跳汰机自动控制系统中自动给煤的研究与实践

1　概　　述
　　老虎台矿选煤厂跳汰机自动控制系统中自动给煤的研究，是针对入洗原煤的煤质变动大且频繁，引起精煤灰分变化这一实际问题提出的。根据现场实际情况，提出了“根据原煤煤质变化自动给煤”(以下简称“煤质给煤”)的理论；并在这一思想的引导下，在使用TKX-I型跳汰机自动控制系统已实现一、二段自动排料的基础上，进一步完成了对给煤的自动控制，效果良好。　　

2　现场条件
　　老虎台矿选煤厂的入选原煤为2号气煤，粒度为0.5～0.6 mm，变频器控制电振给煤；国产SKT-14型筛下空气室跳汰机，一段排矸、二段排中煤，溢流量经筛分选出二级精煤。在TKX-I型跳汰机自动控制系统中，测量系统采用CWC-I型超声位移传感器、增强型不锈钢支架、浮筒式浮标进行一、二段重物料层厚度的检测；数控风阀控制系统采用一、二段交替进风控制跳汰机各室的进/排气时间、频率等，并在截止区末输出浮标采样控制信号给工控机；工控机对两路重物料层的厚度采样、数据处理，线性控制一段排矸二段排中煤，同时根据对煤质的分析自动给煤。TKX-I型跳汰机自动控制系统功能框图如图1所示。

图1　TKX-I型跳汰机自动控制系统功能框图

3　“煤质给煤”的必要性
　　影响跳汰机一、二段重物料层厚度的因素，一是给煤量的大小，二是排料速度，三是原煤煤质的变化。对自动排料来说，其特点是能够随重物料层厚度的增减而自动调节排料速度，形成跳汰分选过程中重物料层厚度的动态平衡。然而，在给煤量不变的条件下，这种平衡往往由于原煤煤质的变化被破坏。就老虎台矿原煤煤质的变化分析，可归纳5种典型的复杂情况：① 矸石量大，中煤量小。其影响是，一段矸石层过厚，二段中煤层过薄。② 矸石量小，中煤量大。其影响是，一段矸石层过薄，二段中煤层过厚。③ 矸石量小，中煤量大。这种情况常见于煤质过坏。④ 矸石量小，中煤量大。这种情况常见于煤质过好。⑤ 原煤粒度小且含水量较大，引起原煤粘度大。在电振给煤的条件下其影响是：电振振幅虽大，但给煤量小，造成一、二段床层过薄。
　　由于一、二段的脱水斗式提升机提升能力有限，因此，当矸石量大时，往往是一段矸石层过厚造成对二段的污染；当中煤量大时，往往是二段煤层过厚引起精煤灰分过高。现场观察统计，由原煤粘度影响造成不正常的情况约占20%，原煤煤质变化的影响约占80%，在上述的复杂情况下，自动排料往往难以充分发挥作用。因此，在跳汰机自动控制系统中增加“煤质给煤”的功能，是十分必要的。　　

4　“煤质给煤”的主导论点
　　“根据原煤煤质变化自动给煤”的主导论点是：精煤灰分的稳定主要取决于二段重物料层的厚度及稳定的程度；由于排料能力的限制，保持二段重物料层厚度稳定，必须得给煤、排料相配合；跳汰机本身就是一台煤质分析仪，在跳汰机内，原煤在风、水搭配的作用下按密度分层，与此同时，在给煤与排料的动态平衡作用下，原煤煤质的好坏与变化通过一、二段重物料层的厚度动态地反映出来；因此，可以根据跳汰机的一、二段重物料层厚度对给煤量进行回控，构成“按原煤煤质变化自动给煤”；也只有同时根据跳汰机的一、二段重物料层厚度对给煤量进行回控，才能跟踪入选原煤煤质的变化；这样，再与自动排料相配合，形成给煤、排料的双重控制，使一、二段的重物料层厚度得到稳定，最终保持精煤灰分、产率均得到稳定。
　　传统自动给煤的论点是，根据跳汰机的一段重物层厚度对给煤量进行回控。这个论点的不足之处在于：根据传统理论控制下的给煤不能完全体现出对原煤煤质变化的控制作用。
　　从上述论点出发，使影响跳汰选煤的5大因素(风、水、给煤、排料、煤质)的相互关系得到了一种新的配合，即在实现了按原煤煤质自动给煤、自动排料、保持一、二段重物料层厚度稳定的基础上，对风、水量的人工调节相对简化；进一步配合——根据煤质的变化人工“细调”二段浮标配重、设定值、排料斜率及控制算法，可保持精煤灰分的波动最小。上述理论是通过实践达到完善的。　　

