CC BY
93
СЕМИНАР 12
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
44 © Г.В. Кузнецов, П.И. Пилов,
В.А. Святошенко, 2001
УДК 553.9:622.7:681.3 4
Г.В. Кузнецов, П.И. Пилов, В.А. Святошенко
УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Д
инамика изменения требований к качеству продукции угольной промышленности и эффективности производства в условиях развивающихся рыночных отношений повышает необходимость обоснованности и быстроты принимаемых решений при управлении технологическими процессами. Учитывая сложность углеобогатительной фабрики как объекта автоматизации и управления, на первый план выдвигается необходимость использования современных информационных технологий, включающих программные системы управления технологическими процессами.
Основой управления технологическим процессом на углеобогатительной фабрике является преобразования и потребления информации об исходном сырье, всех видах взаимодействия в технологической схеме и в системе управления, о принятии и реализации управленческих решений. Информация возникает в процессе функционирования и развития объекта управления и характеризует его внутренне состояние, внешние условия и цели управления.
Используемые на некоторых обогатительных фабриках автоматизированные системы управления технологическими процессами решают локальные задачи. Для их интеграции необ-
Рис 1. Схема информационных потоков на углеобогатительной фабрике
ходим системный анализ объекта и задач управления, постановка и формирование комплекса задач управления как задач оптимизации по некоторому общему для системы критерию эффективности функционирования с использованием экономико-математических моделей объекта управления для объединения частных задач управления, прогнозом возможных состояний и выбора оптимальных управлений.
В качестве критериев эффективного функционирования технологической схемы углеобогащения могут быть использованы как технологические критерии (кри-терий Ханко-ка-Луйкена, максимальный выход при нормированной зольности), так и экономические, например, максимальная прибыль для заданных условий [3].
Исходя из особенностей функционирования углеобогатительной фабрики, предлагается схема управления технологическим процессом обогащения на уровне информационных потоков (рис. 1). Она включает следующие основные блоки:
• ТП - технологический процесс (технологическая схема углеобогатительной фабрики);
• Динамическая модель ТП - математическая модель прогноза показателей обогащения, учитывающая изменяющиеся во времени параметры технологического процесса;
• Анализатор - обрабатывает информацию, поступающую из динамической модели и ин-
формацию о характеристиках продуктов обогащения на выходе ТП;
• Статистическая БД ТП - база данных, содержащая информацию о ТП при различных воздействиях на технологический процесс переработки углей различного гранулометрического и фракционного составов, изменениях нагрузки на технологическое оборудование, режимов его функционирования;
• БД сырья - содержит информацию о ранее поступавших и поступающих углях: фракционные и гранулометрические составы, коэффициенты шламообразования и пр.
При поступлении каждой новой партии угля определяются ее предварительные характеристики, например, зольность рядового угля. Если в базе данных информация об этом угле есть, после ее идентификации и анализа, например, на соответствие текущей зольности, она используется для решения задачи управления, если такой информации нет, то база данных пополняется результатами опробования данной партии сырья.
Данные об исходном продукте обрабатываются с помощью алгоритмов, моделирующих технологический процесс, и формируется информация об управляющих воздействиях на ТП с прогнозированием результатов обогащения. Эта информация поступает на анализатор, где производится сравнение выбранного технологического режима на соответствие поставленному заданию по одному или нескольким критериям.
Управляющие воздействия реализуются либо локальными АСУ, либо операторами, в зависимости от уровня автоматизации предприятия.
После реализации технологического процесса, информация о качественно-количественных показателях обогащения сравнивается с прогнозируемыми и при необходимости производится коррекция динамической модели ТП с последующим переформированием информации об управляющих воздействиях.
По мере изменения воздействий на ТП и при обогащении углей с различными фракционными и гранулометрическими составами происходит пополнение статистической базы данных технологического процесса и по этим изменениям корректируется модель ТП.
Широко используемые в мировой практике технологии обогащения углей[5] основаны на раздельной сепарации гравитационными методами предварительно подготовленных классов
крупности (машин-ных классов). Большинство действующих в странах СНГ углеобогатительных фабрик имеют так называемую типовую схему, где процесс переработки углей с целью снижения их зольности осуществляется при выделении трех машинных классов: более 13 мм для сепарации в тяжелых средах, 0,5-13 мм для сепарации отсадкой и менее 0,5 мм для обогащения флотацией.
