直安裝，流體自下而上流動。這樣既可避免固體顆粒在測量管中沉積，又使襯里的磨損均勻，延長使用壽命。為了避免在安裝后形成旋渦流，應保證連接管、密封件、接地環及感應器這四者同心連接，不要相互錯開。要求前置直管段長為 5 倍管道內徑，后置直管段長為 3 倍管道內徑。
1. 3 濃度計
濃度計一般分為同位素濃度計和雙膜盒差壓濃度計。雖然同位素濃度計的測量精度較高，但由于價格昂貴難于維護和管理，目前現場一般推薦使用雙膜盒式濃度計，該儀表安裝容易、使用安全和易于管理，實踐證明這種方式的濃度計也能滿足生產要求。選煤廠浮選生產中，入浮濃度是一個重要參數，它直接關系到洗選效果與精煤產率。*佳入浮濃度由小浮選試驗得出，多數選煤廠*佳入浮濃度在 80 ～ 120 g /L 之間。主要技術參數為: 測量精度為 0. 25% ，通過儀表量程的遷移，選取密度測量變化范圍為 1 000 ～ 1 200 g /L 的上下限值，對應測量信號為 4 ～ 20 mA，實際誤差應在±0. 5 g /L。管徑范圍為 0 ～ 750 mm，環境溫度為 － 10 ～ 50 ℃。
1. 4 變頻式藥劑計量泵
計量泵在市場上有多種方式，其流量調節基本有兩種: 一是調節泵的柱塞行程長度; 二是采用變頻器改變電源頻率調節泵速，后者便于實現流量的控制和計算機管理。主要技術參數為: 測量精度為±1% ，測量范圍為 0 ～ 300 L /h 可調，環境溫度為－ 10 ～ 50 ℃。
1. 5 單一藥劑乳化器
選煤廠浮選藥劑乳化裝置是將藥劑和水制成乳化液，實現藥劑的合理使用，將對浮選效果和節約藥劑起到一定的作用。在使用中可根據藥劑和水的配制比例觀察藥劑的乳化效果，通過乳化器操作箱內的的電位器調整水泵轉速，即調整乳化壓力。自動加藥控制是根據入浮流量與入浮濃度的檢測結果，控制起泡劑與捕收劑的加入。乳化器的工作原理如圖 1 所示。
2 控制原理及功能
2. 1 藥劑自動添加原理
藥劑添加是浮選生產中的重要環節，其添加量的大小、準確與否和油醇配比等都直接影響產品的質量、效果及經濟效益。傳統浮選司機憑經驗調節油嘴加藥，沒有做到定量，在流量、濃度、煤質發生變化時，不能及時調節，產品質量難以保證，尾礦跑粗現象嚴重。
STD － Ⅲ型浮選工藝參數自動測控系統通過雙膜盒差壓計測量原礦漿濃度; 采用地下水污水流量計測量原礦漿流量，由 PLC 計算出入浮干煤泥量和藥劑的瞬時添加量，用變頻式計量泵完成浮選藥劑的添加。通過上位機還可以打印小時、班、天及月的運行數據，更加有利于生產管理及技術分析，藥劑自動原理如圖 2 所示，k1、k2、k3 是計算修正參數。以 PID 算法為核心，通過優化控制程序計算出藥劑給定量，在捕收劑和起泡劑管道上分別安裝藥劑測量裝置，用于檢測藥劑的添加量。當藥劑測量值小于藥劑給定量時，PID 輸出增大，反之則減小。加藥泵變頻器控制原理如圖 3 所示。
2. 2 改變藥強控制浮選精煤灰分
在控制系統中，通過對入浮礦漿的流量、濃度檢測，計算出入浮的煤泥量，根據人工設定的藥劑加入量/噸煤泥，計算出起泡劑和捕收劑的加入量，然后通過在線乳化，分別送到礦漿預處理器和浮選機各室。調節藥強旋鈕可以改變噸煤耗油量，這樣選煤廠可根據客戶要求，方便生產出不同灰分等級的浮選精煤產品。
2. 3 乳化器構成及操作
射流泵可產生一定壓力，通過文李氏管將藥劑吸入，并和水形成乳化液。
電氣操作箱通過對電機頻率的調整可使射流泵改變供水壓力，即達到調整乳化效果。操作箱上有啟動、停止按鈕，可控制射流泵的運行，操作箱內部有一個電位器，可用來調節射流泵電機的轉速，即調節射流泵產生的水壓力，可通過乳化器上的壓力表觀察，一般壓力調節到 0. 25 ～ 0. 4 MPa 之間即可，在變頻器的小顯示屏上可查看運轉速度，電機電流等參數。
