煤泥水沉降检测控制系统开发与应用

徐 芳

（山东博选矿物资源技术开发有限公司，山东 济宁 272000）

亭南选煤厂为矿井型选煤厂，入洗亭南矿开采原煤。亭南选煤厂分选工艺为块末煤重介质旋流器分选+粗煤泥重介质旋流器分选+煤泥压滤回收。选煤厂仍采用人工配制的絮凝剂溶液，操作工根据经验手动调节加药量，不仅职工劳动强度大，而且加药计量误差大，造成对环境的负面影响。

1 研究背景

亭南煤矿选煤厂絮凝剂加药装置位于浓缩池东北侧一楼，主要由螺旋给料机、鼓风机、絮凝剂药剂搅拌桶、控制柜等组成，可进行就地启动。其原有工作原理是由螺旋给料机给料，由鼓风机吹入絮凝剂，与混合器供水腔下法兰开孔喷出的清水均匀混合一起注入搅拌桶，搅拌约1 h 后，制成一定浓度的凝聚剂溶液，然后再经水泵泵至储备池，平均供两个浓缩机使用。

该系统暂时为人工加药，且不具备远程集控、无人值守的功能。由于人工添加药剂不能实现添加过程均匀稳定，造成药剂污染和大量浪费，致使投入的药剂不能充分发挥凝聚作用，班工人劳动强度加大。因此，浓缩机加药系统急需进行升级改造。

2 技术原理

通过建立闭路控制的“智能化加药系统”，实现浓缩机自动加药系统采用前馈加反馈的控制，实现浓缩机加药系统无人值守、智能加药，实现药剂过量加药调节，为选煤厂及煤矿的数据化管理技术提供模块化系统，为未来搭建智慧选煤厂奠基。

3 技术研究路线

3.1 创新点及技术关键

设计开发了煤泥水絮凝沉降试验在线试验仪，优化了加药过程控制程序，实现闭环无人控制。创新了机器学习应用到选煤工艺控制中，优化了机器学习的梯度下降法用于加药量的计算，实现了特征函数的运用。

3.2 技术方案

自动加药系统的前部控制器的控制原理是，凭以往絮凝化学添加剂的经验值添加沉降实验而建立数学模型，以煤泥水总流量与浊度作为前馈控制器的输入信号，使用E-H 界面仪前馈控制，利用数学模型依据洗煤厂煤泥量计算出需要添加絮凝化学添加剂的用量，再进一步转化为机器控制的电机转速，通过控制电机转速达到控制药剂流量的目的，如图1。整个环节以煤泥水絮凝沉降试验在线试验仪的沉降实验曲线为输入信号，调控药剂浓度，保证溢流水质达到循环标准。通过煤泥水絮凝沉降试验在线试验仪，得出一组加药量和浊度数据，绘制两者的关系曲线，在曲线上通过梯度下降算法修正加药系统的算法，实现找到最佳沉降效果对应的药剂量。

图1 自动加药系统控制机理图

3.3 技术原理

接入螺旋给料机变频控制，鼓风机新增PLC 远控，从而控制絮凝剂给入量，控制药剂量，实现对药剂浓度的可控调节，避免人工经验的误差。将原有的不能正常使用的手动阀和正常使用的手动阀更换为新的电磁阀，实现远程就地控制，进行自动补水、加药作业。

4 现场实施

根据PLC 系统控制要求实施现场改进优化，达到数据采集、过程自动化控制要求，以完成全自动化控制为改造目标。

（1）螺旋给料机给料漏斗进行扩容改造。现有鼓风给料机干粉药剂箱尺寸为590 mm×540 mm，无法满足一个班组值守200 kg 药剂量的需求，扩容至原有四倍容量。鼓风给料机药剂箱扩容增高后，一个班组内不需要人工进行添加干粉药剂的工作。