5　“煤质给煤”的实施要点
　　在工控机内，煤质给煤与自动排料两个功能块，共同使用对一、二段重物料层的检测厚度值，分别进行分析决策；煤质给煤功能块将对应的决策结果转换为一模拟信号输出，控制变频器频率实现自动给煤。
　　下面分别按起、停车顺序进一步说明。

5.1　停车状态
　　在停车状态，工业控制机停止给煤，停止排料，并在程序中树立停车状态标识，为起车做好准备。

5.2　起车状态
　　当按下起/停按钮，工控机开始给煤，这时的给煤频率应接近于正常给煤工作频率。起车延时，形成一、二段床层后，进入正常调节状态。

5.3　工作调节状态
　　在工作调节状态，采用的是：根据跳汰机的一、二段重物料层厚度，对给煤量进行大、中、小步长增/减量、定时间隔、高低位限位综合调节的方式。
5.3.1　一、二段的关系
　　对给煤量的调节，必须兼顾一、二段的重物料层厚度。其基本原则是：① 只要两者有一超过各自的上限动作带，给煤减量；② 只有两者都低于各自的下限动作带，给煤增量；③ 两者或两者有一，既不高、又不低于各自的上、下限动作带，给煤量不变。
5.3.2　定时间隔
　　定时间隔是指两次自动给煤调节的间隔时间。由控制系统的角度来看，从给煤电控信号的发出，到形成一、二段床层分布，检测出重物料层的厚度，存在着很大的滞后，这是取定时间隔长、短的主要因素。在老虎台矿选煤厂的条件下，用试探法，最后取增减量检测的定时间隔为10 s，与控制系统配合后，可使一、二段的重物料层厚度调节平稳、调节时间和超调时间最短，超调量值最小。
5.3.3　上、下限动作带与调节步长
　　上、下限动作带的设定与跳汰机及工艺、产品最终质量有着极其密切的联系。具体数值的大小必须根据控制要求用试探法试验确定。针对现场的实际情况，我们对一段、二段分别做多重动作带，如图2所示。

图2　重物料层多重动作带设置

　　在“定时间隔”点，增/减调节步长随被测重物料层的厚度变化：① 当被测量的重物料层厚度在2至3之间，给煤量不变；② 当被测量的重物料层厚度在1至2之间，给煤量小增量；③ 当被测量的重物料层厚度小于1，给煤量中增量；④ 当被测量的重物料层厚度在3至4之间，给煤量小减量；⑤ 当被测量的重物料层厚度在4至5之间，给煤量中减量；⑥ 当被测量的重物料层厚度大于5，给煤量大减量。
　　重物料层多重动作带设置的意义是显而易见的：只有在被测的重物料层厚度低于一定值后，才进行加量；重物料层过低时，要快速加量，使重物料层尽快恢复正常厚度；重物料层过高时，根据区间进行小、中、大调节步长减量，目的在于尽可能最快地、平稳地返回到正常的重物料层控制范围2至3之内，以便适应于煤质的突变；非增/减量工作区的宽度比其它控制区设置的要宽，这对于调节系统的稳定、防止振荡，起着重要的作用；应用时，应综合“动作带、调节步长”与“一、二段的关系”进行决策、实施控制。
5.3.4　高低位限位
　　设置自动给煤的最大、最小值，即高、低位限位，是十分必要的。设置高位限位，主要考虑时常发生的两种情况：第一种情况，在某一段时间的来煤过程中煤质比较好，所形成的重物料层也薄，这就会导致自动给煤加量。如高位限位设置过高，给煤加量到限位值就可能使精煤斗子过负荷。第二种，当原煤粒度小且含水量较大，引起原煤粘度大，发生电振振幅大、给煤量小的情况。这时如果高位限位设置过低，就很难渡过这一关，结果是一段、二段重物料层变薄，进入自动停车状态；如果高位限位设置足够高，通过几分钟的艰难支撑，就能自动熬过去。这两种情况，对高位限位的设置来说，是相互矛盾着的两个方面，必须根据现场情况，权衡解决。
　　设置低位限位，可防止过减量，使给煤调节质量得以改善，可以从两种情况来说明：第一种情况，当矸石量突然过大时，一段重物料层突增，由于排料能力有限，导致矸石层厚度一时居高不下；与此同时，由于矸石层厚度的大幅度超限，自动给煤必然按大调节步长减量。如果不设置低位限位或者限位过低，必然产生过减量，电振振幅小、不下料。随着一段的大排料，重物料层下泄，当其厚度低于设定下限时，给煤按定时间隔及步长增量。由于过减量，增量步长有限，定时间隔的调节作用显得太弱，此时可能与停车过程产生冲突，造成自动停车。第二种情况，当中煤量增大时，二段重物料层增厚；由于排料能力有限，如果低位限位设置过高，就会产生自动给煤减不下来量，二段排料能力又满足不了要求，致使精煤灰分增高的情况。这两种情况，对低位限位的设置来说，也是相互矛盾着的两个方面，需要全面照顾。
　　由此可见，合理设定高、低位限位值，可以使上述矛盾得以缓解或解决。　　

