電石生產(chǎn)全流程一體化控制與優(yōu)化策略

富 琛,張樹(shù)吉,金曉明,黃 偉

(1.浙江中控軟件技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310053；2.浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所，浙江 杭州 310027)

0 引言

某企業(yè)大型密閉電石爐裝置已采用分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)(又稱集散控制系統(tǒng))，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)數(shù)據(jù)的集成、基礎(chǔ)控制和設(shè)備聯(lián)鎖保護(hù)等功能，同時(shí)也為應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。但由于電石爐裝置存在多種復(fù)雜特性，且干擾因素多、爐況復(fù)雜多變，在以往的生產(chǎn)操作過(guò)程中仍主要依賴人工經(jīng)驗(yàn)[1]。根據(jù)密閉電石爐裝置的工藝特點(diǎn)和過(guò)程控制需求，本文進(jìn)一步完善了相關(guān)基礎(chǔ)檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用模型預(yù)測(cè)控制、智能控制、軟測(cè)量等先進(jìn)控制技術(shù)，總結(jié)生產(chǎn)工藝專家經(jīng)驗(yàn)，在常規(guī)DCS的基礎(chǔ)上采用大型密閉電石爐先進(jìn)控制(advanced process control,APC)系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高裝置整體自動(dòng)化水平和操作一致性，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的精細(xì)化控制，從而穩(wěn)定爐況、減少操作故障事件、穩(wěn)定電石質(zhì)量和產(chǎn)量、保證生產(chǎn)安全。

1 密閉電石爐工藝流程

該企業(yè)大型密閉電石爐裝置由大連重工研發(fā)，裝置運(yùn)行安全可靠，在電石生產(chǎn)的節(jié)能降耗、污染減排和節(jié)約資源等方面均處于行業(yè)領(lǐng)先地位。其工藝流程簡(jiǎn)介如下。

密閉電石爐是一種礦熱電爐。電流通過(guò)電極輸入電石爐內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能，將生石灰和碳素材料(焦炭、蘭炭、無(wú)煙煤、石油焦等)在高溫下反應(yīng)生成電石產(chǎn)品[2]。密閉電石爐主要由爐體、電極、變壓器及其短網(wǎng)、電極壓放裝置、電極升降裝置、出爐系統(tǒng)和爐氣凈化系統(tǒng)等組成。目前，應(yīng)用較為普遍的是三相圓形密閉電石爐。

加工處理后的原料生石灰和碳素材料，經(jīng)過(guò)合理的配料，用輸送機(jī)將原料送到環(huán)型布料機(jī)，從環(huán)型布料倉(cāng)下部的投料管把爐料投入電石爐內(nèi)[3]。電流由電爐變壓器，經(jīng)短網(wǎng)、導(dǎo)流銅管和導(dǎo)電元件導(dǎo)入電極[4]，爐料在電石爐內(nèi)通過(guò)電弧熱加熱到1 900～2 200 ℃而生成電石和CO，熔融電石定時(shí)出爐流到小車上的電石鍋內(nèi)冷卻，富含CO的高溫爐氣經(jīng)凈化除塵、冷卻后送往其他用氣單元[5-7]。

密閉電石爐工藝流程如圖1所示。

圖1 密閉電石爐工藝流程圖

2 控制現(xiàn)狀分析

該企業(yè)大型密閉電石爐裝置已采用DCS，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)數(shù)據(jù)的集成、基礎(chǔ)控制和設(shè)備聯(lián)鎖保護(hù)等功能，但電石爐裝置在生產(chǎn)操作過(guò)程中仍主要依賴人工經(jīng)驗(yàn)。目前，密閉電石爐生產(chǎn)過(guò)程控制主要存在以下難點(diǎn)。

①響應(yīng)滯后大，不能及時(shí)掌握原料和電石產(chǎn)品的組成變化，影響電石爐生產(chǎn)工況[8]；人工進(jìn)行配料操作勞動(dòng)強(qiáng)度大。

②電極壓放次數(shù)需要根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷、爐況及電極長(zhǎng)度等人工設(shè)定，電極軟硬程度、電極長(zhǎng)度均由人工檢測(cè)后手動(dòng)輸入。

③三相電流之間存在一定的非線性耦合關(guān)系，各電極之間的回路阻抗不僅取決于電極在爐內(nèi)的插入深度，還與爐料的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，且爐料的物理化學(xué)性質(zhì)在冶煉過(guò)程中不斷變化。電極升降調(diào)節(jié)時(shí)，需要綜合考慮各電極埋入深度及其電流之間的耦合關(guān)系，選擇調(diào)節(jié)相關(guān)電極的升降，以保持電極電流及電極功率的平穩(wěn)一致。目前，電極升降控制主要依賴人工經(jīng)驗(yàn)，不能很好地解決及時(shí)性、準(zhǔn)確性和電極相互耦合影響的問(wèn)題，控制效果不佳，導(dǎo)致三相電極做功不平衡，電石質(zhì)量和產(chǎn)量不能達(dá)到預(yù)期要求，而且增加了能耗。

