一种无动力多层位浓缩机透明化监测装置的设计与应用

杨瑞峰，郭大林，张永清，郝全生，卫中宽，成荣杰

(1.中煤天津设计工程有限责任公司； 2.中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司，天津 300131； 3.中煤华晋集团有限公司王家岭选煤厂，山西 运城 043300)

随着环保要求日益严格，选煤厂洗水必须实现闭路循环。而浓缩机的高效运行是选煤厂实现洗水闭路循环、确保清水选煤的关键，该设备运行状态好坏直接影响分选系统的分选效果、介质消耗、压滤机脱水能力及产品水分等指标。因而实现煤泥水浓缩系统药剂的合理、精准添加，保持煤泥水系统良好运行，对选煤生产至关重要。目前，国内外在煤泥水浓缩药剂的合理、精准、快速添加方面有许多研究，但大多数集中在煤泥性质本身对药剂添加的定量影响，絮凝剂和凝聚剂的用量比、加药顺序对煤泥沉淀效果的影响，以及基于前馈与反馈的双环絮凝剂添加系统自动与智能控制研究等三大方面。但鲜有研究浓缩池内煤泥水浓度的梯度场分布透明化、浓缩池内不同高度点的煤泥水浓度变化与药剂精准调整的规律。如何方便可靠地获得浓缩池内部不同高度点的浓度，进而形成综合控制策略，用以精准、及时、合理地调整浓缩加药量，笔者提出一种无动力多层位浓缩机透明化监测装置，利用简单的技术原理和简易的结构组成将浓缩池内不同高度点的煤泥水引出，方便操作工及时快速地观察浓缩池内部煤泥沉淀状况。同时该装置也为后期通过智能摄像头分析不同层位的煤泥水浓度、研究和建立浓缩池内煤泥水浓度场分布、构建浓缩池内不同高度点浓度变化与浓缩药剂调整策略的精准算法模型打下坚实基础。

1 背景技术

1.1 传统浓缩加药过程存在的问题

大多数传统选煤厂是在浓缩过程中依据人工现场巡视发现溢流水清浊程度发生异常时，对加药系统进行反馈调节，根据经验调整絮凝剂与凝聚剂的用量，这种调节方式存在以下问题。

(1)仅凭肉眼观测澄清水层液面，达不到提前预警、及时以调整浓缩加药量的目的；

(2)人工调整相对滞后，且准确度低；

(3)高度依赖操作工的经验和责任心，且可继承性较差。

为了解决上述问题，部分选煤厂进行了针对性的改进：一是在溢流堰增加了浊度计代替人工巡视；二是将浊度计监测数值与浓缩加药系统关联，作为自动反馈手段，实现药剂添加自调节。

这些改进在降低劳动强度、提高反馈的及时性方面有了极大的进步，但也暴露出一些问题。

(1)仅采用浊度计代替肉眼观测，仍然存在澄清水层液面信息反馈单一，达不到提前预警、及时调整浓缩加药量的目的；

(2)浓缩机内部浓度场无法实现透明监测，极易因调整过度或不足引发次生问题，制约选煤厂生产运行，增加生产成本；

(3)浊度仪测量稳定性、精确性均不足，难以保证系统高效运行。

传统的浓缩加药反馈机制，不管是人工巡视反馈，还是仪表自动检测反馈，都是以浓缩机表面溢流水澄清度作为调节浓缩加药量的唯一反馈量。

1.2 智能化时代浓缩加药系统的改进及存在的问题

智能选煤厂建设在“第四次工业革命”和“中国制造2025”的时代背景驱动下应运而生。为进一步提升选煤厂煤泥水处理智能化控制水平，匹配智能化选煤厂建设的快速发展趋势，选煤届同仁在浓缩智能加药控制系统研究方面进行了大量卓有成效的研究，特别是逐步认识到不能仅通过浓缩溢流水表面澄清度来调整加药量，必须掌握浓缩池内部位置点的浓度值来调整浓缩加药量。

