煤炭重介质洗选悬浮液密度控制

重介质密度计能不能不用核子源？选煤厂悬浮液密度控制实践

超声波声阻抗法替代核子（γ 射线）密度计的重介闭环控制实践

适用范围：动力煤 / 炼焦煤选煤厂 —— 合格介质桶、重介质循环主管、三产品旋流器（或斜轮分选机）入料，以及精煤脱介筛 / 离心机出料管线

▍项目快报 / 工况速览

一 工艺背景与测量痛点

▍1.1 悬浮液密度就是分选密度

重介质选煤是国内大型选煤厂的主流工艺。原煤进入三产品旋流器（或重介质斜轮分选机），与磁铁矿粉、水按比例配制的重介质悬浮液混合，依据煤、夹矸、矸石的密度差异分选出精煤、中煤、矸石三种产品。悬浮液密度直接等同于分选密度，典型工作区间为 1.30 ~ 1.85 g/cm³ —— 它不是一个监视量，而是分选结果的直接决定变量。

在自动化程度较高的选煤厂，密度信号是加水阀（降密度）与加介质螺旋（升密度）的闭环输入，密度测点的连续可用性因此直接关系分选系统能否长期自动运行：

▪ 合格介质桶 / 重介循环主管密度：分选密度的第一控制点，决定精煤灰分与产率；

▪ 加水阀与加介质螺旋：以密度信号为闭环输入，信号中断或漂移，控制即退回人工经验调节；

▪ 磁选回收与稀介质返回：磁选回收效率波动会改变悬浮液的介质浓度与煤泥含量，需要密度数据实时反映；

▪ 精煤脱介筛 / 离心机出料：反映脱介效果与介质流失，是介耗管理的观察窗口。

行业内普遍引用的经验是：重介悬浮液工作密度偏离设定值 0.02 g/cm³ 量级，即可引起精煤灰分零点几个百分点的变化，进而影响精煤产品的定价等级。该量级为选煤行业公开文献与现场经验数据，随煤质可选性、粒度组成与分选设备差异较大，具体矿井应以本厂可选性曲线与生产试验结果为准。

悬浮液密度同时受多重因素持续扰动 —— 原煤粒度组成变化、入洗煤泥含量波动、磁选回收效率波动、加水量与加介质螺旋下料量。正因为扰动源多，密度测点必须长期在线、连续可用；一旦仪表停机清理、膜片漂移或信号失真，闭环即退化为凭经验加水加介，分选密度随之失控。

▍1.2 现有测量方案的局限

▪ 核子（γ 射线）密度计：长期是选煤行业的默认方案，但属辐射类计量器具，需办理《辐射安全许可证》，并承担年检、放射工作人员资质培训与源退役处置。近年多地新建选煤项目在辐射安全与环保审批环节受限，存量装置也面临退役处置压力。

▪ 振动音叉密度计：叉体直接置于含磁铁矿粉与煤泥的悬浮液中，煤泥易缠绕、叉体易磨损。该厂反馈需每 1 ~ 2 个月停机清理一次，测量频繁中断，闭环控制被迫切除。

▪ 差压式 / 膜片式密度计：膜片直接接触悬浮液，磁铁矿颗粒硬度高、比重大，长期磨蚀使膜片减薄甚至穿孔，零点漂移明显，需反复停机校准；取压口与冲洗水系统本身也是维护负担。

▪ 插入式仪表的共性问题：重介循环管流速高、固相比重大，伸入流道的部件迎流面持续受冲刷，同时在下游形成扰流与挂料点 —— 磨损与堵塞是结构决定的，换材质只能延缓，不能消除。

图 1 煤炭重介质选煤厂悬浮液密度控制工艺布置示意图（PS7000 #1 重介循环主管 —— DCS 闭环调节加水阀 / 加介质螺旋；#2 精煤脱介后浆液浓度）

二 PS7000 的技术路径

▍2.1 测量原理：线性调频（Chirp）声阻抗法

超声波在介质中传播遇到固液界面时，回波强度由界面两侧的声阻抗差异决定，而声阻抗 Z = 介质密度 ρ × 声速 c，与介质密度直接相关。PS7000 采用单探头自发自收设计，持续发射线性调频（Chirp）超声脉冲并实时采集回波；Chirp 信号的宽频带特性有助于穿透气泡层、抑制多重反射干扰，主机通过算法解析回波的声阻抗特征还原介质密度。