在乳化裝置的進水管處應安裝有閥門，工作前將該進水閥們打開，然后開啟操作箱的啟動按鈕，注意觀察供水壓力，通常在 0. 25 ～ 0. 5 MPa 范圍內調整 (注意觀察乳化效果) 調整射流泵壓力。該裝置停止時，按操作箱上的停止按鈕，關閉進水閥門。
系統的控制柜、操作臺和現場儀表在布線時，要信號線與動力線嚴格分開，無法分開的地方控制線要求穿管，以防動力電源干擾控制信號。
2. 4 參數設定操作
系統具有電腦操作和控制柜手動操作，而電腦操作又有手動和自動兩種方式，在自動狀態下有測量參數的實際值和人工給定值得選擇。手動運行是通過拖動鼠標條改變藥劑量的添加。選擇自動時系統是根據流量、濃度、起泡劑設定、捕收劑設定，自動確定藥劑的加入量，此時手動拖動鼠標條是沒用的。藥劑比是由捕收劑除起泡劑運算所得，在自動運行時，需**調整起泡劑設定和捕收劑設定。
3 結語
以呂家坨選煤廠應用前后的對比，在正確使用的情況下，除穩定產品煤質量、縮小精煤灰分區間外，回收 率 可 提 高 1 ～ 1. 5 個 百 分 點，以 選 煤 廠(3. 0 Mt /a) 年處理60 萬 t 浮選煤泥計算，可多產出商品煤 0. 6 ～0. 9 萬 t ，按噸精煤中煤差價 500 元計算，可增加收入300 ～450 萬元 ; 另外還使浮選藥劑的消耗下降了 10 ～15 個百分點，節省藥劑 180 ～ 270萬元。浮選自動加藥及乳化控制系統實現了浮選生產過程中參數的精確實時檢測、內部數據浮點運算及精準的藥劑加入量自動控制，實時在線的藥劑乳化及加入，降低浮選藥劑消耗、穩定了浮選精煤灰分、提高了浮選精煤產率、減輕了工人勞動強度。該系統通過多種網絡接口可實現與全廠自動化系統的數據共享，下一步可結合浮選精煤灰分和尾礦灰分的測量，采用大數據處理技術構建浮選灰分智能控制閉環，實現浮選精煤灰分的在線測控，對提高選煤廠的運行質量和經濟效益有較大的意義。
如何保證地下管道污水流量計監測數據的可靠性與準確性
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浮選是洗選 ＜ 0. 5 mm 煤泥*有效的方法，利用浮選可以降低煤泥的灰分和硫分。在我國，煤泥浮選的處理量一般占全部入選量的 20% 左右。因 此，在煤炭潔凈生產中，強化、優化浮選過程是一個十分重要的環節。傳統的浮選生產都是依靠浮選司機經驗操作，生產效率較低，一些主要工藝參數，如礦漿流量、礦漿濃度、藥劑添加、尾礦灰分等都沒有做到實時定量。人工操作相對于自動加藥和乳化作業既不準確也不及時，造成浮選成本高、效率低，浮選精煤質量難以保證。對該過程實現自動控制，可以提高精煤產率、準確控制精煤灰分、節省浮選藥劑、改善工作環境和降低工人的勞動強度。
浮選自動加藥及乳化控制系統對穩定浮選精煤灰分，提高藥劑分散度及顆粒接觸面積起到了一定的作用，獲得了較好的經濟效益和社會效益，也是選煤廠實現人工智能控制的有效單元。
1 硬件構成
該系統設有自動控制柜，配有工業控制計算機和礦漿濃度計、流量計、藥劑計量泵、藥劑乳化裝置等單元組成，根據選煤廠浮選工藝的設計，在操作面板和工控機均設有起泡劑和捕收劑的設定旋鈕電位器，旋鈕設定只針對噸干煤泥的藥比，且具有全部的手、自動操作裝置。儀表柜內裝有流量計和濃度計等二次檢測儀表，乳化器的操作及控制在裝置本身上。開關電源、隔離模塊、PLC 等安裝在操作臺內部，為提高系統的可靠性，所有控制和信號線纜全部采用 ＲVVP － 銅芯聚氯乙烯絕緣屏蔽型護套軟電纜，該電纜外層有較密的銅網屏蔽，信號穩定可靠。
1. 1 PLC 可編程序控制器
