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關(guān)于氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)自動(dòng)控制過(guò)程分析與應(yīng)用情況
點(diǎn)擊次數(shù)：3088 發(fā)布時(shí)間：2021-01-20 07:36:40
摘要：為進(jìn)一步提升選煤廠對(duì)細(xì)煤顆粒的浮選效果，減少環(huán)境污染，對(duì)原有氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)制過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在簡(jiǎn)要介紹浮選原理的基礎(chǔ)上，給出優(yōu)化后的氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)制造工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)對(duì)加藥量控制、給礦濃度控制以及給礦量控制進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)與分析。優(yōu)化后的氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)制造方案在原選煤廠進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，應(yīng)用結(jié)果表明，優(yōu)化方案的浮選指標(biāo)（藥劑消耗、抽出率、灰分）均有明顯提升，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，極大地降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，值得推廣。
引言
國(guó)內(nèi)選煤廠設(shè)備大型化以及采煤機(jī)械化的不斷發(fā)展，使得細(xì)粒煤粉不斷增多。粉煤的粒度越細(xì)，給選煤工作帶來(lái)的難度也 就 越 大，對(duì)選煤方法也就提出更高的要求。浮選法主要用于細(xì)顆粒煤泥的分選，根據(jù)礦物原料表面性質(zhì)的差異，調(diào)節(jié)加藥量、給礦量、給礦濃度等參數(shù)，將細(xì)顆粒礦物礦漿分離成滿足控制要求的精礦和尾礦，實(shí)現(xiàn)礦物分 選。傳統(tǒng)選煤廠的浮選工作停留在人工手動(dòng)操作階段，工人依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)浮選過(guò)程進(jìn)行觀察和操作，并達(dá)到一個(gè)滿意的浮選效 果。國(guó)內(nèi)外對(duì)礦物浮選的研究較多，如國(guó)外對(duì)浮選柱的研究起源于１９１５年，到２０世紀(jì)８０年代各種新型浮選柱層出不窮，并在浮選藥劑、空氣發(fā)生器等方面有較大改善和發(fā)展。國(guó)內(nèi)對(duì)浮選柱的研究于２０世紀(jì)５０年代開始，并研制出自己的浮選柱，高度越來(lái)越低、充氣方式逐步完善、礦化方式多樣化。浮選過(guò)程具有滯后性和慣性，且是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，控制過(guò)程中需要協(xié)調(diào)的變量較多，單純依靠人工經(jīng)驗(yàn)無(wú)法達(dá)到浮選指標(biāo)。為進(jìn)一步提高細(xì)煤顆粒的分選效果，減少環(huán)境污染，必須對(duì)現(xiàn)有的氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)制造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
１浮選原理簡(jiǎn)介
浮選是依據(jù)礦物原料表面的化學(xué)性質(zhì)，向待浮選的礦漿中加入浮選藥劑和空氣，使其與礦漿充分融合，并根據(jù)各礦物原料的黏附程度的不同，分選出不同的礦物。浮選過(guò)程一般分為礦漿碰撞、黏附、上浮以及精煤溢出四個(gè)階段。礦物原料在浮選藥劑的作用下，與 空氣發(fā)生器產(chǎn)生的小氣泡發(fā)生充分碰撞，進(jìn)行礦物捕集。利用礦物間的疏水特性，礦物粘附于氣泡表面，氣泡不斷上浮，形成精礦泡沫層，精礦溢出浮選柱；由于尾礦的親水特性，尾礦沉入底部并排出。浮選流程如圖１所示。
２系統(tǒng)設(shè)計(jì)
氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)制造過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖２所示，由上位機(jī)、 ＰＬＣ控制器以及外部元器件組成。上位機(jī)用于顯示氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)制造過(guò)程狀態(tài)參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)以及故障信息的顯示；ＰＬＣ控制器是該系統(tǒng)的核心，以通信方式將浮選過(guò)程各數(shù)據(jù)信息傳送給上位機(jī)，與系統(tǒng)外接的各傳感器、流量計(jì)、泵以模擬量輸入／輸出擴(kuò)展模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
外部元器件中的用于模擬量輸入信號(hào)采集的壓力傳感器測(cè)量泡沫層液位高度，泡沫層厚定義為液位低，泡沫層薄定義為液位高；科氏質(zhì)量流量計(jì)用于檢測(cè)礦漿的濃度，其原理是根據(jù)科里奧利效應(yīng)，即礦漿流經(jīng)管子時(shí)會(huì)產(chǎn)生科里奧利力使其發(fā)生形變，根據(jù)礦漿質(zhì)量流量和密度可得到礦漿濃度。為彌補(bǔ)科氏質(zhì)量流量計(jì)安裝的不足，增加超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)共同檢測(cè)礦漿濃度。用于模擬量輸出信號(hào)采集的外部元器件有變頻泵、離心式渣漿泵以及隔膜計(jì)量泵，分別用于尾礦控制、給礦控制以及給藥控制。
３自動(dòng)控制過(guò)程分析
３．１ 加藥量控制
加藥量控制過(guò)程是一個(gè)隨機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程，給定藥劑加藥量與礦漿流量以及礦漿濃度的關(guān)系如下：
Ｇ ＝Ｋ·Ｑ·ｑ（Ａ －Ｂ·ｑ） （１）
式中：Ｇ為原給定藥劑加藥量，ｋｇ／ｔ；Ｑ為礦漿流量， ｍ３／ｈ；ｑ為礦漿濃 度，ｇ／Ｌ；Ｋ為噸 煤 油 耗 量，ｋｇ／ｔ，Ａ 與 Ｂ 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
圖３中的礦漿流量與礦漿濃度分別由科氏質(zhì)量流量計(jì)和超聲波流量計(jì)測(cè)得，并 以４～２０ｍＡ 電流信號(hào)傳送給 ＰＬＣ控制器。由 ＰＬＣ控制器根據(jù)電流信號(hào)值計(jì)算出實(shí)際的礦漿濃度和礦漿流量值，對(duì)上述兩個(gè)值進(jìn)行邏輯處理以及運(yùn)算，得出實(shí)時(shí)加藥量。ＰＬＣ 控制器將計(jì)算出的實(shí)時(shí)加藥量數(shù)據(jù)以４～２０ｍＡ 的電流信號(hào)發(fā)送給隔膜計(jì)量泵，由其控制并實(shí)現(xiàn)加藥量過(guò)程的自動(dòng)控制。
３．２ 給礦濃度控制
給礦濃度控制策略采用常規(guī)的ＰＩＤ調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，如圖４所示。在該控制系統(tǒng)中，給礦濃度設(shè)定值以及反饋的給礦濃度檢測(cè)值為ＰＩＤ調(diào)節(jié)器的輸 入，ＰＩＤ 調(diào)節(jié)器的輸出為變頻泵的頻率。該頻率可進(jìn)行自動(dòng)與手動(dòng)兩種控制模式。以變頻控制方式對(duì)濃密機(jī)的底流泵進(jìn)行精密轉(zhuǎn)速控制，即可控制濃密機(jī)排出的底流礦漿的濃度。
以式（２）為基礎(chǔ)，對(duì)礦濃度進(jìn)行 ＰＩＤ調(diào)節(jié)控制，實(shí)時(shí)控制濃密機(jī)底流泵轉(zhuǎn)速，保證濃密機(jī)排出的底流礦漿濃度在合理區(qū)間。
３．３ 給礦量控制
由于給礦量控制過(guò)程沒有滯后性干擾，因此其控制策略可用 ＰＩ調(diào)節(jié)器控制完成，如圖５所示。ＰＩ調(diào)節(jié)器的輸入為給礦量設(shè)定值以及反饋的給礦量檢測(cè)值，其輸出為調(diào)節(jié)閥的輸入。對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作模式，即調(diào)節(jié)閥的開度既可以自動(dòng)控制，也可以手動(dòng)控制。
以式（３）為基礎(chǔ)，對(duì)給礦量進(jìn)行 ＰＩ調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)閥的開度，并對(duì)給礦量進(jìn)行精確控制。
４ 應(yīng)用情況
氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)制造過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后，在原選煤廠進(jìn)行為期三個(gè)月的工業(yè)試驗(yàn)，并對(duì)優(yōu)化前后的浮選關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。應(yīng)用情況數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的浮選自動(dòng)控制系統(tǒng)，各關(guān)鍵浮選指標(biāo)參數(shù)都有明顯提升，詳見表１