与 γ 射线法的本质区别在于：PS7000 不含任何放射源，属非核源仪表，无需辐射安全许可证，也不涉及源的年检、人员资质与退役处置。

▍2.2 非侵入式测量：探头浸没于介质，但不伸入流道

PS7000 的测量管段以法兰串接在工艺直管段上，超声探头装在管段上 —— 这是与传统插入式仪表最关键的结构差异，也是选型时最容易被误解的一点，此处按《使用说明书》口径明确说明：

▪ 非侵入式（非侵入 ≠ 非接触）：探头须浸没于介质中才能工作，但不伸入流道 —— 流道内没有凸出物。说明书对此有明确要求：水平安装且探头位于管道上方时必须保证满管，否则探头接触不到液体即测量失效；分体式水平安装时探头应置于管道下方，以保证浸没。

▪ 因此不存在插入式探头的迎流面冲刷磨蚀、根部挂料与下游扰流问题，也不会造成堵管。

▪ 探头声窗为蓝宝石，光洁度高、耐磨、耐腐蚀；测量管段可按工况定制衬里（PTFE / 橡胶 / 陶瓷）。

▪ 强结垢介质仍应纳入日常点检 —— 说明书将「探头表面结垢」列为校准失败的排查项之一，处理方式为清洗探头后重新校准。

▪ 适用性边界：允许介质中存在气泡；但介质中不应含有大量悬浮或沉积的大颗粒物质。

图 2 PS7000 安装形式剖面示意 —— 与传统插入式的结构差异（结构原理示意图，非实测记录）

▍2.3 关键技术参数

※ 重介现场惯用密度单位（g/cm³）描述悬浮液，与表中「% 质量浓度」是同一测量量的不同表达方式；1.30 ~ 1.85 g/cm³ 的磁铁矿悬浮液换算后落在 0 ~ 80 % 量程之内。现场显示与模拟量输出的单位、量程标度请在选型阶段确认。

▍2.4 选型与安装条件（重要）

以下条件直接决定现场测量的稳定性，建议在设计选点阶段即予确认，可避免绝大多数投运后的偏差争议：

▪ 优先垂直安装，流体自下而上。水平安装时须确认介质无分层、测点具代表性。

▪ 流速 > 1 m/s；固相密度越大所需流速越高。避免低流速或滞流工况，防止颗粒沉降扰动精度与稳定性。

▪ 直管段要求：安装位置应远离泵及阀门、弯头等局部阻力件；水平安装时须保证前 10D、后 5D 直管段（最少前 5D、后 3D）。

▪ 保证探头浸没：一体式水平安装、探头位于管道上方时必须满管；分体式水平安装时探头应置于管道下方。非满管工况优先选分体式。

▪ 避开游离气泡富集点。曝气、双泵抽吸、负压入口等工况会引入大量游离气泡，气泡会抬高回波能量、使读数偏高，这是声学法的原理性限制，应通过测点位置规避，而非依靠标定补偿。

▪ 对比取样点应尽量靠近测点。取样点距测点过远会引入输送滞后，人工化验值与表显值的时间不对齐，会被误判为仪表偏差。

▪ 重介循环管应取泵出口下游的稳定段：加压泵出口紧邻处压力脉动与卷入气泡最强，应按 2.4 的直管段要求向下游让出足够距离，优先选择旋流器入料前的垂直上行段。

▪ 磁铁矿粉比重大、沉降快：停车或低负荷时循环管内易发生介质沉降，重新启车后的短时读数不代表稳态密度。建议在 DCS 侧结合循环泵运行信号做数据有效性判别，避免把启停过渡段的读数计入控制回路。

