臥螺離心機(jī)先進(jìn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

孫水平，李偉夫

（廣東南方堿業(yè)股份有限公司，廣東 廣州 510760）

1 工藝情況

氨堿法制堿過(guò)程所產(chǎn)生的堿渣（俗稱白泥）的處理一直困擾業(yè)界，廣東南方堿業(yè)股份有限公司發(fā)明了將白泥應(yīng)用于鍋爐煙氣脫硫技術(shù)并獲得國(guó)家專利（專利：201010572644.X）。堿渣白泥中含有大量的氯根（Cl－），如果不除去則會(huì)對(duì)脫硫設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，因此，氯根（Cl－）含量是白泥能否大規(guī)模應(yīng)用于火電廠鍋爐煙氣脫硫，實(shí)現(xiàn)白泥100%綜合利用的關(guān)鍵。

在低氯白泥工藝流程中，由于流體介質(zhì)（白泥）的特殊性，白泥顆粒大小的不均勻及凝聚度的不一，離心機(jī)設(shè)備容易在運(yùn)行中造“堵”，對(duì)設(shè)備運(yùn)行及安全都非常不利。臥式螺旋離心機(jī)系統(tǒng)是白泥脫水工序核心設(shè)備，該離心機(jī)的參數(shù)主要有液壓扭矩、脫水機(jī)轉(zhuǎn)速、液壓站頻率及電流等，其中液壓扭矩是核心參數(shù)，通過(guò)觀察液壓扭矩的大小，可以有效的判定離心機(jī)運(yùn)行的狀況。扭矩的過(guò)程優(yōu)化控制及聯(lián)鎖保護(hù)控制的實(shí)現(xiàn)，是保證離心機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，提高過(guò)程自動(dòng)化水平的關(guān)鍵。

2 常規(guī)控制

通常的工作狀態(tài)下，臥式螺旋沉降離心機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500r／min，此參數(shù)受離心機(jī)變頻器控制，頻率控制在30～35Hz。原始白泥經(jīng)過(guò)液壓站控制輸送到脫水機(jī)，液壓站是白泥進(jìn)入離心機(jī)的動(dòng)力源，液壓站由液壓站變頻器控制，頻率控制在18～26Hz。原始白泥經(jīng)過(guò)白泥切斷閥（此閥屬于開(kāi)關(guān)閥，時(shí)間行程大概5～8s），輸送到白泥調(diào)節(jié)閥（此閥可以自由調(diào)節(jié)開(kāi)度0～100%，控制進(jìn)離心機(jī)的實(shí)際流量大小），再進(jìn)入離心機(jī)，泥水分離；泥再由液壓站轉(zhuǎn)鼓推出。液壓扭矩是離心機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的核心參數(shù)，當(dāng)扭矩過(guò)高時(shí)，說(shuō)明白泥顆粒大或者凝固大，當(dāng)前液壓推力不足，白泥進(jìn)入離心機(jī)后容易堵，需調(diào)整液壓站推力，或者減少白泥進(jìn)料，甚至關(guān)閉切斷閥；當(dāng)扭矩過(guò)低時(shí)，需加大白泥進(jìn)料。

根據(jù)最初的設(shè)計(jì)要求，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了扭矩的開(kāi)環(huán)控制，正常情況下：

液壓站頻率控制在18～26Hz區(qū)間，屬定值控制，可調(diào)，開(kāi)環(huán)；

離心機(jī)頻率控制在30～35Hz區(qū)間，屬定值控制，可調(diào)，開(kāi)環(huán)；

白泥進(jìn)料切斷閥點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，處于打開(kāi)狀態(tài)；

白泥進(jìn)料調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，0～100%可調(diào)，開(kāi)環(huán)；

液壓扭矩控制在50～80Nm區(qū)間。

常規(guī)控制模式下，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)存在很多人為因素及環(huán)境變化因素干擾，調(diào)節(jié)人員需時(shí)刻留意系統(tǒng)扭矩、流量、頻率等參數(shù)的變化，調(diào)節(jié)操作頻繁，系統(tǒng)需長(zhǎng)時(shí)間達(dá)成穩(wěn)態(tài)，故采用先進(jìn)控制對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3 先進(jìn)控制策略