Основная задача управления технологией, как уже подчеркивалось, состоит в выборе режима обогащения исходя из получения концентрата с заданной зольностью при его максимальном выходе. Основными технологическими параметрами этого режима являются плотности разделения для каждого машинного класса.
В принципе, методика выбора плотностей разделения в практике углеобогащения широко известна [5]. Она состоит в том, что для известного гранулометрического и фракционного состава шихты графоаналитическим способом по кривым (номограммам) обогатимости для каждого машинного класса и смеси этих классов на основании теоремы Рейнхардта о максимальном выходе определяются плотности разделения исходя из заданной теоретической зольности суммарного концентрата. Затем, используя эти плотности, осуществляется расчет показателей обогащения с учетом засорения продуктов сепарации посторонними фракциями. Если заданная зольность суммарного концентрата не подтверждается, то итерационным методом находят скорректированные плотности разделения, при которых предполагаемая зольность концентрата подтверждается.
Такие расчеты весьма трудоемки и реально они могут осуществляются при проектировании обогатительных технологий, либо при планировании работы обогатительной фабрики на довольно длительный период, например, на последующий год, имея ввиду, что ее сырьевая база является вполне определенной. Но при этом следует иметь ввиду то, что если в течение этого периода пропорции (долевые участия в шихте) между углями поступающими из различных шахт могут соблюдаться, то фактическое поступление сырья имеет вполне конкретную динамику, которая определяет частные значения как долевых участий углей шихты, их так и гранулометрические и фракционные составы.
В связи с этим возникает конкретная задача управления процессами углеобогащения - иметь
достаточную информацию и необходимую скорость ее обработки, обеспечивающие выбор режима обогащения поступающих углей до начала их переработки и корректировать его в ходе этой переработки.
Исходной технологической информацией для выбора режима обогащения углей являются их гранулометрические и фракционные составы. Однако, ввиду трудоемкости отбора представительных проб и выполнения соответствующих анализов они производятся при периодическом опробовании технологической схемы, либо планово для угля каждой шахты ежемесячно или ежеквартально. Оперативному контролю подвергается лишь зольность и влажность каждой партии поступающего рядового угля. В отдельных случаях может осуществляться экспресс-контроль содержания машинных классов, а также угольных, промежуточных и породных фракций. Из этого следует вывод о том, что для принятия оперативных решений по управлению технологией углеобогащения информации о поступающем сырье недостаточно. Вместе с тем, обнаружены закономерности изменения гранулометрических и фракционных составов угля отдельной шахты от его зольности. Они соблюдаются при условии, что уголь добывается из тех же шахтопластов при неизменной технологии его выемки [2]. Эти закономерности основаны на том, что при данном способе добычи гранулометрические составы разрушенного добычным инструментом пласта, присечек вмещающих пород и «довалов» пород за счет обрушения кровли остаются неизменными. Фракционный состав связан со степенью минерализации угольного пласта, его строения и степени дробления угля режущим инструментом, обуславливающей образование определенного количества сростков. В извлекаемой части угольного пласта соотношения фракций плотности и их зольности при неизменной технологии добычи также остаются постоянными. Таким образом, имея первичные гранулометрические и фракционные составы данного угля и его зольность, возможно определить эти характеристики при иной зольности. Поскольку зольность горной массы, как уже подчеркивалось, оперативно контролируемая для каждой партии, поступающей на обогатительную фабрику, то при использовании хранящейся информации об этом угле, например, получаемой при его периодическом опробовании, имеется достаточно сведений для вы-
бора рационального технологического режима его обогащения.
Пусть известен гранулометрический состав угля, заданный выходами классов крупности уг и
зольностью А:, а также фракционные составы каждого класса крупности, определяемыми для каждого j-й фракции плотности выходами у,
зольностью А- .