智能浓缩加药系统除了配置完善的前馈+反馈双机制，开发高效智能控制算法模型外，最主要的变化是增加了1台污泥界面仪，其主要作用是测定浓缩池内部某个浓度值的高度位置，作为药剂调整的反馈量。但是通过分析，智能浓缩加药系统污泥界面仪方案还有待进一步讨论、商榷。

(1)污泥界面仪价格昂贵，维护费用高，目前主要用于金属选矿厂浓缩机；

(2)污泥界面仪安装于煤泥水水面以下，需要经常清洗来保证检测精度，但又存在检修不便等问题；

(3)污泥界面仪只能测定水面以下某个设定浓度的界面高度，不能监测浓缩池内部不同高度的煤泥水浓度。

以上问题的存在，不可避免地会影响以污泥界面仪为主导的智能浓缩加药系统的高效率运行。

2 监测装置主要技术原理与设计安装

如何方便、可靠地获得浓缩池内部不同高度点的浓度，构建透明化浓度场分布。笔者提出了一些创新性想法，并做了一些探索性实践尝试。但限于时间和监测技术发展的原因，目前仅是做了一套纯机械化的无动力多层位浓缩机透明化监测装置。

2.1 主要技术原理

利用连通器与虹吸原理组合，自制一套无动力多层位浓缩机透明化监测装置。通过无动力多层位浓缩机透明化监测装置的应用，实时多层位监测浓缩机浓度场分布，从而达到预警浓缩机沉降不足或过度沉降，及时精准地调整加药量，为浓缩系统的稳定运行提供了保障。

虹吸原理是指液体通过管道从液位高的一侧经过高于液面的管道自动流向液位低的另一侧，所用的管道称为连通器(见图1)。

图1 虹吸原理示意

虹吸的本质是由液体压强和大气压强共同作用而产生。因为h1(p2-ρgh2)，因此A左端的压强大于A右端的压强，在大气压和液体压强的共同作用下，液体向右方移动。

虹吸现象中液体流动的动力由液体的静压差提供，要实现虹吸还必须满足3个条件：① 内因：B液面高于C液面，即其本质是重力作用下的液体由高处向低处流；② 外因：连通器最高点高度不超过B液面的p1/ρg，即虹吸需要借助液面B的压力向上流动以越过连通器最高点；③ 触发条件：连通器内必须充满液体达到液封状态。

2.2 监测装置的设计与安装

2.2.1 监测装置的设计

监测装置主要由管道连通器和钢制溢流式监测槽组成。连通器一侧管道插入浓缩机液面下深度为A，在不影响浓缩机爬架运行的前提下，可根据监控需要，进行多层位并联设计，以监测不同高度点的煤泥水浓度，构建透明化浓度场分布。

监测装置的另一侧根据连通器组数设置相应数量的钢制溢流式监测槽，采用螺栓固定于浓缩池溢流槽内部的侧壁上。溢流式监测槽采用δ8的钢板制作，其长×宽×高为0.3m×0.2m×0.15m。钢制溢流式监测槽的溢流液面高度低于浓缩机澄清层水面B=0.2 m，满足B大于0，即实现虹吸的内因。

本装置选用的连通器管道管径为DN32，则连通管最高点距澄清层的最大高度C为0.62 m，小于大气压强支持的水柱高度(澄清层液体密度近似水的密度)即满足C

连通器另一侧固定于钢制溢流式监测槽上方，在连通管出口处安装1只DN32的阀门，阀门前端焊接一根带阀门的补水管。关闭虹吸管出口处阀门，打开补水管阀门，使水充满连通器达到液封状态，满足实现虹吸的触发条件。而后打开连通器出口处阀门，关闭补水管阀门，连通器可正常工作。

