CN108993762B - 一种重介质选煤用密度和液位控制装置及协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重介质选煤用密度和液位控制装置，包括控制单元和执行单元，执行单元包括合介桶、混料桶、重介旋流器和稀介桶，重介旋流器的溢流口和底流口分别设置有精煤脱介筛和矸石脱介筛，精煤脱介筛接有第一管路和第二管路，矸石脱介筛接有第三管路和第四管路。本发明还公开了一种重介质选煤用密度和液位协调控制方法。本发明实现了对重介质悬浮液密度和液位的有效控制，实现对不同密度的重介质悬浮液的回收利用，对开车阶段不合格的重介质悬浮液进行分流，提高了洗煤厂的自动化程度。

Description

一种重介质选煤用密度和液位控制装置及协调控制方法

技术领域

本发明属于重介质选煤技术领域，具体涉及一种重介质选煤用密度和液位控制装置及协调控制方法。

背景技术

原煤在生成过程中混入了各种矿物杂质，在开采和运输过程中不可避免的又混入了顶板和底板的岩石以及其它杂质，如木材、金属和水泥构件等。随着机械化采掘的持续提高，以及地质条件的变化，混入原煤的矸石量增加，原煤灰分提高，导致原煤质量变差，细粒煤、末煤和粉煤含量增加。为去除原煤中的杂质，同时按照质量和规格将煤炭分成不同的产品，以满足客户的多样化需求，合理高效的利用煤炭资源，充分发挥煤炭的效用，并为减少煤炭使用对环境尤其是大气的污染创造条件，保证国民经济的可持续发展，就需要对原煤进行机械加工，即煤炭洗选。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭资源占整个能源体系的70％左右。在我国，原煤的直接燃烧使用造成了严峻的空气污染，约85％的SO₂、80％的CO₂、 67％的NOX和70％的悬浮物排放来自于燃煤。在国家建设生态文明战略的大背景下，提高原煤洗选率，高效开发利用煤炭资源，一方面有利于煤炭的清洁生产，提高煤炭利用率；另一方面也是为我国的煤炭发电，钢铁、化工和建材等基础行业提供洁净的原料，从源头去除燃煤污染的有效选择。

通过对各大洗煤厂的现场调研发现，虽然重介质洗选具有易于实现自动化，分选粒度范围宽，可高效分选难洗煤和极难洗煤的优点，但大多数洗煤厂仅仅是实现了设备自动化，而并未实现工艺自动化。在密度、液位、压力和粘度等重介质洗选的关键参数中，只实现了密度自动调节，现场停车人工加介，液位不控，旋流器入口压力波动范围大等问题较为突出。实际生产中，虽然单独调节悬浮液密度可以实现对密度的控制，但随着生产的不断进行，液位持续下降，严重时，无法实现对密度的调节控制，更无法确保生产的长时间稳定运行。相关文献也多只是对悬浮液密度的调节控制进行研究，但对于密度和液位之间的耦合性分析较少，更少有共同考虑密度和液位，并对其进行协调控制的研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种重介质选煤用密度和液位协调控制装置和控制方法，其结构简单、设计合理，实现了对重介质悬浮液密度和液位的有效控制，实现对不同密度的重介质悬浮液的回收利用，对开车阶段不合格的重介质悬浮液进行分流，有助于提高洗煤厂的自动化程度，节约劳动力，降低生产成本，提高企业效益。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种重介质选煤用密度和液位协调控制方法，其特征在于，包括控制单元和执行单元，所述执行单元包括用于调节重介质悬浮液密度的合介桶、用于混合原煤和重介质悬浮液的混料桶、用于分离精煤和矸石的重介旋流器和用于回收重介质悬浮液的稀介桶，所述合介桶接有加介磁选机和稀介磁选机，所述加介磁选机和合介桶之间接有加介阀，所述加介磁选机接有加介泵，所述稀介磁选机接有与稀介桶相接的稀介泵，所述混料桶与重介旋流器之间设置有混料泵，所述重介旋流器的溢流口设置有精煤脱介筛，所述精煤脱介筛接有流向合介桶的第一管路和流向稀介桶的第二管路，所述重介旋流器的底流口设置有矸石脱介筛，所述矸石脱介筛接有流向合介桶的第三管路和流向稀介桶的第四管路，所述精煤脱介筛上方设置有第一高压喷头，所述矸石脱介筛上方设置有第二高压喷头，所述第一高压喷头和第二高压喷头均与循环水泵相接，所述循环水泵接有第一水管，所述第一水管的出水口位于合介桶和合介泵之间，所述第一水管上设置有清水阀，所述合介桶接有合介泵，所述合介泵的出口分三路，一路与混料桶相接，另一路经第一调节阀与稀介桶相接，第三路经第二调节阀与矸石脱介筛相接，