Для определения гранулометрических составов угольных и породных фракций в данном угле определим зольность угольных фракций в каждом классе крупности, подразумевая под угольными фракциями собственно угольные и промежуточные фракции. С этой целью воспользуемся известными фракционными составами классов крупности, полагая, что при т плотностях фракционного анализа имеем т+1 фракций плотности:
- зольность угольных фракций в данном классе крупности:
1 т
Ауг = ~т 1уг1Лг1;
I У]1=
]=1
- зольность породных фракций в этом же
классе А = А*т+1);
Тогда, выхода от исходного продукта классов крупности для угольной и породной фракций, равны:
у; = У г
А - л
л* - а:
Уг
У г = У - У .
Приведенные значения этих выходов составят:
у
У
прг
п+1
Уп- =
/ пр1
У
п+1
1уП
г=1 г=1
Отметим, что если для выполнения гранулометрического анализа используется п сит, то количество классов крупности составляет п+1.
С учетом полученного значений приведенных выходов зольность угольных и породных фракций в исходном угле при любой его зольности составит:
п+1
п+1
АН = 1уУрЛУ ; А: =1уППрА".
г=1 г=1
Доли угольной и породной фракций при новой зольности исходного угля Ан будут, соответственно, равны:
9
у
а: - лн л: - а:
При этих соотношениях выхода классов крупности при новой зольности рядового угля составят:
у . = уу 9 + у" 9
* нг ' прг т у ' пргт п
а-9 + уп
уг* у I \
п А* 9 I пр! ттп),
нг * пргт у а их зольность:
Аш = — упр»А
у т
Расчет фракционных составов классов крупности угля при новой его зольности осуществляется исходя из того, что соотношение между количеством угольных и промежуточных фракций остается неизменным при изменении зольности данного класса крупности за счет добавления породы. Однако при этом меняется соотношение между угольными фракциями (совместно с промежуточными) и породными фракциями. Оно определяется на основании баланса компонентов в данном классе крупности угля. Из уравнения баланса следует, что доли угольной и породной фракций равны:
9уг =
Ан - Ан
пг т
Ан - Ан
пг уг
9пг = 1 -9уг .
Используя эти соотношения, определяются выхода угольных и промежуточных фракций и породных фракций в г-м классе крупности:
у г] = 9
у]
уг т
I
1=1
у
у]
( т+1)
= 9пг .
Таким образом, с учетом того, что зольность фракций плотности в классах крупности и содержания в них серы остаются постоянными, фракционные составы при новой зольности рядового угля могут быть определены при использовании ранее полученных данных при опробовании угля аналогичного происхождения и имею-
щего другую зольность и хранящихся в банке данных.
При этом, для оперативного расчета фракционного состава вновь поступившего угля и прогнозирования показателей обогащения в условиях динамики его поступления и качества, достаточно определить его общую зольность. Более точные результаты получаются, если дополнительно измеряется гранулометрический состав угля с определением зольности каждого класса крупности.
Зачастую непрогнозируемая периодичность поступления углей на обогатительную фабрику и текущие их запасы в дозирующих-аккумулирующих бункерах предопределяют состав шихты для текущей переработки. При этом возможен подбор наиболее рационального сочетания долевых участий компонентов, предопределяющее ее состав в режиме реального времени. Поэтому для каждого такого случая, возникающего при поступлении новых партий угля или изменении интенсивности грузопотоков, необходим подбор своего специфичного технологического режима, обеспечивающего получение продукции заданного качества.
Исследованиями процессов обогащения полезных ископаемых установлено, что сепараци-онные характеристики, т.е. зависимости извлечения частиц в какой либо продукт сепарации определяются их взаимодействием с разделительной средой (водой, воздухом, суспензией, псев-доожиженной постелью), характеризующимся подвижностью. Доминирующее физическое свойство минеральных частиц, определяющее это взаимодействие, является разделительным признаком данного процесса сепарации. В случае гравитационных процессов таким разделительным признаком в пределах машинного класса крупности принято считать плоЭдаить ивасущественных свойств сепарацион-ных характеристик является их независимость, в определенных пределах, от фракционного состава обогащаемого материала. На этом признаке основана методика прогнозирования показателей обогащения, согласно которой, если распределение фракций по плотности в исходном угле задано функцией 9(х), а распределение золы функцией 9а (х), выход и зольность концентрата составят:
хтах 1
у = 19 (х)Е (х )Нх; А = — ^9 л (х )Е (х)Нх.