５ 結(jié)語(yǔ)
提升并加快選煤廠浮選過(guò)程的自動(dòng)化、智能化進(jìn)程迫在眉睫，是進(jìn)一步提升細(xì)煤分選效果、減少環(huán)境污染的必由之路。浮選過(guò)程的藥劑控制、給礦量流量／濃度檢測(cè)、空氣發(fā)生器控制、液位控制等方面都需要進(jìn)一步展開研究。在后續(xù)的工作中，需要在硬件設(shè)備選 型、控 制 模型／算法優(yōu)化、全過(guò)程的自動(dòng)化／智能化以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面進(jìn)行更深入的研究。
引言
國(guó)內(nèi)選煤廠設(shè)備大型化以及采煤機(jī)械化的不斷發(fā)展，使得細(xì)粒煤粉不斷增多。粉煤的粒度越細(xì)，給選煤工作帶來(lái)的難度也 就 越 大，對(duì)選煤方法也就提出更高的要求。浮選法主要用于細(xì)顆粒煤泥的分選，根據(jù)礦物原料表面性質(zhì)的差異，調(diào)節(jié)加藥量、給礦量、給礦濃度等參數(shù)，將細(xì)顆粒礦物礦漿分離成滿足控制要求的精礦和尾礦，實(shí)現(xiàn)礦物分 選。傳統(tǒng)選煤廠的浮選工作停留在人工手動(dòng)操作階段，工人依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)浮選過(guò)程進(jìn)行觀察和操作，并達(dá)到一個(gè)滿意的浮選效 果。國(guó)內(nèi)外對(duì)礦物浮選的研究較多，如國(guó)外對(duì)浮選柱的研究起源于１９１５年，到２０世紀(jì)８０年代各種新型浮選柱層出不窮，并在浮選藥劑、空氣發(fā)生器等方面有較大改善和發(fā)展。國(guó)內(nèi)對(duì)浮選柱的研究于２０世紀(jì)５０年代開始，并研制出自己的浮選柱，高度越來(lái)越低、充氣方式逐步完善、礦化方式多樣化。浮選過(guò)程具有滯后性和慣性，且是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，控制過(guò)程中需要協(xié)調(diào)的變量較多，單純依靠人工經(jīng)驗(yàn)無(wú)法達(dá)到浮選指標(biāo)。為進(jìn)一步提高細(xì)煤顆粒的分選效果，減少環(huán)境污染，必須對(duì)現(xiàn)有的氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)制造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
１浮選原理簡(jiǎn)介
浮選是依據(jù)礦物原料表面的化學(xué)性質(zhì)，向待浮選的礦漿中加入浮選藥劑和空氣，使其與礦漿充分融合，并根據(jù)各礦物原料的黏附程度的不同，分選出不同的礦物。浮選過(guò)程一般分為礦漿碰撞、黏附、上浮以及精煤溢出四個(gè)階段。礦物原料在浮選藥劑的作用下，與 空氣發(fā)生器產(chǎn)生的小氣泡發(fā)生充分碰撞，進(jìn)行礦物捕集。利用礦物間的疏水特性，礦物粘附于氣泡表面，氣泡不斷上浮，形成精礦泡沫層，精礦溢出浮選柱；由于尾礦的親水特性，尾礦沉入底部并排出。浮選流程如圖１所示。
２系統(tǒng)設(shè)計(jì)
氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)制造過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖２所示，由上位機(jī)、 ＰＬＣ控制器以及外部元器件組成。上位機(jī)用于顯示氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)制造過(guò)程狀態(tài)參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)以及故障信息的顯示；ＰＬＣ控制器是該系統(tǒng)的核心，以通信方式將浮選過(guò)程各數(shù)據(jù)信息傳送給上位機(jī)，與系統(tǒng)外接的各傳感器、流量計(jì)、泵以模擬量輸入／輸出擴(kuò)展模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
