釩成品生產盤干設備改進及其全自動溫控系統

魏金輝

(承德鋼鐵集團有限公司自動化中心，河北 承德 067102)

盤干設備是釩成品生產過程中的一種干燥設備，也稱為盤式干燥機。濕多釩酸銨由皮帶等傳輸設備輸送進盤干設備進行干燥，經過干燥的多釩酸銨粉劑送入回轉窯進行氧化焙燒形成五氧化二釩或三氧化二釩成品，然后送入融化設備進行熔化制片。為節約能源并降低排放，將回轉窯產生的約300～400℃的高溫煙氣，由高溫引風機回引至盤干設備。

原工藝過程中，高溫引風機設置在盤干設備后端，即將高溫煙氣從回轉窯抽出，通過高溫煙氣管道經過盤干設備對濕多釩酸銨進行干燥后排空，在盤干設備入口處設置兌冷風管并安裝手動閥門實現對高溫煙氣溫度的調節。但是此工藝過程的溫控效果不佳，管道溫度和盤干設備入口溫度過高，會造成管道和盤干設備入口損壞，手動閥門也無法實時調整兌冷溫度。由于高溫煙氣來自回轉窯，而回轉窯的煙氣溫度又受產量和窯況的影響波動較大，盤干設備高溫煙氣管道的溫度控制屬于純滯后、大慣性和多耦合對象，溫度無法實現全自動控制，系統僅實現數據的采集功能，控制過程也是手動過程。而且操作員的經驗水平參差不齊，生產過程中手動控制溫度參數不穩定，對設備的安全穩定運行和對溫度比較敏感的釩成品質量產生極大的影響，極易造成高溫煙氣管道焊縫處高溫氧化、開裂和干燥設備損壞，以至于設備維修周期縮短，影響生產。生產中必須停產才能檢修，且由于空間狹小使設備維護難度增大，維修成本提高。

因此，筆者要解決的技術問題是，設計盤干設備溫度控制裝置和方法，實現盤干設備溫度的全自動控制，以降低煤氣等能源消耗、延長高溫煙氣管道等設備的使用壽命，并減輕了工人的勞動強度。

1 盤干設備溫度控制裝置的組成①

將高溫引風機由盤干設備后端移到盤干設備的前端，兌冷風管由從直接進入盤干設備改為由回轉窯出口高溫煙氣管道接入，在高溫煙氣管道上安裝高溫煙氣管道控制器件和溫度檢測元件；同時在兌冷風管上安裝兌冷風管控制器件[1]，并構建溫度控制模型，通過PLC或DCS系統硬件平臺，完全實現盤干設備溫度的自動控制[2]。

盤干設備溫度控制裝置由高溫煙氣管道、兌冷風管、高溫引風機、溫度檢測元件、高溫煙氣管道控制器件和兌冷風管控制器件組成。高溫煙氣管道連接在回轉窯高溫煙氣出口與高溫引風機進口之間，在高溫煙氣管道上連接有兌冷風管，兌冷風管與高溫煙氣管道連接處安裝兌冷風管控制器件，在高溫煙氣管道上安裝有高溫煙氣管道控制器件和溫度檢測元件。溫度檢測元件、高溫煙氣管道控制器件、兌冷風管控制器件的信號輸出與輸入端分別與現場控制站相連，通過現場控制站CPU中的兌冷溫度控制模型使兌冷風管控制器件和高溫煙氣管道控制器件有效配合，實現準確控制盤干設備入口溫度的目的。

現場控制站由輸入模塊、輸出模塊、CPU和接口模塊組成，現場控制站通過工業交換機與工程師站和操作員站相連；工程師站和操作員站由工控機和相應的網絡接口卡組成。現場控制站、操作員站和工程師站組成了成型的PLC或DCS。溫度檢測元件為熱電偶或熱電阻，高溫煙氣管道控制器件、兌冷風管控制器件為調節閥和變頻器。