хтт
В случае раздельного обогащения нескольких машинных классов суммарные показатели будут, соответственно, равны:
п хтах 1 хтах
у = 1у 9г(х)нх;А = - 1у ]" 9лг(х)Нх.
г=1 х ■ у х ■
%|П %|П
Функции распределения фракций и золы по плотностям могут быть определены по фракционным составам, заданными выходами фракций и их зольностями [1, 4].
Таким образом, полученные уравнения выражают функции выхода и зольности суммарного концентрата в зависимости от режима обогащения для каждого машинного класса, определяемого плотностями разделения, соответственно,
для крупного класса р1 и для мелкого рр,
т.е.:
гк = f (р[, р!);
Ad =
f к ■ р! ).
Одной из основных задач оптимизации углеобогащения является нахождение таких технологических режимов, при которых прибыль обогатительной фабрики при переработке данного сырья будет максимальной. Существующие методики формирования цены на уголь и продукцию углеобогатительных фабрик предусматривают ее корректировку в зависимости от качественных показателей, таких как зольность, содержание серы и влажность. Но прибыль обогатительной фабрики зависит не только от цены продуктов обогащения, но и от их массы, определяемой выходом.
В качестве критерия, максимальное значение которого адекватно максимальной прибыли для случая, когда изменение технологического режима не влечет дополнительных затрат, можно принять стоимость конечных продуктов обогащения, полученных из одной тонны переработанного угля. В соответствии с применяемыми методиками корректировками цены на изменение качества концентратов и установлении для каждого сорта концентрата (в зависимости от крупности) дифференцированной цены, этот критерий равен:
Р0 = IуkPk\— + СА: ]-лк \л +([^^]-)к8 к=1
где Рк - цена тонны концентрата k-го машинного
класса при зольности \Adk J и содержании серы
S J ; кА и kS - поправочные коэффициенты на
изменение зольности и на содержание серы в концентрате.
В случае, когда цена устанавливается на суммарный концентрат, тогда P=const и может быть вынесена за знак суммирования.
Изучение зависимости Р0 от плотностей разделения для каждого машинного класса при реальных гранулометрических и фракционных составах углей показало наличие максимума, который соответствует оптимальному технологическому режиму углеобогащения с точки зрения получения максимальной прибыли.
Поиск технологических режимов при условии Р0 ^ max может осуществляться как при нормированной зольности суммарного концентрата, так и при ненормированной зольности суммарного концентрата и концентратов каждого машинного класса.
В первом случае задача сводится к поиску режима, обеспечивающего максимальный выход суммарного концентрата при заданной его зольности, во втором - к поиску максимальной прибыли в условиях действующего механизма ценообразования в угольной промышленности.
На основе созданных методик прогнозирования показателей обогащения угля и поиска оптимальных технологических режимов разработаны алгоритмы и пакет прикладных программ для обработки первичной технологической информации и ее подготовки для принятия управленческих решений. Программа прогноза результатов обогащения в зависимости от технологических режимов и состава исходного сырья позволяет оперативно, в зависимости от меняющихся гранулометрических и фракционных составов углей и их смеси определять рациональный режим работы обогатительной фабрики.
Эти алгоритмы реализована на языке OBJECT-PASCAL в интегрированной среде разработки DELPHI для среды Windows 95/98/2000 и предназначена для углеобогатительных фабрик, имеющей типовую схему, включающую: шихтование углей, подготовительной грохочение и дешламацию для получения трех машинных классов, раздельное обогащение каждого машинного класса, соответственно, крупного класса в
тяжелых средах или отсадкой, мелкого класса отсадкой с возможностью выделения промежуточных продуктов в каждом машинном классе, их дробления и переобогащения, обогащение шламов с использованием флотации или иного способа.
С целью интеграции пакета программ в большее число систем управления технологическими процессами обогащения ведется портирование проекта на Ц№Х и QNX платформу.
Программа включает следующие расчетные блоки.
