制氧區(qū)域循環(huán)水液位控制方案的優(yōu)化與設(shè)計(jì)

夏挺

江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠 江西 貴溪 335424

引言

貴溪冶煉廠近幾年通過用水改造后主要的生產(chǎn)車間最少都有1-2套循環(huán)水處理系統(tǒng)。循環(huán)水處理系統(tǒng)通過對生產(chǎn)用水回收處理再利用，大大節(jié)約了水資源。制氧區(qū)域循環(huán)水系統(tǒng)主要由凈化水補(bǔ)水、回水、冷卻塔、溶解槽、循環(huán)水池、纖維球過濾器、出水泵、出水管等部分構(gòu)成。循環(huán)水池通過泵打出水，一部分去用戶，一部分經(jīng)過纖維球過濾器過濾后回到循環(huán)水池。少量的凈化水通過溶解池添加藥劑（殺菌劑、阻垢劑）通入循環(huán)水池。回水因溫度較高，需通過冷卻塔進(jìn)行風(fēng)冷后回到循環(huán)水池。循環(huán)水在使用過程中會有蒸發(fā)等損耗，因此需從外部補(bǔ)充凈化水。

在日常生產(chǎn)中，循環(huán)水系統(tǒng)因蒸發(fā)等原因會有損耗。因此需要根據(jù)情況進(jìn)行補(bǔ)水。補(bǔ)水控制依據(jù)是循環(huán)水液位。通過液位的設(shè)定，進(jìn)行PID控制，控制補(bǔ)水閥開度。當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值，閥門全關(guān)[1]。當(dāng)液位低于設(shè)定值，閥門給出一定開度，進(jìn)行補(bǔ)水。因此，液位指示準(zhǔn)確性尤為重要。如果指示比實(shí)際液位低，進(jìn)水閥不斷進(jìn)水，導(dǎo)致實(shí)際液位溢出。如果指示比實(shí)際液位高，進(jìn)水閥一直處于全關(guān)，導(dǎo)致無法進(jìn)水，最終循環(huán)水干涸，設(shè)備無法冷卻造成停產(chǎn)。

總結(jié)循環(huán)水液位的相關(guān)故障及液位控制方案，并對這些故障進(jìn)行分析，找出循環(huán)水液位控制故障的關(guān)鍵問題所在，逐步地減少或解決這些故障，是保障循環(huán)水液位控制準(zhǔn)確最直接、有效的辦法，也是下文的主要論述方向。

1 原有的液位控制方案

制氧區(qū)域循環(huán)水液位控制主要分兩部分。一部分是一臺液位指示，另一部分是一臺補(bǔ)水閥門。通過液位的設(shè)定，進(jìn)行PID控制，控制補(bǔ)水閥開度。當(dāng)液位計(jì)指示故障，補(bǔ)水閥門會根據(jù)虛假液位給出開度。工藝人員通常無法判斷液位真實(shí)性而采取相關(guān)措施。當(dāng)液位指示真實(shí)，而補(bǔ)水閥故障。工藝可關(guān)閉前后截止閥。并根據(jù)液位指示手動開關(guān)旁通管的手動閥進(jìn)行補(bǔ)水操作。因此可以看出，液位真實(shí)準(zhǔn)確才是液位控制的關(guān)鍵所在。

原有液位計(jì)為超聲波液位計(jì)。其工作原理為[2]：利用超聲波在氣體、液體或固體中的衰減、穿透能力和聲阻抗不同的性質(zhì)來測量兩種介質(zhì)的界面。它是由探頭發(fā)射超聲波并接受回波，變換器對回波信號進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換成4～20mA信號輸出。超聲波液位計(jì)存在一些缺點(diǎn)：聲波下面不宜有障礙物；有水霧、易產(chǎn)生大量泡沫性的介質(zhì)、易揮發(fā)性介質(zhì)的場合，容易吸收聲波或干擾聲波發(fā)射，使得信號丟失、精度下降。

通過對原有液位計(jì)故障的統(tǒng)計(jì)，主要有以下一些原因：①受大型電機(jī)（如泵）的干擾。②液位計(jì)探頭處有蜘蛛網(wǎng)，結(jié)垢等。③液位計(jì)探頭下方水面產(chǎn)生霧氣。④液位計(jì)探頭下方水面產(chǎn)生泡沫、漂浮物。⑤液位計(jì)開路。

通過超聲波液位計(jì)的缺點(diǎn)及故障統(tǒng)計(jì)不難看出，主要的故障原因很多都是因?yàn)槌暡ㄒ何挥?jì)自身工作特性導(dǎo)致的，無法避免。

