重介密度控制方法研究

科技大观

重介密度控制方法研究

潘 伟 郝继飞 潘庭龙

(中国矿业大学信息与电气学院,江苏省徐州市,221008)

摘 要 在重介悬浮液的密度控制中,一般使用常规的PI调节器,但即使是一些先进的设备也时有振荡的发生。将其进行数学模型试验,表明系统具有较强的非线性,这是系统不够稳定的原因,本文提出一种变参数PI调节器的控制方法,与常规的PI调节器进行比较,仿真结果表明该方法的控制结果令人满意。

关键词 重介悬浮液 PI调节器 数学模型

1 问题提出

重介法选煤是三大选煤工艺之一。在重介选煤工艺中,重介悬浮液的密度是决定精煤质量和产率的主要参数。悬浮液的密度过低会导致精煤灰份增加,而密度过高会使精煤的产率下降。这些都会影响选煤厂的经济效益。因此,国内外的许多选煤厂都对重介悬浮液的密度实行自动调节和控制。

目前国内外的重介密度控制系统,无论是常规仪表控制,还是计算机控制,基本上都使用PI调节。由于重介密度控制系统模型复杂,影响因素较多,因此普通PI调节器的效果欠佳。这主要是由系统的稳定性与快速性之间的矛盾难以兼顾造成的,即使是某些先进的控制系统,也时有振荡现象发生。有人把这些现象归咎为调节器参数调整不当,也有人认为原因是系统内存在时间滞后。

要找出这些问题的主要原因,必须对重介密度控制系统的数学模型加以深入研究,找出其内在原因。本文正是从这方面着手,首先对重介密度控制系统的数学模型加以研究,找出影响控制质量的主要原因,并针对这些原因提出一种适于工程应用的控制方法。计算机仿真结果表明,这种方法的效果是令人满意的。

2 数学模型研究

在一个典型的重介选煤悬浮液循环流程中,其主洗产品为精煤,再洗产品为中煤。由于选煤厂的经济效益主要取决于精煤质量与产率,所以我们主要考虑主洗系统的重介悬浮液密度控制问题。

主洗系统的重介悬浮液由介质泵提升至定压箱内,再由定压箱流入主洗分选机,这部分悬浮液的密度应是合格的。由分选机流出的悬浮液部分直接回流主洗介质桶,部分由脱介筛经分流箱1分流,其中一部分回流主洗介质桶,一部分回流稀介质桶。为研究方便,我们将这两部分回流至主洗介质桶的流量用F2表示,在后面的仿真中,我们令F2的下限大于零,以表示从分选机直接回流主洗桶的那部分流量。回流至主洗介质桶的悬浮液,由于经过脱介筛,所以其介质量受到损失,密度下降。同时流入主洗介质桶的还有从分流箱2分流过来的再洗系统的高密度悬浮液。

重介密度控制系统的任务是,保证主洗介质桶内的悬浮液密度为恒定值。因此,我们首先分析主洗介质桶内悬浮液密度变化的情况。根据物料平衡原理,在 t时间内流入主洗介质桶内的干介量与流出的干介量之差,即为主洗介质桶内干介量的变化。假定主洗介质桶内的介质是均匀的,则有下式。

d2F2 t+d3F4 t+d4F5 t-d1F1 t= d1U

(1)令 t0,则上式化为

d2F2+d3F4+d4F5=d1F1+U

d

d t

d1(2)

式中:

F1!!!介质泵流量;

F2!!!回流至主洗介质桶的悬浮液流量;

F4!!!由分流箱2至主洗介质桶的高比重悬浮液流量;

F5!!!向主洗介质桶加水的流量;

d1!!!主洗介质桶悬浮液的比重;

d2!!!回流至主洗介质桶悬浮液的比重;

d3!!!高密度悬浮液的比重;

d4!!!水的比重;

U!!!主洗介质桶内悬浮液的体积。

从上式可看出,影响主洗介质桶内介质密度的因素有,F1、F2、F4、F5、d2、d3、d4、U。其中,F1、d4是常数,d2、d3分别由主洗和再洗过程决定,无法作为控制变量。而悬浮液的体积U也是一个变化的量,它与流入和流出主洗介质桶的流量有关,如下式所示。

d

d t

U=F2+F4+F5-F1(3) 我们最终要控制的参数是d1,从(2)式可以看出,如果U是常量,则被控过程为一个惯性环节,但如果U是一个变量,问题便复杂了。事实也是如此,在选煤过程中,介质桶的液位是经常变化的,所以U也是变化的。从(3)式可以看出,影响U的因素有F1、F2、F4、F5,其中F1是常数。