1. Расчет гранулометрического и фракционного составов шихты, в принципе, состоящей из углей любого количества шахт, информация о которых находится в банке данных компьютера. Банк данных о гранулометрических и фракционных составах углей различных шахт может пополняться и обновляться по мере поступления новой информации, получаемой по результатам их опробования. При этом осуществляется выбор шахт, угли которых будут подвергаться обогащению в данной шихте, задаются их долевые участия либо массы с указанием влажности и фактические зольности. В соответствии с изложенной методикой происходит корректировка гранулометрических и фракционных составов, вызванных для расчета из банка данных, с учетом фактической их зольности, а затем рассчитываются гранулометрические и фракционные составы шихты.
2. Расчет гранулометрических и фракционных составов машинных классов угля с учетом вторичного шламообразования. В этом расчете используются коэффициенты вторичного шламооб-разования от различных фракций плотности при различной их крупности, определяемые при опробовании технологической схемы обогатительной фабрики. Эти коэффициенты вводятся в программу как константы расчета и обновляются при поступлении новой информации о технологическом процессе. Это, в равной мере, относится и к другим константам расчета, специфичным для конкретного режима, например: эффективности грохочения и дешламации, коэффициенты задержки шламов при обезвоживании и пр.
3. Расчет выходов, зольностей и содержания серы в концентратах и отходах с учетом первичных и вторичных шламов, остающихся в этих продуктах, при обогащении каждого машинного класса. Расчет осуществляется с использованием подробных фракционных составов машинных классов, полученных с помощью функций распределения компонентов в угле, описываемых квадратичными сплайнами и сепарационных характеристик обогатительных аппаратов, определяемыми интегралом вероятности Г аусса.
4. Выбор оптимального режима обогащения для заданных условий. Для этого предусмотрено три режима работы программы: 1) расчет при заданных плотностях разделения для каждого машинного класса; 2) выбор режима, обеспечивающего максимальную прибыль при нормированной зольности суммарного концентрата в соответствии с принятой методикой корректировки цен на продукты углеобогащения; 3) выбор режима, обеспечивающего максимальный выход концентрата при нормированной зольности суммарного концентрата.
Программа позволяет получить следующую информацию: гранулометрический и фракционный составы шихты, выхода, зольности и содержания серы, для каждого продукта технологической схемы и для конечных продуктов (суммарный концентрат и отходы) для различных вариантов функционирования технологической схемы (с выделением пром-продуктов или нет, с их переобогащением после дробления, либо без них. Эта информация позволяет выбрать рациональный режим для каждой партии угля, поступающей на углеобогатительную фабрику.
Предложенный способ управления процессами углеобогащения, в основе которого лежат информационные технологии уже начал применяться на некоторых фабриках Донбасса. Он позволил не только оптимизировать технологию, но принимать оперативные решения по расширению сырьевой базы и получать концентраты с качеством, удовлетворяющим спрос, а также повысить степень загрузки фабрик.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пилов П.И. Описание лов с помощью квадратичного 2. Пилов П.И., Сбитнев М.П.
фракционных составов и удельной сплайна Обогащение полезных ис- Оперативное прогнозирование
поверхности дисперсных материа- копаемых,1999, №3(44).- С. 14-19 показателей углеобогащения в ус-
ловиях динамики объемов и качества сырья Вибрации в технике и технологии, 1998, №4(8).- С.43-45
3. Пилов П.И., Сбитнев М.П. Оптимизация режимов углеобогащения Вибрации в технике и технологии, 1998, №4(8).- С.44-47
4. Пожидаев В.Ф., Пилов П.И, Полулях А.Д. Шандар С.В. Аналитическое описание распределения зольности угля по фракциям Обо-
гащение полезных ископаемых, 2000, №8 (49).- С. 120-127
5. Справочник по обогащению углей. Под ред. И.С. Благова, А.М. Коткина, Л.С.Зарубина. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1984, 614 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Кузнецов Г.В. - Национальная горная академия Украины.
Пилов Петр Иванович - профессор, доктор технических наук, доцент, первый проректор Национальной горной академии Украины.
Святошенко В.А. - Национальная горная академия Украины.
^________________________________________________________________________________/