此項(xiàng)目采用先進(jìn)控制策略，核心是專家智能控制和多變量魯棒預(yù)測(cè)控制。預(yù)測(cè)控制算法三個(gè)特征：預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。其采用的算法步驟大致是：在當(dāng)前時(shí)刻，采用過(guò)程動(dòng)態(tài)模型來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)一定時(shí)域內(nèi)每個(gè)采樣點(diǎn)的過(guò)程輸出，并用當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)測(cè)誤差修正模型的預(yù)報(bào)值；然后，基于輸出期望設(shè)定值與預(yù)測(cè)值的偏差按某個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)計(jì)算出當(dāng)前及未來(lái)一定時(shí)域的控制量。為了柔化控制量和防止超調(diào)，需設(shè)定值按某種參考軌跡達(dá)到其目標(biāo)值。每次計(jì)算后，僅輸出當(dāng)前控制量并施加給實(shí)際過(guò)程。至下一時(shí)刻，根據(jù)新的測(cè)量數(shù)據(jù)重新按上述步驟計(jì)算控制量。因此，此計(jì)算方式是一個(gè)不斷滾動(dòng)的局部?jī)?yōu)化過(guò)程。

4 先進(jìn)控制模型設(shè)計(jì)

4.1 過(guò)程優(yōu)化控制

根據(jù)工藝控制的實(shí)際情況，操作人員需時(shí)刻留意扭矩的變化情況。當(dāng)扭矩接近上限值時(shí)或呈增長(zhǎng)勢(shì)態(tài)時(shí)，需手動(dòng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整（減小）進(jìn)料流量，關(guān)小閥門(mén)；根據(jù)操作人員的操作習(xí)慣，把整個(gè)脫水工序考慮成一個(gè)整體，對(duì)該整體模型進(jìn)行被控變量及操縱變量細(xì)化，實(shí)現(xiàn)其整體優(yōu)化控制，設(shè)計(jì)一個(gè)高度自動(dòng)化集成的白泥進(jìn)料扭矩流量頻率閉環(huán)控制系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)思路：此控制系統(tǒng)主要控制對(duì)象是液壓扭矩，操縱對(duì)象是進(jìn)料流量及液壓頻率，有效的控制進(jìn)料流量及液壓頻率以達(dá)到有效控制液壓扭矩的目的，形成扭矩——流量、頻率閉環(huán)控制。

控制邏輯：當(dāng)扭矩超高時(shí)（大于XH1），把白泥進(jìn)料調(diào)節(jié)閥閥門(mén)開(kāi)度控制引入閉環(huán)控制，當(dāng)扭矩超限時(shí)，適當(dāng)?shù)臏p小進(jìn)料閥門(mén)開(kāi)度來(lái)降低白泥流量，達(dá)到降低扭矩的效果；同時(shí)，當(dāng)扭矩上升超過(guò)XH1的時(shí)候，液壓站變頻器自動(dòng)以X2HZ／S的速度加速（最大值50Hz），直至滿50Hz。加速過(guò)程中，當(dāng)扭矩恢復(fù)到X0以下時(shí)，液壓站變頻選擇設(shè)定值輸出。

詳細(xì)算法流程圖：程序算法：

1）在優(yōu)化控制模式下，當(dāng)液壓扭矩＞XH1時(shí)，記錄此刻閥門(mén)開(kāi)度。該開(kāi)度為后期扭矩回歸正常時(shí)，閥門(mén)自動(dòng)緩慢打開(kāi)上限保護(hù)開(kāi)度；