这样,对于重介密度控制系统来说,我们有2种控制方案供选择。一是将整个系统看成是一个有2个输出(d1、U)3个输入(F2、F4、F5)的多变量系统,按多变量系统的方法进行控制。但这种方案实现复杂,且从(2)、(3)两式可以看出,这2个输出之间的耦合是非线性的,这就使问题更加复杂了,所以工程中一般不采用。

另一种方案是将U和d1分别看成是2个单输出系统,用一个控制系统来保持U为常值,另一个控制系统来保持d1为常值。但这种方案在工程应用上过于复杂,成本过高。所以实际中最常见的控制方案是,由向主洗介质桶内加水来保持桶内的悬浮液不致过多或过少。具体办法是,当液位高度降至下限时,打开进水阀门;当液位高度升至上限时,关闭进水阀门。即,F5是开关控制。这样就大大简化了系统结构。但带来的问题是,引起U的大幅度变化,以致影响到d1的控制精度。

从式(2)可看出,当U变化时,相当于系统的时间常数发生变化,我们可以根据这种变化来改变调节器参数,使得系统在变化时,仍能运行在最佳状态,这种方法即本文所提出的变参数PI调节器,从下面的仿真可以看出,这种控制方法的效果是令人满意的。

此外,由于密度检测装置与主洗介质桶之间有一定的距离,所以导致了纯滞后,但我们将从下面的仿真模型中看到,这个纯滞后将不是主要影响因素。

3 仿真模型

现在我们以(2)、(3)两式为基础进行计算机仿真研究。根据选煤厂的工艺情况,我们在仿真时做如下假设;主洗介质桶容积为10m3;介质泵排除口径为100mm,流量为150m3/h;介质泵至定压箱的距离为30m;主洗悬浮液比重期望值为1.4;再洗悬浮液比重期望值为1.8。

由以上假设可以得到:U的变化范围为0~ 10m3;F1=0.0417m3/s;F2的变化范围为0.01~0. 0417m3/s;F4的变化范围为0~0.03m3/s;F5为两位式,即0或0.01m3/s;延时 =5.31s(按管路长度为30m计算)。

由(2)式可以看出,主洗介质桶作为一个惯性环节,其时间常数为U/F1。若U=5m3,则时间常数为120s,延时时间与此时间常数比较起来要小得多。因此,我们可以说,延时在重介密度控制系统中并不起主要作用,可以忽略。

首先,我们按两个单回路系统进行控制,用F2作为控制变量,将U控制在8m3;用F4作为控制变量,将d1控制在1.4。将F5作为一个固定的扰动,即F5=0.01m3/s。得到2个回路控制方程。

d

d t

U=F2+F4+0.01-0.0417(4) d

d t

d1+0.0052125d1=

1.4-e1

8

F2+

1.8+e2

8

F4+0. 00125(5)式(5)中e1是回流至主洗介质桶的介质损失, e2是再洗系统的介质比重的波动。这里,令e1、e2均为0.04。

在主洗介质桶液位控制中,采用PI调节器,即

F2=K c1(1+

1

T 2S(8-U)(6) 按二阶最佳系统综合,取K c1=0.004,T 1=500。

图1 U =8

时的仿真结果

图2 在到达稳定以后,U

给一扰动时的仿真结果

图3 F 2、F 4分别控制U 和d 1时的仿真结果

在主洗悬浮液密度控制中,采用PI 调节器,即

F 4=K c 2(1+1

T 2

S (1.4-d 1)

(7)

按二阶最佳系统综合,取K C 2=0.1,T 2=25。

在重介法选煤工艺中,还有一个参数影响到选煤效果,即重介悬浮液的黏度。在实际工程中,要考虑黏度问题。一般解决的方法是,在回流到主洗介质桶的悬浮液中,分流出一个固定的部分,流入稀介质桶。这时F 2就是一个常数了,在仿真中我们取F 2=0.03m 3

/s 。当然,这时F 2也不能作为控制变

量来控制U 了。这时可利用向主洗介质桶内加水来维持U 在一定范围内,由于水的流量是两位式的,所以也要采取两位式控制方法。设U 降至2m 3

时,向桶内加水,当U 升至8m 3

时停止加水。这种方法势必引起U 的大幅度变化,从而影响密度控制,而现有密度控制系统的效果之所以不尽如人意,

也正是这个原因。

图4 用F 5控制U ,采用常规P I

调节器的仿真结果

图5 用F 5控制U ,采用变参数PI

调节器的仿真结果

图6 在图5基础上加噪声干扰的仿真结果

(下转第40页)

