[科普中国]-风动跳汰机

简介

目前跳汰机数控风阀控制, 均采用手动调节的开环控制方式, 跳汰机作为选煤厂的关键设备, 其风阀控制的自动化问题长期以来未能解决。跳汰司机在生产操作过程中, 需要根据入料性质、给料量、工作风压、床层状态等外部条件的变化, 不断调整风阀参数, 操作繁琐, 产品质量得不到保证。同时, 由于风阀系统的执行元件动作频繁, 故障率相对较高, 现有控制方法无法判断故障和发出有效的报警信号, 致使设备带故障运行, 更严重地影响分选指标。在分析跳汰机工作原理的基础上, 提出利用空气室水位信号进行风阀参数自动调节的方法, 从而实现跳汰机风阀控制自动化。使跳汰床层始终保持适宜的振幅, 保证较高的洗选效率和处理量, 不但克服了由于风压波动、给煤量改变等因素造成的不良跳汰现象, 同时, 当风阀系统的执行气缸、电磁阀及其接线发生故障时, 能够及时报警, 通知维修人员进行处理, 从而将迈出实现跳汰机岗位无人值守的重要一步1。

跳汰过程施行风阀自动调整的外部条件为: 控制用风压力为0. 4～ 0. 5M Pa ; 工作用风压力为0. 0 3～0. 04M Pa (筛下空气室) ; 跳汰机水量和筛上水位正常; 各室的进气阀和排气阀最大开度(行程) 已调整合理。

粗精煤再选将粗选后的粗精煤进行浮选速度试验, 其间不再添加任何浮选药剂。 控制粗精煤再选的浮选时间为1. 4m in 左右, 精煤灰分为8. 34% , 精煤产率为77. 06%; 尾煤灰分为18. 06% , 产率为22. 94%。将两段浮选尾煤混合, 其灰分为33% 左右(可掺入洗末煤出售)。

其最终浮选产品平衡为: 精煤灰分为8. 34% , 精煤产率为71. 13%; 尾煤灰分为33. 20% , 尾煤产率28. 87%2。

跳汰机风阀自动控制通过数据分析可以看出: 目前唐山矿选煤厂所采用的一次浮选工艺流程不适合其煤泥特性, 而应采取一次粗选、二次精选的浮选工艺。为此,唐山矿选煤厂拟采用2 台煤炭科学研究总院唐山分院研制的XJX—TAB16 型浮选机对原浮选车间进行改造。该机设计先进, 结构合理, 设有新型中矿箱,可在不停车的情况下变换浮选作业, 由一次选变为二次选或由二次选变为一次选。

为了避免床层“翻花”, 设备开机时的跳汰周期从排气期开始, 之后是压缩期、进气期和膨胀期。以上的风阀跳汰参数, 是以电控设备发出的电平信号为时间基准的。其对应的机械动作过程和工艺分选过程均滞后于电平信号。为叙述方便起见, 以进气期开始分析其动作过程。

进气期: 进气阀电平打开, 排气阀电平关闭。在进气过程中, 工作风进入空气室, 室内水位下降。水流经过导流板后上升, 将跳汰机筛板上的物料床层托起。托起的速度取决于风压和进气阀开度, 托起的高度取决于进气期(进气时间)。通常, 入选物料粒级越宽, 要求托起的速度和高度越大; 反之, 粒级越窄,要求托起的速度和高度越小。进气期的作用是保证物料被整体有序地托起, 且形成足够的沉降分层距离, 同时进气过程也具有某些分层作用。

膨胀期: 进气期结束后, 进气阀电平关闭, 排气阀电平仍关闭。在膨胀过程中, 空气室内的水位处于低位, 振荡趋稳。筛板的上升水流停止, 物料依其密度在水介质中按不同的速度沉降分层。密度越大, 沉降速度越快; 反之, 密度越小, 沉降速度越慢。膨胀期(膨胀时间) 是物料最主要的分层过程, 应保证重物料(该分选段的产品) 沉降停止。