圖1

2）液壓扭矩＞XH1時(shí)，閥門(mén)以每秒0.2%（可設(shè)調(diào)整）的開(kāi)度關(guān)閥，與此同時(shí)，液壓站以每秒0.5 Hz的速度加大頻率輸出；關(guān)閥下限保護(hù)為20%，避免扭矩偶爾過(guò)大，可有效控制回歸正常的時(shí)候，把進(jìn)料閥關(guān)死，導(dǎo)致沒(méi)有流量空轉(zhuǎn)；

3）當(dāng)液壓扭矩回歸正常，扭矩＜XH1時(shí)，液壓站頻率回到設(shè)定值，閥門(mén)延時(shí)1min（可設(shè)調(diào)整），以每秒0.2%（可設(shè)調(diào)整）的開(kāi)度開(kāi)閥，當(dāng)打開(kāi)了3%（原開(kāi)度基礎(chǔ)上＋3%）時(shí)，閥門(mén)延時(shí)1min（可調(diào)整），再以0.2%的開(kāi)度開(kāi)閥，如此循環(huán)，此循環(huán)的目的是避免短時(shí)間內(nèi)快速打開(kāi)進(jìn)料閥導(dǎo)致扭矩又突然上升，避免扭矩動(dòng)蕩，開(kāi)閥上限保護(hù)為步驟2中記錄的閥門(mén)開(kāi)度。

4.2 聯(lián)鎖保護(hù)控制

扭矩出現(xiàn)超高高時(shí)，觸發(fā)聯(lián)鎖控制：

1）扭矩超過(guò)XH2時(shí)，液壓站選擇設(shè)定值輸出，定時(shí)5S關(guān)閉加藥泵和進(jìn)料切斷閥。輸出報(bào)警。

2）扭矩超過(guò)XH3時(shí)，系統(tǒng)降速。輸出報(bào)警。降速過(guò)程中，當(dāng)扭矩小于X0不再降速，升回到設(shè)定值，若一直超過(guò)XH3時(shí)，降速到0。系統(tǒng)停車(chē)。

液壓扭矩的聯(lián)鎖控制一定程度上保證了離心機(jī)系統(tǒng)的可靠性、安全性，系統(tǒng)運(yùn)行可以得到有效控制。

5 運(yùn)行效果及分析總結(jié)

液壓扭矩在扭矩——流量、頻率閉環(huán)控制和聯(lián)鎖控制的雙重保護(hù)下，得到有效的控制，如圖2、圖3。

圖2 某臺(tái)離心機(jī)系統(tǒng)進(jìn)料閥80min內(nèi)投優(yōu)化控制閥門(mén)調(diào)節(jié)曲線

圖2中前段閥門(mén)自動(dòng)關(guān)小，關(guān)小到一定時(shí)，又上升呈恢復(fù)狀，說(shuō)明關(guān)小到一半時(shí)，扭矩降低到正常范圍，閥門(mén)恢復(fù)打開(kāi)，這時(shí)扭矩又超限，閥門(mén)繼續(xù)關(guān)小至保護(hù)值。扭矩恢復(fù)之后，閥門(mén)緩緩升到原記錄值（已記載）。圖中可見(jiàn)，1小時(shí)20分鐘內(nèi)閥門(mén)自動(dòng)減小開(kāi)度2次，說(shuō)明該時(shí)間段內(nèi)，扭矩2次出現(xiàn)超限現(xiàn)象。

圖3中1小時(shí)20分鐘時(shí)間內(nèi)，扭矩2次從高拉到低位，符合調(diào)節(jié)閥動(dòng)作曲線。

圖3 某臺(tái)離心機(jī)扭矩在同時(shí)刻80min內(nèi)投優(yōu)化狀態(tài)下曲線

表1 投優(yōu)化前后其扭矩?cái)?shù)據(jù)及人工干預(yù)時(shí)間比較表

6 結(jié) 語(yǔ)

此先進(jìn)控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中已投用，適應(yīng)了生產(chǎn)的需要，實(shí)現(xiàn)了扭矩的有效控制，離心機(jī)系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定可靠，操作人員的工作強(qiáng)度大大降低，流程自動(dòng)化水平得到大大提高。