所述控制单元包括微控制器和与所述微控制器相接的微控制器，所述微控制器的输入端接有参数输入模块、用于检测合介桶内悬浮液液位的液位仪和用于检测混料桶内悬浮液密度的密度仪，所述清水阀和加介阀的输入端分别与微控制器相接，

该方法包括以下步骤：

步骤一、微控制器根据公式

计算y_k+i|k,y_k+i|k表示第k 时刻到第k+i时刻合介桶内的悬浮液液位预测值和混料桶内的悬浮液密度预测值，x_k+i/k表示第k时刻到第k+i时刻合介桶内的悬浮液液位状态量和混料桶内的悬浮液密度状态量，u_k+i/k表示第k时刻到第k+i时刻加介阀的开度和清水阀的开度，

表示第k时刻合介桶内的悬浮液液位状态估计值和混料桶内的悬浮液密度状态估计值，x_k/k表示第k时刻合介桶内的悬浮液液位测量值和混料桶内的悬浮液密度测量值，A、B、C和D表示状态空间矩阵；

步骤二：微控制器根据目标函数

计算 u_k+i/k，P表示预测时域，N表示控制时域，P和N均为正整数，1≤i≤P，0≤j≤N-1，其中，Δu_j＝u_k+j+1/k-u_k+j/k，Δu_j表示加介阀的开度变化和清水阀的开度变化， Q表示合介泵的出料量；

步骤三、以当前状态为起始量计算下一时刻的预测值：令k＝k+1,根据公式

更新第k+1时刻的预测值y_k+i/k，其中，

H表示Kalman滤波协方差矩阵，W表示量测噪声方差矩阵，I表示单位矩阵；

步骤四、计算预测值与设定值的差值：微控制器计算差值d＝||y_k+i/k-y_s||，若d＞ε,则返回步骤二，若d≤ε,完成预测校正，其中ε表示允许误差。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的结构简单、设计合理，实现及使用操作方便。

2、本发明基于状态空间的预测控制，使用微控制器根据密度和液位预测值与设定值的差值，通过预测控制方法，计算输出阀门开度，实现了对重介质悬浮液密度和液位的有效控制，有助于提高洗煤厂的自动化程度，节约劳动力，降低生产成本，提高企业效益。

3、本发明设置有第一调节阀和第二调节阀，对开车阶段不合格的重介质悬浮液进行分流，只剩余少量的不合格的重介质悬浮液流向重介桶，可防止重介桶满罐，也避免了开车时不合格的重介质悬浮液对洗煤造成的不良影响。

4、本发明中，精煤脱介筛流出的液体通过第一管路和第二管路分别流向合介桶和稀介桶，矸石脱介筛流出的液体通过第三管路和第四管路分别流向合介桶和稀介桶，采用第一管路、第二管路、第三管路和第四管路实现对不同密度的重介质悬浮液的回收利用，节约成本，绿色环保。

综上所述，本发明结构简单、设计合理，实现了对重介质悬浮液密度和液位的有效控制，实现对不同密度的重介质悬浮液的回收利用，对开车阶段不合格的重介质悬浮液进行分流，有助于提高洗煤厂的自动化程度，节约劳动力，降低生产成本，提高企业效益。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的电路原理框图。

图3为本发明的方法流程图。

附图标记说明:

1—重介旋流器； 2—精煤脱介筛； 3—矸石脱介筛；

4—稀介磁选机； 5—加介磁选机； 6—加介泵；

7—合介桶； 8—合介泵； 9—混料桶；

10—混料泵； 11—稀介桶； 12—稀介泵；

13—循环水泵； 14—第二调节阀； 15—第一调节阀；

16—清水阀； 17—第一高压喷头； 18—第二高压喷头；

19—第一管路； 20—第二管路； 21—第三管路；

22—第四管路； 23—第一水管； 24—微控制器；

25—液位仪； 26—密度仪； 27—参数输入模块；

28—加介阀。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括控制单元和执行单元，所述执行单元包括用于调节重介质悬浮液密度的合介桶7、用于混合原煤和重介质悬浮液的混料桶 9、用于分离精煤和矸石的重介旋流器1和用于回收重介质悬浮液的稀介桶 11，所述合介桶7接有加介磁选机5和稀介磁选机4，所述加介磁选机5和合介桶7之间接有加介阀28，所述加介磁选机5接有加介泵6，所述稀介磁选机4接有与稀介桶11相接的稀介泵12，所述混料桶9与重介旋流器1之间设置有混料泵10，所述重介旋流器1的溢流口设置有精煤脱介筛2，所述精煤脱介筛2接有流向合介桶7的第一管路19和流向稀介桶11的第二管路 20，所述重介旋流器1的底流口设置有矸石脱介筛3，所述矸石脱介筛3接有流向合介桶7的第三管路21和流向稀介桶11的第四管路22，所述精煤脱介筛2上方设置有第一高压喷头17，所述矸石脱介筛3上方设置有第二高压喷头18，所述第一高压喷头17和第二高压喷头18均与循环水泵13相接，所述循环水泵13接有第一水管23，所述第一水管23的出水口位于合介桶7 和合介泵8之间，所述第一水管23上设置有清水阀16，所述合介桶7接有合介泵8，所述合介泵8的出口分三路，一路与混料桶9相接，另一路经第一调节阀15与稀介桶11相接，第三路经第二调节阀14与矸石脱介筛3相接。

如图2所示，本实施例中，所述控制单元包括微控制器24，所述微控制器24的输入端接有参数输入模块27、用于检测合介桶7内悬浮液液位的液位仪25和用于检测混料桶9内悬浮液密度的密度仪26，所述清水阀16和加介阀28的输入端分别与微控制器24相接。

实际使用时，介质采用磁铁粉，介质加水稀释后形成悬浮液，悬浮液经加介泵6打入到加介磁选机5中，经加介磁选机5磁选浓缩后，加入到合介桶7中。合介桶7中的悬浮液经合介泵8打出，合介泵8的出口分三路，一路直接进入混料桶9，另一路经第一调节阀15进入稀介桶11，第三路经第二调节阀14进入矸石脱介筛3。

一开始配置的重介质悬浮液密度达不到设定值，为了避免开车时不合格的重介质悬浮液对洗煤造成的不良影响，因此打开第一调节阀15和第二调节阀14，将经合介泵8打出的悬浮液分流。一部分不合格的重介质悬浮液流向稀介桶11，另一部分不合格的重介质悬浮液流向矸石脱介筛3，然后经第四管路22流入稀介桶11，稀介桶11中的重介质悬浮液经稀介泵12打入稀介磁选机4，经稀介磁选机4磁选浓缩后进入到合介桶7中继续使用；因此只剩余少量的不合格的重介质悬浮液流向混料桶9，一方面可防止混料桶9满罐，一方面可减少重介质密度的调节难度。

液位仪25检测合介桶7内悬浮液液位，并将检测得到的合介桶7内悬浮液液位发送给微控制器24，微控制器24对液位仪25检测得到的合介桶7内悬浮液液位和通过参数输入模块27输入的液位值进行差值比较，密度仪26 检测混料桶9内悬浮液密度，并将检测得到的混料桶9内悬浮液密度发送给微控制器24，微控制器24对密度仪26检测得到的混料桶9内悬浮液密度和通过参数输入模块27输入的密度值进行差值比较，微控制器24根据悬浮液液位差值和悬浮液密度差值计算加介阀28的开度和清水阀16的开度，从而调节混料桶9内悬浮液密度和合介桶7内悬浮液液位，实现了悬浮液密度和液位的关联控制，避免随着生产的不断进行，液位持续下降造成无法实现密度的调节控制，无法确保长时间的稳定运行。