系統控制核心由西門子 S7 － 300 的 CPU 及模擬量、數字量輸入∕輸出模塊組成，輸入∕輸出通道均采取光電隔離等措施，大大提高了系統的抗干擾性能，可穩定工作在較惡劣的生產環境中。軟件采用 SIEMENS STEP7 6. 0 編程，用戶界面全部漢化，各功能采用菜單提示，界面友好，易于操作。控制程序主要完成的功能: 數據采集、數字濾波、控制模型運算、PID 輸出、存貯、顯示生產主要工藝參數及運行歷史曲線。呂家坨選煤廠采用 3 臺礦漿預處理器、6 臺 16 m3機械攪拌式浮選機，分兩期施工，在軟件設計時采用兩臺 PLC 并行運行方式，兩臺控制柜分別控制南北浮選系統和新系統，內部含有 SIEMENS S7 － 300 系列 PLC，ABB 變頻器。計算機組成網絡系統，與兩臺 PLC 組成 MPI網絡，系統*大的優點是獨立運行能力強。對計量泵的控制是輸出動力電源，由變頻器直接接線到計量泵電動機。輸入信號是兩臺流量計、兩臺濃度計，是 4 ～ 20 mADC 信號。控制柜采用 380VAC 動力電源。
1. 2 地下水污水流量計
流量計一般采用電磁式結構，根據現場工藝狀況，分別在原礦漿管道和稀釋水管道上，根據管徑選用不同的規格，管徑一般在100 ～ 500 mm 之 間。本系統采用 LZD 一體防爆型地下水污水流量計，整體設計符合 GB 3836-2000 爆炸性氣體使用環境要求，儀器儀表特點為: **的單片機智能化管理，分流量段進行修正，確保流量計量的準確性與穩定性; 傳感器測量管內無活動及阻流部件，因此無壓力損失，無阻塞; 合理選用襯里材料及電極材料，可實現良好的耐腐蝕性和耐磨性; 測量不受液體的密度、粘度、溫度、壓力和電導率變化的影響; 低頻矩形波勵磁，不受工頻及現場各種雜散干擾的影響，工作穩定可靠; 不受流體方向影響，正、反向均可準確計量; 高阻快速響應電路，無失真采集微弱信號和快速反應流量變化; 寬量程比 (0. 3 ～ 10 m /s)，滿量程流速范圍寬; 具有小信號切除功能，用戶可通過設置切除干擾性小流量; 大屏幕多參數同步顯示，瞬時流量、流速、正負向累計總量以及報警提示等; 故障自診斷功能，當流量計工作異常時，測量界面顯示故障部位及報警; 紅外遙控功能、磁力感應式非接觸操作以及按鍵接觸操作，操作多樣、方便。測量精度可達 1. 5% ，相對濕度在 5% ～ 95% 之間。
安裝方向可垂直、水平、傾斜，但水平安裝時要求二電極的中心軸線處于水平狀態，安裝應保證測量管內能充滿介質，不能有不滿管現象或有大量氣泡通過傳感器。對于液固兩相介質，*好是垂直安裝，流體自下而上流動。這樣既可避免固體顆粒在測量管中沉積，又使襯里的磨損均勻，延長使用壽命。為了避免在安裝后形成旋渦流，應保證連接管、密封件、接地環及感應器這四者同心連接，不要相互錯開。要求前置直管段長為 5 倍管道內徑，后置直管段長為 3 倍管道內徑。
1. 3 濃度計
濃度計一般分為同位素濃度計和雙膜盒差壓濃度計。雖然同位素濃度計的測量精度較高，但由于價格昂貴難于維護和管理，目前現場一般推薦使用雙膜盒式濃度計，該儀表安裝容易、使用安全和易于管理，實踐證明這種方式的濃度計也能滿足生產要求。選煤廠浮選生產中，入浮濃度是一個重要參數，它直接關系到洗選效果與精煤產率。*佳入浮濃度由小浮選試驗得出，多數選煤廠*佳入浮濃度在 80 ～ 120 g /L 之間。主要技術參數為: 測量精度為 0. 25% ，通過儀表量程的遷移，選取密度測量變化范圍為 1 000 ～ 1 200 g /L 的上下限值，對應測量信號為 4 ～ 20 mA，實際誤差應在±0. 5 g /L。管徑范圍為 0 ～ 750 mm，環境溫度為 － 10 ～ 50 ℃。
1. 4 變頻式藥劑計量泵
計量泵在市場上有多種方式，其流量調節基本有兩種: 一是調節泵的柱塞行程長度; 二是采用變頻器改變電源頻率調節泵速，后者便于實現流量的控制和計算機管理。主要技術參數為: 測量精度為±1% ，測量范圍為 0 ～ 300 L /h 可調，環境溫度為－ 10 ～ 50 ℃。
1. 5 單一藥劑乳化器
選煤廠浮選藥劑乳化裝置是將藥劑和水制成乳化液，實現藥劑的合理使用，將對浮選效果和節約藥劑起到一定的作用。在使用中可根據藥劑和水的配制比例觀察藥劑的乳化效果，通過乳化器操作箱內的的電位器調整水泵轉速，即調整乳化壓力。自動加藥控制是根據入浮流量與入浮濃度的檢測結果，控制起泡劑與捕收劑的加入。乳化器的工作原理如圖 1 所示。