▍2.5 现场标定：取样称重法，在线完成

标定用于让仪表显示值与介质真实密度一致：采集若干组「仪表读数 + 对应化验值」，由仪表自动回归计算修正系数。整个过程无需停机，只要工况稳定、探头清洁即可在线进行。

标定前须逐项确认的工况条件：

现场最常见的是「只有工艺介质、无法临时通清水」的情况。此时用同一介质连续采集两次（每次约 2 分钟，共约 4 分钟）：两次实测点加上系统自动补充的虚拟零点构成 3 个回归点，仪表通过拟合优度 r² 交叉校验两次信号的一致性 —— 若采集期间出现气泡、流量突变或阀门异常导致数据不一致，系统会直接拒绝校准而不是给出一个错误的系数。这是防止「标定看起来成功、实际标歪了」的关键机制。

标定周期建议：新装仪表在首次运行 12 ~ 24 小时内标定一次；稳定运行后每 6 ~ 12 个月复核；精度要求高的测点每 1 ~ 3 个月复核；更换探头或介质后应立即重新标定。

三 改造前后对比

四 现场验证与运行情况

在山西某大型动力煤选煤厂（年入洗约 600 万吨）的改造项目中，3 台 PS7000 替代原有核子密度计，分别部署于两条重介质循环回路与精煤脱介后管路。据该厂投运 6 个月的统计反馈：工作密度的波动区间由原来的约 ± 0.03 g/cm³ 收窄至约 ± 0.008 g/cm³，同期精煤平均灰分下降约 0.4 个百分点。

需要如实说明的是：精煤灰分是分选密度、原煤可选性、入洗煤泥含量、分选设备状态等多因素共同作用的结果，密度控制精度的改善只是其中一项，不宜把灰分变化简单归因于单台仪表。我们建议在验收阶段以「密度波动区间」和「取样比对偏差」这类可直接测量的过程量作为考核指标。

运行期间的标定复核均按取样称重法在线完成，未因仪表标定安排停车；原核子密度计退役后，该厂相应免除了辐射安全许可证年检与放射工作人员资质维持等管理事项。

▍客户侧的实际收益

▪ 免除辐射类计量器具的许可证办理、年检、人员资质培训与源退役处置，新建及改造项目的审批路径简化。

▪ 取消了音叉叉体清理与差压膜片校准所需的按月停机作业，重介回路的密度信号具备了长期连续可用性。

▪ 密度信号接入 DCS 后，加水阀与加介质螺旋获得稳定的闭环输入，工作密度波动区间明显收窄（该厂 6 个月统计）。

▪ 在精煤脱介筛 / 离心机出料管线增设测点后，脱介效果与介质流失情况有了在线观察手段，为介耗管理提供数据依据。

五 常见问题

Q1 重介工作密度要控到 0.01 g/cm³ 量级，± 1 % 的指标够用吗？

A 先把话说清楚：说明书给出的是全量程 ± 1 % FS（规格书公示口径为 ± 1 % 质量浓度）这一项指标，并未单独给出短期重复性或分辨力指标，因此我们不会承诺「± 0.01 g/cm³ 绝对精度」。重介工况的实际情况是：仪表只在 1.30 ~ 1.85 g/cm³ 这一窄区间内工作，且用于闭环的是密度的相对变化与趋势，对控制回路而言，长期零点稳定性与信号连续性往往比全量程绝对精度更关键 —— 插入式仪表输在这一点上，而不是输在标称精度。工程上的正确做法是：用本厂磁铁矿悬浮液在实际工作密度区间内标定，并在合同附件中约定取样比对规则与验收偏差，以连续多组比对的平均偏差和趋势一致性验收。若需要以绝对密度值做贸易结算级计量，应另选方案。