无动力多层位浓缩机透明化监测装置设计示意如图2所示。

图2 装置设计示意

2.2.2 监测装置的安装

推荐布置3根DN32的连通管至溢流式监测槽，实现3层位煤泥水浓度监测，3根DN32连通管插入浓缩机深度A分别为1.5 m、1.0 m和0.5 m。在3根DN32连通管出口处分别安装1只DN32的阀门，阀门前端焊接1根带阀门的补水管，其作用一是用于DN32钢管在内部含有空气不能完成虹吸过程的时候进行充水液封，保证澄清水能够正常引至溢流槽；二是在DN32钢管堵塞时能够进行反冲，对管道进行疏通。

3 监测装置在王家岭选煤厂的探索性应用

无动力多层位浓缩机透明化监测装置目前已在王家岭选煤厂的1台浓缩机上进行探索性应用，使用效果良好，不同层位的煤泥水可以用肉眼观测出浓度的明显变化。现场应用照片见图3所示。

图3 王家岭选煤厂无动力多层位浓缩机透明化监测装置

在浓缩机正常运行时，保持阀门常开，监测装置的3根连通管作为新增溢流水管使用，对浓缩机不同层位的澄清水进行实时监控。

当插入深度为1.5 m的DN32连通管出现浓度过高时，说明出现了过度沉降的征兆，浓缩机压耙风险增大；当插入深度为0.5 m的DN32连通管出现浓度过浑时，说明出现了沉降不足的征兆，浓缩机溢流跑浑风险增大；插入深度为1.0 m的DN32连通管的煤泥水浓度作为调整浓缩加药量的主控变量，使其浓度控制在合理的范围内，其他2个管的浓度监测作为调整浓缩加药量的辅助变量，特别适用于沉降不足或过度沉降的风险预控。

3根虹吸管可以同时使用，也可根据检测需要适时关闭。通过观察不同高度点的煤泥水浓度状况，判断浓缩系统运行状态是沉降不足还是过度沉降，及时采取相应药剂调整措施的同时上报相关技术人员。

4 装置的应用效益与未来深度研发展望

4.1 装置的应用效益

(1)节省药剂用量、降低生产成本。无动力多层位浓缩机透明化监测装置在王家岭选煤厂投入使用半年以来，通过人工观察1.5 m、1 m和0.5 m深的内部煤泥水浓度变化，及时调整加药量，杜绝了以往依靠表面溢流浓度反馈带来的药剂过量添加，降低了生产成本。装置使用前后(各半年)药剂用量见表1。

(2)生产连续稳定性进一步提高。无动力多层位浓缩机透明化监测装置的使用，可以提前对多个浓缩机内部多个层位的浓度进行观测，提前预警过度沉降或沉降不足等问题，给岗位工充足的时间调整加药制度，促使加药量更加准确合理，减少因沉降不足导致的溢流跑浑，或者过度沉降而导致浓缩机压耙等事故的发生。

4.2 未来深度研发展望

(1)与智能分析技术的融合，形成智能化产品。未来随着智能图像分析技术的发展与成熟，预期可与该装置深度融合集成，形成集多层位煤泥水取出、多点浓度自动分析、煤泥水收集返回为一体的智能化多层位煤泥水浓度检测装置。

(2)监测点位设置(高度与数量)的科学研究。该装置在王家岭选煤厂探索性应用取得了一定的效果，但是否为最优设置，包括虹吸管组数和插入深度，仍然是一个未知数，有很多沉降规律和加药调整策略需要进行更深入的研究。

5 结 语

无动力多层位浓缩机透明化监测装置结构简易、原理简单，既没有动力消耗，又能方便观察浓缩池内不同层位的煤泥水浓度。通过在王家岭选煤厂的实际应用，表明采用该装置方便可靠地实现了肉眼实看浓缩池内部多个层位的煤泥水浓度，解决了浓缩机澄清层监测的盲点，不仅可以及时精准地调整浓缩加药量，降低药剂消耗，节省生产成本，还为浓缩系统稳定运行提供了保障。该装置为浓缩沉降效果多层位观测预警开辟了一条新的路径，且装置制作成本较低，取得效果明显，具有广泛的推广前景。