原煤经破碎、筛分、脱泥处理后，同混料桶9中的重介质悬浮液混合，然后通过混料泵10将原煤和重介质悬浮液的混合物打入到重介旋流器1中，混合物在重介旋流器1内旋流、外旋流的共同作用下，实现精煤和矸石的分离，精煤从溢流口排出进入精煤脱介筛2，矸石从底流口排出进入矸石脱介筛3。

精煤脱介筛2通过第一管路19和第二管路20分别流向合介桶7和稀介桶11，矸石脱介筛3通过第三管路21和第四管路22分别流向合介桶7和稀介桶11，采用第一管路19、第二管路20、第三管路21和第四管路22实现对介质的回收利用。回收利用的第一段是自然回流，精煤和矸石从重介旋流器1中流出时带出一部分重介质悬浮液，初始流出精煤脱介筛2和矸石脱介筛3的重介质悬浮液密度与设定值近似，因此直接通过第一管路19和第三管路21回流到合介桶7中继续使用；回收利用的第二段是加高压喷水回流，此时流出精煤脱介筛2和矸石脱介筛3的重介质悬浮液接近于无，但是在精煤和矸石上会粘附少量重介质悬浮液，因此循环水泵13通过第一高压喷头17 将高压水流喷射到精煤脱介筛2上的精煤上，通过第二高压喷头18将高压水流喷射到矸石脱介筛3上的矸石上，此时流出精煤脱介筛2和矸石脱介筛3 的重介质悬浮液密度较低，因此通过第二管路20和第四管路22回流到稀介桶11中继续使用。

本发明实施例公开了一种重介质选煤用密度和液位协调控制方法，包括以下步骤：

步骤一、微控制器24根据公式

计算y_k+i|k,该式为状态空间表达式，每个表达量均为矩阵表达式，y_k+i|k表示第k时刻到第k+i时刻合介桶7内的悬浮液液位预测值和混料桶9内的悬浮液密度预测值，x_k+i/k表示第k时刻到第k+i时刻合介桶7内的悬浮液液位状态量和混料桶9内的悬浮液密度状态量，u_k+i/k表示第k时刻到第k+i时刻加介阀28的开度和清水阀16的开度，

表示第k时刻合介桶7内的悬浮液液位状态估计值和混料桶9内的悬浮液密度状态估计值，x_k/k表示第k时刻合介桶7内的悬浮液液位测量值和混料桶9内的悬浮液密度测量值，A、B、C和D表示状态空间矩阵。

实际使用时，合介桶7内的悬浮液液位测量值由液位仪25检测得到，重介桶内悬浮液的密度检测值由密度仪26检测得到。

步骤二：微控制器24根据目标函数

计算当j(k)最小时的输入u_k+i/k，P表示预测时域，N表示控制时域，P和N均为正整数，1≤i≤P，0≤j≤N-1，其中，Δu_j＝u_k+j+1/k-u_k+j/k，Δu_j表示加介阀28的开度变化和清水阀16的开度变化，Q表示合介泵的出料量。

实际使用时，J(k)作为预测控制过程中，求取微控制器24输出的一个指标，当J(k)最小，控制效果达到需求，该公式的作用是为了在预测控制过程中，使微控制器24能快速响应的同时不会产生大的超调量。

步骤三、以当前状态为起始量计算下一时刻的预测值：令k＝k+1,根据公式

更新第k+1时刻的预测值y_k+i/k，其中，

H表示Kalman滤波协方差矩阵，W表示量测噪声方差矩阵，I表示单位矩阵。

实际使用时，给定初始状态量

作为起始量，给定初始协方差矩阵 H_0|0，输入为加介阀28或清水阀16的开度，每个时刻重复以上步骤，实时更新计算Kalman滤波增益和当前状态预测值，实现了对以后每一时刻的合介桶7内悬浮液液位和混料桶9内悬浮液密度的预测校正和更新，使用效果好。