5.4　停车过程
　　设置了两种停车方式，即手动停车和自动停车。
　　在非停车状态按下起/停按钮，即为手动停车，工业控制机停止给煤。
　　在运行过程中，一旦跳汰机的一、二段重物料层厚度都低于各自的设定值后，工业控制机进入自动停车过程：即这种状态如能保持20 s，就自动停车；若在此时间内自动停车过程的条件被破坏，则工控机自动返回到工作调节状态。　　

6　操作配合
　　采用“煤质给煤”后，使跳汰机对原煤煤质变化的适应性大大增强，约达85%左右，风、水的配合，煤质内在的其它复杂因素的影响约占15%。实际上，原煤煤质的变化比前述的“5种典型的复杂情况”更为复杂，因此在运行中，应根据二段排料斗子内排出物的成分及量值(如：红质页岩的粒度及含量、细沙面的粒度及含量、-1.3密度级的含量等)以及在精煤提斗中混入二级精煤的杂质粒度及含量，来掌握原煤煤质及控制的现实情况，人工及时“微调”二段浮标的配重、设定值、排料斜率、控制算法、风水配合相辅助，并与快灰检验结果相对比，逐步总结经验才能取得最佳的效果。上述的人工参与构成“操作配合”，形成“自动排料”、“煤质给煤”、“操作配合”(克服上述15%其它复杂因素的影响)的三重调节，充分发挥互补优势，保证二级精煤产品质量与产率。实践证明，“三重调节”的配合是切实有效的操作方式。　　

7　“煤质给煤”的运行效果
　　经过数个月的现场连续运行，“煤质给煤”的应用率接近100%，并且体现了5个显著的效果：① 对原煤煤质变化及其粘滞程度的适应性大幅度提高(由原来“自动排料”单重调节的65%提高到85%)；② 二段重物料层厚度稳定在对应的“上限动作带”以下，随之带来的是精煤灰分的稳定；③ 跳汰机的处理量根据煤质的变化合理地自动调节，始终保持“在跳汰机的负荷量与一、二段排料的负荷量之间”的最佳配合(如果取平均值的话，处理量比原来手动给煤略高)；④ 自动化程度的提高已为操作工人所接受；⑤ 有效地解决了浮标被重物料层压住的问题，提高了检测系统工作的可靠性。

作者简介　于海波　1954年生，1991年毕业于哈尔滨工业大学精仪系，工学硕士，工程师，从事计算机工业测控工作多年，现任抚顺市三元工业测控技术研究所所长。曾在《自动化仪表》等期刊发表过论文3篇。地址：辽宁省抚顺市，邮码：113008。
作者单位：于海波（抚顺市三元工业测控技术研究所）
刘安哲　金殿福　任福刚　陈成武　乌延海（抚顺矿务局老虎台矿选煤厂）