④未對(duì)電石爐裝置的電能、電氣和相關(guān)過(guò)程量信息進(jìn)行綜合分析，缺乏對(duì)爐況的智能診斷和優(yōu)化，裝置潛能尚未有效挖掘。

⑤部分檢測(cè)儀表(如雷達(dá)料位計(jì))及電氣設(shè)備(如進(jìn)料刮板)等不定期出現(xiàn)故障，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的安全性和連續(xù)性，在生產(chǎn)中需由人工現(xiàn)場(chǎng)輔助監(jiān)測(cè)。

對(duì)于上述控制難點(diǎn)，目前常規(guī)PID控制和手動(dòng)調(diào)節(jié)難以較好地解決，存在調(diào)節(jié)滯后、缺乏操作統(tǒng)一性等問(wèn)題。因此，采用先進(jìn)控制技術(shù)是行之有效的解決方法。

3 先進(jìn)控制技術(shù)

3.1 先進(jìn)控制軟件

該企業(yè)大型密閉電石爐裝置采用中控軟件技術(shù)有限公司提供的先進(jìn)控制軟件包APC-Suite。應(yīng)用以多變量預(yù)測(cè)控制、智能控制、軟測(cè)量等先進(jìn)控制技術(shù)構(gòu)建的電石爐裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)，將模型預(yù)測(cè)和反饋控制有機(jī)結(jié)合，有效解決了電石爐運(yùn)行過(guò)程中的多變量協(xié)調(diào)優(yōu)化過(guò)程控制問(wèn)題；通過(guò)提煉和優(yōu)選工藝操作經(jīng)驗(yàn)、建立特定工況的智能診斷與監(jiān)控控制器，達(dá)到統(tǒng)一操作方法，減少了人為干擾因素的影響，保證了生產(chǎn)操作的一致性，實(shí)現(xiàn)了電石爐的平穩(wěn)控制。同時(shí)，通過(guò)先進(jìn)控制器的“卡邊”優(yōu)化功能，可提高電石爐熱效率、優(yōu)化電石爐經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，最終獲取顯著的經(jīng)濟(jì)效益[9]。

中控軟件技術(shù)有限公司提供的先進(jìn)控制軟件包APC-Suite具體組件如下。

①APC-Adcon多變量預(yù)測(cè)控制軟件。APC-Adcon是APC-Suite的核心產(chǎn)品，包括建模、控制器設(shè)計(jì)、仿真、組態(tài)和在線應(yīng)用等多個(gè)組件。

②APC-Sensor軟測(cè)量軟件。APC-Sensor以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、工藝機(jī)理建模等技術(shù)方法為核心，集數(shù)據(jù)預(yù)處理、輔助變量選擇、離線建模與仿真、在線運(yùn)行等功能于一體，是生產(chǎn)操作和先進(jìn)控制的重要輔助軟件。

③APC-iSYS先進(jìn)控制平臺(tái)。APC-iSYS由核心實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用組件、組態(tài)組件等模塊組成，是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制、軟測(cè)量、工藝計(jì)算和過(guò)程模擬優(yōu)化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)。

④APC-Studio智能控制軟件。APC-Studio是采用模塊化組態(tài)方式進(jìn)行先進(jìn)控制方案設(shè)計(jì)的有效工具，可實(shí)現(xiàn)二次開(kāi)發(fā)，是對(duì)Adcon控制器功能的輔助和補(bǔ)充。

3.2 密閉電石爐裝置先進(jìn)控制策略

該企業(yè)大型密閉電石爐裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)主要包括自動(dòng)配料系統(tǒng)控制器、電極長(zhǎng)度軟測(cè)量模塊、電極自動(dòng)壓放系統(tǒng)控制器、自動(dòng)提升負(fù)荷控制器、電極及檔位升降控制器、凈化系統(tǒng)控制器。

3.2.1 配料系統(tǒng)控制器

APC投運(yùn)前，操作人員需時(shí)刻進(jìn)行配料操作，操作強(qiáng)度較大，長(zhǎng)時(shí)間操作容易疲勞，出現(xiàn)誤操作。