（2）接入螺旋给料机变频控制，鼓风机新增PLC 远控，从而控制絮凝剂给入量，控制药剂量，实现对药剂浓度的可控调节，避免人工经验的误差。

（3）现场阀门大多为手动阀，需要添加电磁阀。将原有的不能正常使用的手动阀和正常使用的手动阀更换为新的电磁阀，实现远程就地控制，进行自动补水、加药作业。

（4）新增液位计，在储备池及药剂搅拌装置新增液位计，监测药剂液位。

（5）新增絮凝剂浓度计，在絮凝剂出药管道新增絮凝剂浓度计，实时监控药剂浓度。

（6）新增浓缩机煤泥水浊度监测装置（浊度仪）。在浓缩机（3 台）位置增加3 台E+H 界面仪、3 台浊度仪，以其浊度值的高低对煤泥水的加药量进行二次修订，根据其指标反馈，设定加药量。

（7）搭建远程控制界面，新增独立的自动加药机PLC 系统，新增传感器指令模块，实现一键启动、远程停送药、超限（故障）报警、自动调整加药参数等功能。

（8）对现有煤泥水性质进行沉降试验，统计出多个适应各种煤泥水性质的控制方案，以供加药系统智能控制浓缩池药剂浓度，确保加药更及时、准确。

5 煤泥水絮凝沉降试验在线试验仪

（1）设备内容。煤泥水絮凝沉降试验在线试验仪模拟人工试验的方法，实现自动精确采取煤泥水样检测的全过程，最终输出 4～20 mA 信号，集控中心显示絮凝剂加药量和清水层浊度之间的关系曲线，并能输出开关量，以便联动声光报警和执行机构。该试验仪能够量化清水层的质量指标，提供关系曲线，为合理用药提供理论支持，进而降低系统药剂消耗，消除过度用药而增加的环保隐患，具有较高的实用和推广价值。

（2）工作原理。试验样品由浓缩池入料管中上部自流方式给入试验柱体顶部支管；液体加药定量装置用于液体絮凝剂加药的计量；清水冲洗管位于试验柱体的顶部待清扫装置的支管，用于试验柱体的清洗；浊度传感器安装在试验柱体，用于监测煤泥水的浊度；磁力搅拌装置位于试验柱体的底部，用于煤泥水的搅拌；各管路上均配备电磁开关，根据试验进程需要，由上位机控制各管路的开合和流量的调节；根据加药量和清水层浊度，绘制加药量和清水层浊度变化曲线。

（3）实现目的。煤泥水絮凝沉降试验在线试验仪由采样给料管、试验柱体、清水冲洗管、定量溢流管、液体加药定量装置、浊度传感器、电磁开关、电磁泵、磁力搅拌器、PLC/PID 控制器、工业计算机和显示器组成。试验柱体位于试验仪暗箱内，为带有多个支管接口的透明有机玻璃圆柱体；采样给料管采集煤泥水样部位为浓缩池入料管中上部，自流方式给入试验柱体顶部支管，为煤泥池加药提供加药量依据。该仪器应用后，将提供浓缩池加药量的理论数据，降低系统药耗，杜绝过度用药，节约材料费，尽可能减轻药剂对生态环境的影响。

6 经济社会效益

（1）经济效益分析。① 人工效益。改造后选煤厂浓缩车间人员为1 人在岗，目前人员为2 人在岗，按人均工资10 万元/ 年，可节约10 万元/年。② 降低损耗效益。该项目应用后吨煤药剂使用量减少15 g/t，每年入洗量按500 万t 计算，酰胺平均单价为13 155 元/t，年节约药物费用为5 000 000×15÷1000÷1000×13 155=98.66 万元。

（2）社会效益分析。自动加药去除人为因素，节约药品，降低对环境的影响。在地面集中监测监控，现场减员，岗位无人则安，通过实现无人值守减少巡检人员在固定地点作业时间，从源头上杜绝人员伤亡的可能性。

（3）环境效益分析。改造后，选煤厂溢流水质达到循环标准，生活废水大大减少。