盤干設備控制裝置的組成如圖1所示，盤干設備溫度控制裝置的工作流程如圖2所示。

圖1 盤干設備控制裝置組成框圖

圖2 盤干設備溫度控制裝置工作流程

2 盤干設備溫度控制步驟和模型

盤干設備溫度控制的具體步驟設計如下：

a. 在回轉窯中，對多釩酸銨進行氧化焙燒產生的高溫煙氣，由高溫引風機抽取至盤干設備。

b. 通過安裝在高溫煙氣管道上的溫度檢測元件，檢測高溫煙氣管道內的煙氣溫度，將溫度信號傳送至現場控制站。

c. 通過現場控制站轉換對應的高溫煙氣管道溫度值，在CPU中對高溫煙氣管道溫度值和操作員設定的高溫煙氣管道溫度值或工藝要求溫度值，通過兌冷溫度控制模型計算并輸出控制信號，控制兌冷風管控制器件調整兌冷程度，進而穩定控制高溫煙氣管道的溫度值。高溫煙氣管道控制器件用于在發生以下情況時進行控制——物料極少又需要保證生產的連續性而調整高溫煙氣管道控制器件，使閥位相應變小；物料入料量大，為保證生產的連續性而調整高溫煙氣管道控制器件，使閥位相應變大；當發生故障或后續設備維護檢修時，關閉高溫煙氣管道控制器件，同時關閉高溫引風機，保證后續設備安全。

d. 通過現場控制站對高溫煙氣管道溫度進行監控，并產生對應的溫度信號和控制信號，傳送至工程師站或操作員站。

e. 在工程師站或操作員站中顯示接收到的高溫煙氣管道的溫度及兌冷程度信號等技術參數值，存儲相應的趨勢值，對系統和設備狀態進行集中監控；對各種超限情況發出報警信號，提醒操作員，并生成技術報表或生產日報。

f. 盤干設備溫度控制方法。

g. 動態調整調節閥位與溫控趨勢值關系。

步驟f中，兌冷溫度控制模型計算用到的溫度檢測值TE(N)，為連續采集N次處理后的數值。為防止干擾情況的發生，數據經過排序去掉極值，得到處理數據溫度值TEP(m)，并實時保持多組連續處理的溫度數據。則有：

tmx=N×tc

其中tmx為TEP(m)和TEP(m-1)數據采集處理所對應的時間差值。Tmx=N×tc,tc為程序運行時間間隔。?#X為正值表示溫度為升高趨勢，數值為溫升趨勢值；反之為負值表示溫度為降低趨勢，數值為溫降趨勢值。

步驟g中動態調整調節閥位與溫控趨勢值關系的方法如下：

V#X=V+κ×f(p#X×|?#X|)

P#X=TEP(m)-TSP

其中，κ為調整系數；p#X為溫度設定值偏差；TSP為溫度設定值；V為當前閥位值；V#X為后一時刻的閥位值。

定義ε為控制精度，是工藝允許的偏差。取0<ε≤20℃之間的任意值，則閥位增量ΔV的計算式為：

上式的具體解釋為：

當溫度設定值偏差|p#X|<ε時，ΔV=0，即V#X=V，即兌冷現場的兌冷風管控制器件停止動作，閥位不變；

當p#X>ε+1且?#X為正值時，閥位增量ΔV，ΔV=κ×f(p#X×|?#X|)，置ΔV=0%～10%，即兌冷現場的兌冷風管控制器件以每分鐘增量為ΔV的值增加開度；

當p#X>ε+1且?#X為負值時，閥位增量ΔV=0，V#X=V，即兌冷現場的兌冷風管控制器件暫停動作，閥位不變；

當p#X<-ε-1且?#X為負值時，閥位增量-ΔV，其中-ΔV=-κ×f(p#X×|?#X|)，-ΔV=- (0%～10%)，即兌冷現場的兌冷風管控制器件以每分鐘增量為-ΔV的值減小開度；

當p#X<-ε-1且?#X為正值時，閥位增量ΔV=0，V#X=V，即兌冷現場的兌冷風管控制器件暫停動作，閥位不變。

ε+1或-ε-1用于克服溫度波動而產生的調節閥振蕩；ε值與ΔV值成正比關系。

經過上述計算后得到的閥位輸出值控制兌冷現場的兌冷風管控制器件，實現盤干設備溫度自動控制功能，使溫度控制在工藝允許的精度范圍內。

3 盤干設備溫度控制方法實例

3.1 實施例一

將高溫煙氣管道溫度檢測元件的數值控制在200℃，控制精度±5℃，兌冷溫度控制模型的參數確定如下：

溫度設定值TSP=200℃，控制精度ε=5℃，溫度設定值偏差|p#X|=|TEP(m)-TSP|=|TEP(m)-200℃|<5℃時，兌冷現場的兌冷風管控制器件不需要調節。