APC投運(yùn)后，系統(tǒng)能自動(dòng)分析料倉(cāng)吃料情況、刮板狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的故障診斷，保證生產(chǎn)安全。同時(shí)，APC時(shí)刻分析全部料倉(cāng)的實(shí)時(shí)吃料情況，自動(dòng)對(duì)全部料倉(cāng)進(jìn)行配料排序。排序完成后，APC根據(jù)輸入的配比及需打料料倉(cāng)的料位自動(dòng)計(jì)算配料量，然后控制配料系統(tǒng)進(jìn)行配料操作，并通過(guò)精給料實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配料。配料完成后，APC自動(dòng)進(jìn)行打料操作。若刮板出現(xiàn)故障，APC作出相應(yīng)緊急處理，尋找其余合適料倉(cāng)，保證整個(gè)配料系統(tǒng)在處理故障刮板時(shí)也能夠連續(xù)運(yùn)行。由于運(yùn)輸原料需要時(shí)間，APC在當(dāng)前批次配料均處于運(yùn)輸設(shè)備上時(shí)即進(jìn)行下一批料的配料操作，以提高整個(gè)配料系統(tǒng)的效率。

3.2.2 電極長(zhǎng)度軟測(cè)量模塊

原有生產(chǎn)過(guò)程中，電極長(zhǎng)度需要每次停爐后通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到。在送電生產(chǎn)過(guò)程中，操作人員只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)各項(xiàng)電氣參數(shù)的對(duì)應(yīng)表現(xiàn)，來(lái)判斷電極長(zhǎng)短及壓放周期[10]。電極長(zhǎng)度軟測(cè)量則可以綜合電石爐爐況數(shù)據(jù)，分析研究電石爐在不同爐況下的電極消耗速率。在此基礎(chǔ)上，采用偏最小二乘(partical least square,PLS)算法建立電極消耗軟測(cè)量模型，進(jìn)而計(jì)算得到電極長(zhǎng)度預(yù)測(cè)值和電極壓放周期，并采用電極長(zhǎng)度實(shí)測(cè)值對(duì)軟測(cè)量模型進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。

3.2.3 電極自動(dòng)壓放系統(tǒng)控制器

采用智能控制策略建立電極壓放系統(tǒng)控制器。此控制器根據(jù)電極長(zhǎng)度軟測(cè)量及電極壓放量等信息，并結(jié)合電極軟硬情況和生產(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn)，建立電極壓放間隔時(shí)間智能專家控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電極壓放間隔時(shí)間的自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證生產(chǎn)安全、爐況穩(wěn)定。

3.2.4 自動(dòng)提升負(fù)荷控制器

自動(dòng)提升負(fù)荷控制器包括18種不同的開(kāi)爐過(guò)程程序。每次電石爐送電后，操作人員根據(jù)電石爐停電時(shí)間的長(zhǎng)短，選擇相應(yīng)的負(fù)荷提升按鈕。APC自動(dòng)根據(jù)相應(yīng)規(guī)則提升負(fù)荷。由于負(fù)荷提升過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，有時(shí)需要數(shù)天才能完成，易存在由于操作人員班次輪換等各種原因?qū)е碌呢?fù)荷提升與工藝要求不一致。負(fù)荷提升完成后，APC自動(dòng)切換至正常生產(chǎn)模式繼續(xù)運(yùn)行，降低了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了自動(dòng)化水平和負(fù)荷提升過(guò)程的操作統(tǒng)一性。

3.2.5 電極及檔位升降控制器

電石爐三相電極升降控制的目的是通過(guò)調(diào)節(jié)三根電極插入爐內(nèi)的深度來(lái)平穩(wěn)控制各電極的電壓、電流、電阻，穩(wěn)定電極做功。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，APC根據(jù)當(dāng)前爐況自動(dòng)計(jì)算電流或電阻設(shè)定值；根據(jù)三相電極間的耦合關(guān)系，綜合各電極參數(shù)及電極長(zhǎng)度變化趨勢(shì)，實(shí)時(shí)計(jì)算并升降各相電極，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

APC還根據(jù)電石爐各電氣參數(shù)及爐況數(shù)據(jù)和生產(chǎn)負(fù)荷，對(duì)三相電極的檔位進(jìn)行自動(dòng)控制，保證電石爐在安全、穩(wěn)定的前提下達(dá)到最高負(fù)荷。

APC投運(yùn)前，操作人員需實(shí)時(shí)關(guān)注各個(gè)參數(shù)，人工升降電極，并同時(shí)完成生產(chǎn)記錄等各種工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，無(wú)法時(shí)刻對(duì)電極升降作出合理且及時(shí)的判斷。而電極升降控制器能夠有效克服干擾，可適應(yīng)一定程度的工況波動(dòng)和生產(chǎn)負(fù)荷變化，平穩(wěn)控制各電極的電流，從而穩(wěn)定爐況、提高爐內(nèi)反應(yīng)效果、降低能耗，同時(shí)也減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.2.6 凈化系統(tǒng)控制器