Q2 煤泥、气泡、磁铁矿沉降会不会影响测量？

A 三种影响的机理不同，分开说：（1）煤泥含量变化会改变悬浮液的固相组成，声阻抗法测的是悬浮液整体密度，煤泥比例大幅变化时建议重新标定，或在标定时把典型煤泥波动范围覆盖进去；（2）气泡 —— 说明书明确允许液体中存在气泡，Chirp 宽频信号对细小分散气泡有较好的穿透能力，但泵入口负压区、放气作业、跌落卷吸等位置会产生大量游离气泡，气泡会抬高回波能量使读数偏高，这是声学法的原理性限制，只能靠测点位置规避，不能靠标定系数补偿；（3）磁铁矿比重大、沉降快，停车或低流速时水平管内极易分层，此时测点处的悬浮液本身已不具代表性 —— 应优先垂直上行管段并保证流速大于 1 m/s。另需注意，介质中不应含有大量悬浮或沉积的大颗粒物质，测点不应选在可能有块煤或矸石碎块通过的管段。

Q3 能不能直接沿用原核子密度计的安装位置？

A 通常不能直接沿用。核子密度计多为源与探测器夹管的外置形式，对直管段条件要求宽松；PS7000 的测量管段需要以法兰串接进管路，必须按 2.4 节确认直管段（水平安装时前 10D、后 5D，最少 5D / 3D）、满管与流速条件，并预留法兰串接所需的管段长度与停车窗口。改造前建议提供该段管路的现场照片或轴测图，由派声核算可行的串接位置。若管路完全不允许开孔改造、或停车窗口极短，可评估 PS7010 外夹式（声衰减法，不开孔）方案，但其适用工况与精度定位与 PS7000 不同，需按测点要求单独确认。

Q4 探头到底接不接触介质？会不会被磨掉？

A 接触。说明书的正式用词是「非侵入式」而不是「非接触」—— 探头必须浸没在介质中才能工作（水平安装且探头在上方时必须满管，否则测量失效），但探头不伸入流道，流道内没有凸出物，因此不存在插入式探头迎流面被高速固相持续冲刷的磨损机理。请注意：市面上部分资料把这类结构写成「非接触」，并不准确 —— 派声产品线中真正不接触介质的是 PS7010 外夹式（声衰减法），以及核法的 γ 射线密度计。

Q5 现场怎么标定？要停机吗？多久标一次？

A 取样称重法，通过遥控器菜单完成，不需要停机 —— 只要满管、流量波动在 ± 5 % 以内、无排气作业、温度稳定、探头清洁即可在线标定。现场只有一种介质时，用同一介质连续采集两次（共约 4 分钟），系统会用 r² 交叉校验两次信号一致性，不一致直接拒绝校准。周期：新装 12 ~ 24 小时内首标，稳定后每 6 ~ 12 个月复核，高精度测点每 1 ~ 3 个月，更换探头或介质后立即重标。

Q6 测点该选 PS7000 还是别的型号？

A PS7000（超声声阻抗）针对的是含气泡、高固含的浆液密度。若管道不允许开孔或为老旧管道改造，选 PS7010 外夹式（声衰减）；清洁液体的浓度分析选 PS7020（声速）；易结垢的化工酸碱液体选 PS7400（音叉）；DN200 以上大口径主管线可选 PS7300（差压）；贸易计量级精度选 PS7200（科里奥利）；多组分浓度分析选 PS7100 / 7110（光谱 / 折光）；含水悬浊液可选 PS7600（微波）。选型不确定时可把工况参数发给我们代为核算。

关于派声

西安派声信息科技有限公司（PISONICS）专注于超声波在线测量技术，产品覆盖浆体密度、溶液浓度、光谱浓度、液位与流量等工业过程参数。PS7000 系列超声波浆液密度计为公司自主研发的非核源浆体密度在线监测仪表，已在电力脱硫、有色与黑色金属选矿、煤炭洗选、盐湖化工、疏浚工程、市政污泥等行业投入运行。

超声波 · 密度 · 浓度 · 在线测量专家

※ 本案例中的工况参数与运行情况依据实际项目整理；图 1、图 2 为原理与布置示意图，非实测记录曲线。仪表技术参数与安装、标定要求以随货《Pisonics 超声密度计使用说明书》为准，如有变更恕不另行通知。