2 控制原理及功能
2. 1 藥劑自動添加原理
藥劑添加是浮選生產中的重要環節，其添加量的大小、準確與否和油醇配比等都直接影響產品的質量、效果及經濟效益。傳統浮選司機憑經驗調節油嘴加藥，沒有做到定量，在流量、濃度、煤質發生變化時，不能及時調節，產品質量難以保證，尾礦跑粗現象嚴重。
STD － Ⅲ型浮選工藝參數自動測控系統通過雙膜盒差壓計測量原礦漿濃度; 采用地下水污水流量計測量原礦漿流量，由 PLC 計算出入浮干煤泥量和藥劑的瞬時添加量，用變頻式計量泵完成浮選藥劑的添加。通過上位機還可以打印小時、班、天及月的運行數據，更加有利于生產管理及技術分析，藥劑自動原理如圖 2 所示，k1、k2、k3 是計算修正參數。以 PID 算法為核心，通過優化控制程序計算出藥劑給定量，在捕收劑和起泡劑管道上分別安裝藥劑測量裝置，用于檢測藥劑的添加量。當藥劑測量值小于藥劑給定量時，PID 輸出增大，反之則減小。加藥泵變頻器控制原理如圖 3 所示。
2. 2 改變藥強控制浮選精煤灰分
在控制系統中，通過對入浮礦漿的流量、濃度檢測，計算出入浮的煤泥量，根據人工設定的藥劑加入量/噸煤泥，計算出起泡劑和捕收劑的加入量，然后通過在線乳化，分別送到礦漿預處理器和浮選機各室。調節藥強旋鈕可以改變噸煤耗油量，這樣選煤廠可根據客戶要求，方便生產出不同灰分等級的浮選精煤產品。
2. 3 乳化器構成及操作
射流泵可產生一定壓力，通過文李氏管將藥劑吸入，并和水形成乳化液。
電氣操作箱通過對電機頻率的調整可使射流泵改變供水壓力，即達到調整乳化效果。操作箱上有啟動、停止按鈕，可控制射流泵的運行，操作箱內部有一個電位器，可用來調節射流泵電機的轉速，即調節射流泵產生的水壓力，可通過乳化器上的壓力表觀察，一般壓力調節到 0. 25 ～ 0. 4 MPa 之間即可，在變頻器的小顯示屏上可查看運轉速度，電機電流等參數。
在乳化裝置的進水管處應安裝有閥門，工作前將該進水閥們打開，然后開啟操作箱的啟動按鈕，注意觀察供水壓力，通常在 0. 25 ～ 0. 5 MPa 范圍內調整 (注意觀察乳化效果) 調整射流泵壓力。該裝置停止時，按操作箱上的停止按鈕，關閉進水閥門。
系統的控制柜、操作臺和現場儀表在布線時，要信號線與動力線嚴格分開，無法分開的地方控制線要求穿管，以防動力電源干擾控制信號。
2. 4 參數設定操作
系統具有電腦操作和控制柜手動操作，而電腦操作又有手動和自動兩種方式，在自動狀態下有測量參數的實際值和人工給定值得選擇。手動運行是通過拖動鼠標條改變藥劑量的添加。選擇自動時系統是根據流量、濃度、起泡劑設定、捕收劑設定，自動確定藥劑的加入量，此時手動拖動鼠標條是沒用的。藥劑比是由捕收劑除起泡劑運算所得，在自動運行時，需**調整起泡劑設定和捕收劑設定。
3 結語
以呂家坨選煤廠應用前后的對比，在正確使用的情況下，除穩定產品煤質量、縮小精煤灰分區間外，回收 率 可 提 高 1 ～ 1. 5 個 百 分 點，以 選 煤 廠(3. 0 Mt /a) 年處理60 萬 t 浮選煤泥計算，可多產出商品煤 0. 6 ～0. 9 萬 t ，按噸精煤中煤差價 500 元計算，可增加收入300 ～450 萬元 ; 另外還使浮選藥劑的消耗下降了 10 ～15 個百分點，節省藥劑 180 ～ 270萬元。浮選自動加藥及乳化控制系統實現了浮選生產過程中參數的精確實時檢測、內部數據浮點運算及精準的藥劑加入量自動控制，實時在線的藥劑乳化及加入，降低浮選藥劑消耗、穩定了浮選精煤灰分、提高了浮選精煤產率、減輕了工人勞動強度。該系統通過多種網絡接口可實現與全廠自動化系統的數據共享，下一步可結合浮選精煤灰分和尾礦灰分的測量，采用大數據處理技術構建浮選灰分智能控制閉環，實現浮選精煤灰分的在線測控，對提高選煤廠的運行質量和經濟效益有較大的意義。