步骤四、计算预测值与设定值的差值：微控制器24计算差值 d＝||y_k+i/k-y_s||，若d＞ε,则返回步骤二，若d≤ε,完成预测校正，其中ε表示允许误差。

实际使用时，若差值d大于ε，则认为误差较大，因此跳转到步骤二，采用基于状态空间的预测控制方法对合介桶7内悬浮液液位和混料桶9内悬浮液密度进行实时的预测校正和更新，直到d≤ε，完成预测校正。

以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种重介质选煤用密度和液位协调控制方法，其特征在于，包括控制单元和执行单元，所述执行单元包括用于调节重介质悬浮液密度的合介桶(7)、用于混合原煤和重介质悬浮液的混料桶(9)、用于分离精煤和矸石的重介旋流器(1)和用于回收重介质悬浮液的稀介桶(11)，所述合介桶(7)接有加介磁选机(5)和稀介磁选机(4)，所述加介磁选机(5)和合介桶(7)之间接有加介阀(28)，加介磁选机(5)接有加介泵(6)，所述稀介磁选机(4)接有与稀介桶(11)相接的稀介泵(12)，所述混料桶(9)与重介旋流器(1)之间设置有混料泵(10)，所述重介旋流器(1)的溢流口设置有精煤脱介筛(2)，所述精煤脱介筛(2)接有流向合介桶(7)的第一管路(19)和流向稀介桶(11)的第二管路(20)，所述重介旋流器(1)的底流口设置有矸石脱介筛(3)，所述矸石脱介筛(3)接有流向合介桶(7)的第三管路(21)和流向稀介桶(11)的第四管路(22)，所述精煤脱介筛(2)上方设置有第一高压喷头(17)，所述矸石脱介筛(3)上方设置有第二高压喷头(18)，所述第一高压喷头(17)和第二高压喷头(18)均与循环水泵(13)相接，所述循环水泵(13)接有第一水管(23)，所述第一水管(23)的出水口位于合介桶(7)和合介泵(8)之间，所述第一水管(23)上设置有清水阀(16)，所述合介桶(7)接有合介泵(8)，所述合介泵(8)的出口分三路，一路与混料桶(9)相接，另一路经第一调节阀(15)与稀介桶(11)相接，第三路经第二调节阀(14)与矸石脱介筛(3)相接，

所述控制单元包括微控制器(24)，所述微控制器(24)的输入端接有参数输入模块(27)、用于检测合介桶(7)内悬浮液液位的液位仪(25)和用于检测混料桶(9)内悬浮液密度的密度仪(26)，所述清水阀(16)和加介阀(28)的输入端分别与微控制器(24)相接，

该方法包括以下步骤：

步骤一、微控制器(24)根据公式

计算y_k+i|k,y_k+i|k表示第k时刻到第k+i时刻合介桶(7)内的悬浮液液位预测值和混料桶(9)内的悬浮液密度预测值，x_k+i/k表示第k时刻到第k+i时刻合介桶(7)内的悬浮液液位状态量和混料桶(9)内的悬浮液密度状态量，u_k+i/k表示第k时刻到第k+i时刻加介阀(28)的开度和清水阀(16)的开度，

表示第k时刻合介桶(7)内的悬浮液液位状态估计值和混料桶(9)内的悬浮液密度状态估计值，x_k/k表示第k时刻合介桶(7)内的悬浮液液位测量值和混料桶(9)内的悬浮液密度测量值，A、B、C和D表示状态空间矩阵；

步骤二：微控制器(24)根据目标函数

计算u_k+i/k，P表示预测时域，N表示控制时域，P和N均为正整数，1≤i≤P，0≤j≤N-1，其中，Δu_j＝u_k+j+1/k-u_k+j/k，Δu_j表示加介阀(28)的开度变化和清水阀(16)的开度变化，Q表示合介泵的出料量；

步骤三、以当前状态为起始量计算下一时刻的预测值：令k＝k+1,根据公式

更新第k+1时刻的预测值y_k+i/k，其中，

H表示Kalman滤波协方差矩阵，W表示量测噪声方差矩阵，I表示单位矩阵；

步骤四、计算预测值与设定值的差值：微控制器(24)计算差值d＝||y_k+i/k-y_s||，若d＞ε,则返回步骤二，若d≤ε,完成预测校正，其中ε表示允许误差。

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