①粗凈氣風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制。

通過(guò)模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)，根據(jù)爐壓、過(guò)濾器出口壓力的變化，完成粗氣風(fēng)機(jī)和凈氣風(fēng)機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)正常爐況下的平穩(wěn)控制。發(fā)生塌料時(shí)，粗氣風(fēng)機(jī)和凈氣風(fēng)機(jī)的快速聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，可保證爐壓的快速回落及過(guò)濾器出口壓力負(fù)壓時(shí)間不過(guò)長(zhǎng)。風(fēng)機(jī)控制變量如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)控制器變量表

②過(guò)濾器入口溫度控制。

電石爐運(yùn)行期間，如凈化系統(tǒng)過(guò)濾器入口溫度過(guò)高時(shí)，APC將根據(jù)爐壓及溫度變化速率更改降檔速率，直到入口溫度回落至安全溫度、保證溫度處于安全范圍，APC開(kāi)始逐漸提升檔位，恢復(fù)生產(chǎn)負(fù)荷。

4 密閉電石爐裝置先進(jìn)控制應(yīng)用效果

電石爐電極升降及凈化系統(tǒng)自動(dòng)控制器投入運(yùn)行后，三相電極電流、電極電壓、電極功率、除塵器出口壓力、電石爐壓力等關(guān)鍵工藝參數(shù)的運(yùn)行平穩(wěn)性得到明顯改善。

電石爐各項(xiàng)參數(shù)的穩(wěn)定性得到較大提升：三相電極電流平均標(biāo)準(zhǔn)差下降70%以上，三相電極電阻平均標(biāo)準(zhǔn)差下降60%以上，三相電極功率平均標(biāo)準(zhǔn)差下降65%以上；過(guò)濾器出口壓力平均標(biāo)準(zhǔn)差降低40%以上；爐壓平均標(biāo)準(zhǔn)差降低40%以上；發(fā)氣量平均標(biāo)準(zhǔn)差下降20%以上；電極長(zhǎng)度軟測(cè)量平均誤差在100 mm以內(nèi)達(dá)到70%以上，平均誤差在150 mm以內(nèi)達(dá)到80%以上，平均誤差在200 mm以內(nèi)達(dá)到90%以上。

下面以電極電流、電石發(fā)氣量為例，說(shuō)明工藝參數(shù)波動(dòng)幅度的改善情況。

①電極電流。

APC投運(yùn)前后的電極電流數(shù)據(jù)趨勢(shì)如圖2所示。電極電流在APC投運(yùn)前，平均值為91.18 kA，標(biāo)準(zhǔn)差為9.62；在APC投運(yùn)后平均值為91.69 kA，標(biāo)準(zhǔn)差為2.06。由此可知，在APC投運(yùn)后，標(biāo)準(zhǔn)差降低了78.59%。

圖2 電極電流數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖

②電石爐日均發(fā)氣量。

APC投運(yùn)前后的電石爐日均發(fā)氣量數(shù)據(jù)趨勢(shì)如圖3所示。在APC投運(yùn)前，電石爐日均發(fā)氣量平穩(wěn)性平均值為281.91 L/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為14.02；在APC投運(yùn)后，平均值為288.35 L/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為7.5。由此可知，在APC投運(yùn)后，平均值增長(zhǎng)2.3%，標(biāo)準(zhǔn)差降低了78.59%。

圖3 日均發(fā)氣量數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

該企業(yè)大型密閉電石爐裝置應(yīng)用APC取得了顯著的效果。APC投運(yùn)后，電極電流、電壓、功率、過(guò)濾器出口壓力、電石爐壓力等工藝參數(shù)的運(yùn)行平穩(wěn)性得到明顯改善，三相電極各工藝參數(shù)趨向一致，相互間的偏差縮小，從而穩(wěn)定了電極做功和電石爐工況，在一定程度上保證了電石產(chǎn)品質(zhì)量，降低了電耗。同時(shí)，通過(guò)對(duì)凈氣風(fēng)機(jī)變頻的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)濾器出口壓力、電石爐壓力的平穩(wěn)控制，提高了裝置運(yùn)行安全性。

此外，先進(jìn)控制技術(shù)使得電石爐生產(chǎn)自動(dòng)化水平得到大幅度提高，減少了人工干預(yù)，提高了生產(chǎn)操作的一致性，降低了生產(chǎn)操作強(qiáng)度，帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。