外部元器件中的用于模擬量輸入信號(hào)采集的壓力傳感器測(cè)量泡沫層液位高度，泡沫層厚定義為液位低，泡沫層薄定義為液位高；科氏質(zhì)量流量計(jì)用于檢測(cè)礦漿的濃度，其原理是根據(jù)科里奧利效應(yīng)，即礦漿流經(jīng)管子時(shí)會(huì)產(chǎn)生科里奧利力使其發(fā)生形變，根據(jù)礦漿質(zhì)量流量和密度可得到礦漿濃度。為彌補(bǔ)科氏質(zhì)量流量計(jì)安裝的不足，增加超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)共同檢測(cè)礦漿濃度。用于模擬量輸出信號(hào)采集的外部元器件有變頻泵、離心式渣漿泵以及隔膜計(jì)量泵，分別用于尾礦控制、給礦控制以及給藥控制。
３自動(dòng)控制過(guò)程分析
３．１ 加藥量控制
加藥量控制過(guò)程是一個(gè)隨機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程，給定藥劑加藥量與礦漿流量以及礦漿濃度的關(guān)系如下：
Ｇ ＝Ｋ·Ｑ·ｑ（Ａ －Ｂ·ｑ） （１）
式中：Ｇ為原給定藥劑加藥量，ｋｇ／ｔ；Ｑ為礦漿流量， ｍ３／ｈ；ｑ為礦漿濃 度，ｇ／Ｌ；Ｋ為噸 煤 油 耗 量，ｋｇ／ｔ，Ａ 與 Ｂ 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
圖３中的礦漿流量與礦漿濃度分別由科氏質(zhì)量流量計(jì)和超聲波流量計(jì)測(cè)得，并 以４～２０ｍＡ 電流信號(hào)傳送給 ＰＬＣ控制器。由 ＰＬＣ控制器根據(jù)電流信號(hào)值計(jì)算出實(shí)際的礦漿濃度和礦漿流量值，對(duì)上述兩個(gè)值進(jìn)行邏輯處理以及運(yùn)算，得出實(shí)時(shí)加藥量。ＰＬＣ 控制器將計(jì)算出的實(shí)時(shí)加藥量數(shù)據(jù)以４～２０ｍＡ 的電流信號(hào)發(fā)送給隔膜計(jì)量泵，由其控制并實(shí)現(xiàn)加藥量過(guò)程的自動(dòng)控制。
３．２ 給礦濃度控制
給礦濃度控制策略采用常規(guī)的ＰＩＤ調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，如圖４所示。在該控制系統(tǒng)中，給礦濃度設(shè)定值以及反饋的給礦濃度檢測(cè)值為ＰＩＤ調(diào)節(jié)器的輸 入，ＰＩＤ 調(diào)節(jié)器的輸出為變頻泵的頻率。該頻率可進(jìn)行自動(dòng)與手動(dòng)兩種控制模式。以變頻控制方式對(duì)濃密機(jī)的底流泵進(jìn)行精密轉(zhuǎn)速控制，即可控制濃密機(jī)排出的底流礦漿的濃度。
以式（２）為基礎(chǔ)，對(duì)礦濃度進(jìn)行 ＰＩＤ調(diào)節(jié)控制，實(shí)時(shí)控制濃密機(jī)底流泵轉(zhuǎn)速，保證濃密機(jī)排出的底流礦漿濃度在合理區(qū)間。
３．３ 給礦量控制
由于給礦量控制過(guò)程沒有滯后性干擾，因此其控制策略可用 ＰＩ調(diào)節(jié)器控制完成，如圖５所示。ＰＩ調(diào)節(jié)器的輸入為給礦量設(shè)定值以及反饋的給礦量檢測(cè)值，其輸出為調(diào)節(jié)閥的輸入。對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作模式，即調(diào)節(jié)閥的開度既可以自動(dòng)控制，也可以手動(dòng)控制。
以式（３）為基礎(chǔ)，對(duì)給礦量進(jìn)行 ＰＩ調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)閥的開度，并對(duì)給礦量進(jìn)行精確控制。
４ 應(yīng)用情況
氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)制造過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后，在原選煤廠進(jìn)行為期三個(gè)月的工業(yè)試驗(yàn)，并對(duì)優(yōu)化前后的浮選關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。應(yīng)用情況數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的浮選自動(dòng)控制系統(tǒng)，各關(guān)鍵浮選指標(biāo)參數(shù)都有明顯提升，詳見表１
５ 結(jié)語(yǔ)
提升并加快選煤廠浮選過(guò)程的自動(dòng)化、智能化進(jìn)程迫在眉睫，是進(jìn)一步提升細(xì)煤分選效果、減少環(huán)境污染的必由之路。浮選過(guò)程的藥劑控制、給礦量流量／濃度檢測(cè)、空氣發(fā)生器控制、液位控制等方面都需要進(jìn)一步展開研究。在后續(xù)的工作中，需要在硬件設(shè)備選 型、控 制 模型／算法優(yōu)化、全過(guò)程的自動(dòng)化／智能化以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面進(jìn)行更深入的研究。