2 液位指示優(yōu)化

實(shí)現(xiàn)循環(huán)水液位控制僅使用一臺超聲波液位計(jì)明顯無法做到穩(wěn)定可靠。使用“二選一”顯示要比單點(diǎn)顯示可靠的多。因此需再安裝一臺液位計(jì)實(shí)現(xiàn)冗余。

加裝的液位計(jì)需滿足以下條件：①安裝方便簡單。②測量精度高，穩(wěn)定可靠。③適用于循環(huán)水的液位測量。④不同于超聲波液位計(jì)工作原理，合理避開超聲波液位計(jì)工作特性的缺陷。

最終通過篩選，選擇使用投入式液位計(jì)。

投入式液位計(jì)的工作原理：投入式液位計(jì)基于所測液體靜壓與該液的液位高度成正比例的原理P=ρgh（其中P=壓力，ρ=介質(zhì)密度，g=重力加速度，h=測量點(diǎn)的深度），采用擴(kuò)散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應(yīng)，將靜壓轉(zhuǎn)換成電信號。

投入式液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)[3]：①穩(wěn)定性好，精度高，性價(jià)比高。②直接投入到被測介質(zhì)中，安裝使用方便。③無可動部件，可靠性高，使用壽命長。④不受被測介質(zhì)起泡、沉積、電氣性的影響。

通過兩類液位計(jì)的對比，投入式液位計(jì)滿足要求且可以彌補(bǔ)超聲波液位計(jì)的缺陷。兩液位計(jì)均在線顯示，且互為冗余。

3 控制方案的優(yōu)化

實(shí)際生產(chǎn)中，循環(huán)水液位控制只選用一臺液位計(jì)作為控制目標(biāo)。因此必須體現(xiàn)液位異常情況及提供切換控制功能。以便于工藝人員判斷及切換。

根據(jù)液位計(jì)主要故障：波動、假值、開路。如果作為控制目標(biāo)的那臺液位計(jì)出現(xiàn)這些故障，自動控制狀態(tài)下必然會導(dǎo)致補(bǔ)水閥處于一種非正常開、關(guān)的調(diào)節(jié)，或者不調(diào)節(jié)。長時(shí)間必然導(dǎo)致實(shí)際液位與該臺液位計(jì)指示偏差較大。咨詢工藝人員，認(rèn)為如果兩臺液位偏差超過0.5m以上就可以認(rèn)定液位指示不正常。通過更改控制程序，可以實(shí)現(xiàn)。具體如圖1：

圖1 循環(huán)水液位報(bào)警邏輯示意圖

如圖1所示：當(dāng)兩液位偏差絕對值大于0.5m時(shí)觸發(fā)循環(huán)水液位偏差報(bào)警；當(dāng)液位1開路或液位2開路或循環(huán)水液位偏差報(bào)警中的任意一條滿足，觸發(fā)循環(huán)水液位異常報(bào)警。與此同時(shí)，制作一個(gè) “液位切換”按鈕。當(dāng)循環(huán)水液位異常被觸發(fā)，在流程圖畫面彈出“液位異常”文字提醒和“液位切換”按鈕。

液位正常時(shí)顯示畫面如圖2：

如圖2所示，在正常顯示狀態(tài)下可以看到兩液位計(jì)的實(shí)時(shí)值，并且數(shù)值偏差很小。

液位故障狀態(tài)時(shí)顯示如圖3：

圖3 循環(huán)水液位故障顯示狀態(tài)

如圖3所示，當(dāng)液位計(jì)故障時(shí)觸發(fā)“循環(huán)水液位異常”報(bào)警，此時(shí)會在操作畫面彈出“液位異常”文字提醒及“液位切換”按鈕。可對液位計(jì)選擇進(jìn)行切換。

至此，循環(huán)水液位控制方案的優(yōu)化與設(shè)計(jì)已全部完成。

4 結(jié)束語

優(yōu)化控制方案的目的是為了更好地服務(wù)生產(chǎn)，彌補(bǔ)存在的漏洞。首要條件就是要查找出漏洞的關(guān)鍵所在。在不影響工藝流程及正常生產(chǎn)的前提下尋找出有效、嚴(yán)密的方案。本方案自2019年2月在動力車間制氧區(qū)域各循環(huán)水實(shí)施以來至今，所轄區(qū)域的循環(huán)水液位未出現(xiàn)過液位控制失控的情況。此方案對其他的重要液位點(diǎn)的控制也可以起到借鑒、推廣作用。