當p#X=TEP(m)-200℃>6℃，即溫度檢測元件的處理后的數值大于206℃且?#X為正值(溫度曲線的斜率大于0，溫度有上升的趨勢)時，閥位增量置為2%，即兌冷現場的兌冷風管控制器件以每分鐘增量為2%的值增加開度，直到溫度檢測元件的處理后的數值小于205℃時，兌冷現場的兌冷風管控制器件停止動作；當p#X=TEP(m)-200℃>6℃，且溫度檢測元件的處理后的數值大于206℃且?#X為負值(溫度曲線的斜率小于0，溫度有下降的趨勢)時，則兌冷現場的兌冷風管控制器件暫停動作，閥位不變。

當p#X=TEP(m)-200℃<-6℃，即溫度檢測元件的處理后的數值小于194℃且?#X為負值(溫度曲線的斜率小于0，溫度有下降的趨勢)時，閥位增量置為-2%，即兌冷現場的兌冷風管控制器件以每分鐘增量為-2%的值減小開度，直到溫度檢測元件的處理后的數值大于195℃時，兌冷現場的兌冷風管控制器件停止動作。

當p#X=TEP(m)-200℃<-6℃，即溫度檢測元件的處理后的數值小于194℃且?#X為正值(溫度曲線的斜率大于0，溫度有上升的趨勢)時，兌冷現場的和兌冷風管控制器件暫停動作，閥位不變。

這樣，很快就能將高溫煙氣管道溫度檢測元件的數值控制在200±5℃。

3.2 實施例二

將高溫煙氣管道溫度檢測元件的數值控制在150℃，控制精度±2℃，兌冷溫度控制模型的參數確定如下：

溫度設定值TSP=150℃，控制精度ε=2℃，溫度設定值偏差|p#X|=|TEP(m)-TSP|=|TEP(m)-150℃|<2℃時，兌冷現場的兌冷風管控制器件不動作，即溫度不需要調節。

當p#X=TEP(m)-150℃>3℃，即溫度檢測元件的處理后的數值大于153℃且?#X為正值(溫度曲線的斜率大于0，溫度有上升的趨勢)時，閥位增量置為1.5%，即兌冷現場的兌冷風管控制器件以每分鐘增量為1.5%的值增加開度，直到溫度檢測元件的處理后的數值小于152℃時，兌冷現場的兌冷風管控制器件停止動作。

當p#X=TEP(m)-150℃>3℃，即溫度檢測元件的處理后的數值大于153℃且?#X為負值(溫度曲線的斜率小于0，溫度有下降的趨勢)時，兌冷現場的兌冷風管控制器件暫停動作，閥位不變。

當p#X=TEP(m)-150℃<-3℃，即溫度檢測元件的處理后的數值小于147℃，且?#X為負值(溫度曲線的斜率小于0，溫度有下降的趨勢)時，閥位增量置為-1.5%，即兌冷現場的兌冷風管控制器件以每分鐘增量為-1.5%的值減小開度，直到溫度檢測元件的處理后的數值大于148℃時，兌冷現場的兌冷風管控制器件停止動作。

當p#X=TEP(m)-150℃<-3℃，即溫度檢測元件的處理后的數值小于147℃且?#X為正值(溫度曲線的斜率大于0，溫度有上升的趨勢)時，兌冷現場的兌冷風管控制器件暫停動作，閥位不變。

這樣，就能很快地將高溫煙氣管道溫度檢測元件的數值控制在150±2℃。

4 結束語

筆者設計的釩成品生產盤干設備溫度控制系統投入實際應用后，實現了盤干設備高溫煙氣管道兌冷溫度的自動控制，減少了高溫煙氣管道的燒損和開裂，提高了產量和產品質量；同時也合理利用了回轉窯的廢氣，節約了煤氣等能源；還減少了崗位操作人員及其工作量。不但降低了生產成本，而且減少了對環境的污染，帶來了可觀的經濟效益和社會效益。本方法可以應用于其他類似的溫度控制系統中，具有很強的推廣性。

[1] 金樹成,魏金輝,姜海罡.一種盤干設備高溫煙氣管道兌冷溫度控制裝置[P].中國:ZL201220512081.X,2012-10-08.

[2] 金樹成;魏金輝;姜海罡.一種盤干設備高溫煙氣管道兌冷溫度控制裝置及方法[P].中國:ZL201210377227.9,2012-10-08.