排气期: 排气阀电平打开, 进气阀电平关闭。在排气过程中, 空气室内气体排至大气, 室内水位上升。筛板的水流下降, 在膨胀期未充分沉降的上层较轻物料迅速落下, 少部分细颗粒高密度物料透筛排出。排气速度取决于排气阀开度, 排气期(排气时间)应保证空气室水位恢复到进气期开始时的位置。

压缩期: 排气期结束后, 排气阀电平关闭, 进气阀电平仍关闭。在压缩过程中, 空气室内的水位处于高位, 振荡趋稳。筛板下降水流停止, 物料床层稳定。此延时时间应大于排气阀的关闭动作过程, 以避免排气阀和进气阀在动作过渡期(均处于半开状态) 将工作风“短路”掉。

跳汰周期是进气期、膨胀期、排气期和压缩期之和。在同一个产品段内, 各分选室间的进气期、排气期分别同步动作, 以免打乱床层。不同的产品段(如矸石段、中煤段) 间可以同相或反相动作, 一台跳汰机的各分选室工作在共同的跳汰周期, 该跳汰周期的值等于各分选室要求跳汰周期的最大值。

每一个跳汰周期, 空气室水位经历一个循环变化, 空气室的水位波动状态将随着不同的跳汰参数而改变, 不合理的跳汰参数将导致不良的跳汰床层。保持稳定和适当的水位振幅, 是跳汰机筛上物料良好分层的必要条件, 跳汰机的各个空气室具有不同的水位振幅要求。在矸石段, 物料床层较厚, 需要较大的振幅; 在中煤段, 物料床层较薄, 需要较小的振幅3。

故障原因造成常见故障现象的原因是: 该空气室的进气量和排气量不平衡。当进气量大于排气量时, 气体就会从空气室下沿溢出, 上升至筛板并穿过物料层在水面形成大量气泡, 冲乱已经形成的床层, 这就是“翻花”现象; 反之, 当进气量小于排气量时, 空气室水位振荡范围不断上移, 直至空气室顶端, 水位振幅减小, 最终使筛板上物料失去分选动力, 形成“偏振”现象。跳汰机在运行过程中, 由于工作风压、床层厚度以及跳汰参数(尤其是风阀参数) 的异常变化, 就会形成上述现象。在特殊情况下, 风阀控制系统中电路故障、接线脱落、控制风压失常, 气源三联体、电磁阀或者执行气缸损坏等, 也会形成上述现象。

事实上, 空气室水位的变化对风阀的进、排气期调整效果具有一种制衡作用。设想当进气期和排气期都等于某一值时, 空气室水位稳定在高水位G 和低水位D 之间振荡。

增加进气期, 水位将稳定在偏下的两点间振荡,仅当进气期增加较多时, 才会产生“翻花”现象, 如果空气室有足够的高度, 低水位时具有的反水压足以平衡工作风压, 则无论如何增加进气期, 也不会有“翻花”产生。增加排气期, 水位将稳定在偏上的两点间振荡, 仅当排气期增加较多时, 才会产生“偏振”现象, 如果空气室为筛侧式的, 高水位时空气室内气压等于大气压, 则无论如何增加排气期, 也不会有“偏振”产生。

由上述分析可以看出, 当空气室顶端和底端均具有一定高度时, 进、排气期可以任意调整而不会出现问题。但是, 这样做就将极大增加机体重量, 并且返回到筛侧式跳汰机时代, 其代价是不可接受的。可以适当设计空气室的高度, 利用其制衡作用,再辅以空气室水位电控, 完全能够保证跳汰床层始终处于正常起振状态2。

控制原理要达到理想的控制目标, 需要在每个空气室安装一台水位传感器, 同时在每个分选室的筛板上安装一台床层料位传感器, 风阀自动控制装置将根据对物料振幅的要求, 以及空气室水位不超越上、下限的要求, 自动调整各室的进气期、膨胀期、排气期和共同的跳汰周期。对传感器的基本要求是精度高、跟踪速度快、防尘防水、可靠性好、寿命长, 而且, 安装固定这些传感器的机械部分也同样要求适应传感器的性能。由于床层料位传感器和其安装机构较为复杂和昂贵, 目前配备起来仍有困难。为了避繁就简,考虑只安装水位传感器的简单控制系统, 基本可满足现有选煤厂在资金紧张情况下设备改造的需要,保证控制系统的可靠性。具体控制过程如下:

安装在空气室侧边的水位传感器, 不断检测空气室水位的变化, 并在每一个跳汰周期结束时, 控制器采集并存储一个最高水位信号值G 和一个最低水位信号值D, 当G 与D 的差(水位振幅) 大于水位振幅设定值与死区的和时, 自动步进减小进气期H 和排气期L 的值, 以使检测的水位振幅逐步减小, 直至接近设定的水位振幅。相反, 当G 与D 的差小于水位振幅设定值与死区的差时, 自动步进增大进气期H 和排气期L 的值, 以使检测的水位振幅逐步增大, 直至接近设定的水位振幅。

除了控制空气室水位的振幅之外, 水位还必须在空气室的上、下限之内波动。否则, 跳汰机床层将会出现“翻花”或“偏振”现象,“翻花”将搅乱已形成的床层, 而“偏振”将难以形成良好的床层。这就要求当G 大于设定上限时, 自动步进增加进气期H 的值, 同时, 减小排气期L 的值, 以使水位振幅保持不变, 而振荡中心线下移。反之, 当D 小于设定下限时,自动步进减小进气期H 的值, 同时增大排气期L 的值, 以使水位振幅保持不变, 而振荡中心线上移。

进气期H 和排气期L 的值不是可以无限增加或减小的, 在振幅一定的情况下, 影响其值的主要因素有: 进气阀和排气阀的最大开度(行程)、工作风压力、物料床层厚度等。在各因素可以允许的波动范围内,H 和L 的值通常为0. 15～ 0. 50s。

膨胀期的长短取决于跳汰机筛上重物料的振幅和在水中的干扰沉降速度。总的来说: 密度越大、颗粒越大、形状圆滑的物料沉降速度越快, 如果振幅越小, 则需要的膨胀期越短; 密度越小、颗粒越小、形状不规则的物料沉降速度越慢, 如果振幅越大, 则需要的膨胀期越长。由于物料振幅小于水位振幅, 而且物料在膨胀期初期由上升状态转化为沉降状态需要一个过渡时间, 忽略正负两方面的因素, 根据设定的水位振幅,膨胀期的大小应正比于设定振幅。调整设定振幅的大小, 膨胀期的时值就被自动地改变。压缩期的时值, 应略大于排气阀关闭动作的过渡时间。盖板式风阀、滑动式风阀和蝶阀式风阀的动作速度稍有差异, 通常其压缩期可在0. 1～ 0. 15s间选取。风阀自动控制装置按照上述计算方法, 对每一个空气室的进气期、膨胀期、排气期和压缩期分别计算, 求和得到多个不同的计算周期, 取其最大值,作为各室共同的候选跳汰周期, 与原有跳汰周期进行比较, 其差值小于死区范围时, 保留原有跳汰周期; 其差值大于死区范围时, 启用候选跳汰周期。保证跳汰周期既能够自动调整又避免频繁变化。压缩应取相同的值并设为同步点, 跳汰周期内多余的时间归入膨胀期。

应当注意的是: 尽量合理调整风阀行程, 使跳汰机的风阀整齐动作, 以保持各分选室间的床层同步,减少紊流对床层的破坏作用。一个产品段内相邻分选室的跳汰振幅应当接近, 相位应当同步, 这样才能使整机分选效率有较大的提高。当某空气室高水位超过上限, 同时该室进气期已调到最大值, 排气期到最小值, 即: G> 95% , H =0. 50s,L = 0. 15s, 此时进行上限报警。故障直接原因有: 进气缸常闭、排气缸常开、工作风压消失等。

当某空气室高水位低于下限, 同时该室进气期已调到最小值, 排气期到最大值, 即: G

当某空气室水位振幅小于下限, 同时该室的进、排气期均已调整到最大值, 即: G- D 总结

基于空气室水位的风阀闭环自动调节, 还可以简化跳汰机给料自动控制和风压自动控制系统。通过前面的介绍可以判断, 这种全新概念的风阀自动控制方法, 必将以其优越的控制原理、低廉的改造代价和巨大的改造效益, 在不久以后应用于越来越多的选煤厂3。