讯系统、电子信息显示系统有机地结合起来,辅以工业电视系统,并与自动采样系统和自动测灰仪相联结,组成新型集控系统,实现仓位、煤流量、水位、介质密度等部分工艺在线参数的实时监测,具有高度的灵活性和可靠性,操作简便,模拟盘显示图形直观清楚,容易增改,有效发挥了调度快速、正确指挥的功效,加快了企业向生产自动化迈进的步伐。

5 SFC充填式浮选柱创新应用

由于原煤粒度细、易泥化,造成入浮煤泥灰分高、可选性差。用XJM!4浮选机对这种煤泥进行浮选,其精煤灰分多在11.5%~12%之间,尾煤灰分经常在40%左右。仅依靠原设计浮选工艺及设备降灰潜力不大,难以促进浮选精煤实现产品升级。因此,石选厂进行了分级浮选试验及SFC-1500充填式浮选柱半工业性试验,用浮选机处理分级旋流器底流粗粒级(0.25~0.5mm)煤泥,实现窄粒级浮选,将分级旋流器的溢流改为浮选柱分选,使浮选环节的效果大为改观。

但试验中还存在单机处理矿浆能力小、油耗高的缺点,主要存在两点不足。

(1)尾矿自动排料阀执行元件动作不可靠,导致浮选柱内部液面变化与排料阀开闭不同步,浮选柱液位不稳,从而难以控制该分选参数,影响分选。

(2)因煤炭中含有的大量纤维状杂质易堵塞充填物料,使气泡不能沿整个柱断面均匀分布,常出现局部?翻花#现象,影响浮选柱的分选效果。

针对在实际应用中所存在的问题,我厂对SFC!1500浮选柱进行了攻关改造。

5.1 尾矿自动排料系统改造

SFC浮选柱尾矿自动排料装置的逻辑元件的监测功能与执行元件的动作功能由于受质量原因以及受控制风风压、风量等的影响,在实际应用中表现为它所控制的浮选柱内液位的升降与该阀门的开闭并不同步,致使其不能有效地控制液位,继而难以实现在特定条件(即特定液位)下分选的功效。经过反复调研与试验,使尾矿管与浮选柱自身形成一?U#形管,通过调节尾矿管高度瞬时改变浮选柱中的液位高度,配合调节活页门开启与闭合程度控制尾矿排放量。

改造后的浮选柱分选的尾煤灰分远高于改造前的尾煤灰分,而精煤灰分大致相同。这表明依据改变尾矿箱的高度及开启活页门的大小来控制精、扫选区的高度能有效地提高浮选柱尾矿的灰分,同时在试验中发现这种控制装置跟踪同步性能强、反应快而准,设备的自动性与重复再现性十分明显。5.2 除杂系统改造

SFC充填式浮选柱中的充填物料具有切割气泡、防止气泡兼并、支撑泡沫层以便于实现二次富集,提高分选精度等显著优点。但由于煤炭中含有大量杂质,尤其是丝状杂质,极易对充填物料造成堵塞,形成局部分选?死区#,从而影响其分选状态。这正是这种浮选柱在选煤行业难以推广使用的一个主要原因。

为此,我们增设了2道管道过滤器,并在管道过滤器前增设2道除杂篦网,管道过滤器后增设1道除杂篦网,这样前后共增设3道共4个除杂篦网。

通过改进使得进入浮选柱的杂质大大减少。改进前,管道过滤器每周需清理一次,而现在每4~6个月需清理一次,并且清理出的杂物有所减少。这项改造使得煤中丝状杂质对充填浮选柱的堵塞问题得到了有效解决,不仅使浮选柱内气泡分布均匀,而且处理量有所提高,并且这些除杂篦网网眼适中,篦滤杂质量大,使用中清理和更换都很方便。

(上接第37页)为适应这种情况,我们在主洗悬浮液密度控制中,采用变参数PI调节器。控制变量应为F4,其表达式仍为(7)式,但其参数变为,K C3= 0.15U-0.0232,T 3=180K c3。

4 仿真结果

当U为常数时,该系统相当于一个惯性环节,采用常规PI调节器即可,仿真结果如图1所示。图2为在d1,达到稳定后,U发生变化的仿真结果。可以看出,若U保持不变,则固定参数调节器可以得到很好的控制效果。图3为F2、F4分别控制U 和d1,采用常规PI调节器的仿真结果,由此可以看出其超调量较大,而且调节时间很长。因此我们在本文所提出的方案是:用向主洗介质桶加水的方法保持U基本不变,采用变参数的PI调节器,其仿真的结果如图5所示。图4为常规PI调节器的仿真结果。在U值大幅度变化的情况下,调节时间明显降低,超调量也可以接受。图6是在图5的基础上增加随机噪音的仿真结果,结果表明其控制的效果也比较理想。