臥螺離心機先進控制系統(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－），如果不除去則會對脫硫設(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，離心機設(shè)備容易在運行中造“堵”，對設(shè)備運行及安全都非常不利。臥式螺旋離心機系統(tǒng)是白泥脫水工序核心設(shè)備，該離心機的參數(shù)主要有液壓扭矩、脫水機轉(zhuǎn)速、液壓站頻率及電流等，其中液壓扭矩是核心參數(shù)，通過觀察液壓扭矩的大小，可以有效的判定離心機運行的狀況。扭矩的過程優(yōu)化控制及聯(lián)鎖保護控制的實現(xiàn)，是保證離心機系統(tǒng)穩(wěn)定運行，提高過程自動化水平的關(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轉(zhuǎn)速達到1 500r／min，此參數(shù)受離心機變頻器控制，頻率控制在30～35Hz。原始白泥經(jīng)過液壓站控制輸送到脫水機，液壓站是白泥進入離心機的動力源，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)過白泥切斷閥（此閥屬于開關(guān)閥，時間行程大概5～8s），輸送到白泥調(diào)節(jié)閥（此閥可以自由調(diào)節(jié)開度0～100%，控制進離心機的實際流量大?。?，再進入離心機，泥水分離；泥再由液壓站轉(zhuǎn)鼓推出。液壓扭矩是離心機系統(tǒng)運行狀態(tài)的核心參數(shù)，當(dāng)扭矩過高時，說明白泥顆粒大或者凝固大，當(dāng)前液壓推力不足，白泥進入離心機后容易堵，需調(diào)整液壓站推力，或者減少白泥進料，甚至關(guān)閉切斷閥；當(dāng)扭矩過低時，需加大白泥進料。

根據(jù)最初的設(shè)計要求，控制系統(tǒng)實現(xiàn)了扭矩的開環(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)，開環(huán)；

離心機頻率控制在30～35Hz區(qū)間，屬定值控制，可調(diào)，開環(huán)；

白泥進料切斷閥點動開關(guān)，處于打開狀態(tài)；

白泥進料調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥門開度，0～100%可調(diào)，開環(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)需長時間達成穩(wěn)態(tài)，故采用先進控制對該系統(tǒng)進行閉環(huán)控制有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3 先進控制策略

此項目采用先進控制策略，核心是專家智能控制和多變量魯棒預(yù)測控制。預(yù)測控制算法三個特征：預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正。其采用的算法步驟大致是：在當(dāng)前時刻，采用過程動態(tài)模型來預(yù)測未來一定時域內(nèi)每個采樣點的過程輸出，并用當(dāng)前時刻的預(yù)測誤差修正模型的預(yù)報值；然后，基于輸出期望設(shè)定值與預(yù)測值的偏差按某個優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)計算出當(dāng)前及未來一定時域的控制量。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到其目標(biāo)值。每次計算后，僅輸出當(dāng)前控制量并施加給實際過程。至下一時刻，根據(jù)新的測量數(shù)據(jù)重新按上述步驟計算控制量。因此，此計算方式是一個不斷滾動的局部優(yōu)化過程。

4 先進控制模型設(shè)計

4.1 過程優(yōu)化控制

根據(jù)工藝控制的實際情況，操作人員需時刻留意扭矩的變化情況。當(dāng)扭矩接近上限值時或呈增長勢態(tài)時，需手動適當(dāng)?shù)恼{(diào)整（減?。┻M料流量，關(guān)小閥門；根據(jù)操作人員的操作習(xí)慣，把整個脫水工序考慮成一個整體，對該整體模型進行被控變量及操縱變量細(xì)化，實現(xiàn)其整體優(yōu)化控制，設(shè)計一個高度自動化集成的白泥進料扭矩流量頻率閉環(huán)控制系統(tǒng)。

設(shè)計思路：此控制系統(tǒng)主要控制對象是液壓扭矩，操縱對象是進料流量及液壓頻率，有效的控制進料流量及液壓頻率以達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（大于XH1），把白泥進料調(diào)節(jié)閥閥門開度控制引入閉環(huán)控制，當(dāng)扭矩超限時，適當(dāng)?shù)臏p小進料閥門開度來降低白泥流量，達到降低扭矩的效果；同時，當(dāng)扭矩上升超過XH1的時候，液壓站變頻器自動以X2HZ／S的速度加速（最大值50Hz），直至滿50Hz。加速過程中，當(dāng)扭矩恢復(fù)到X0以下時，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，記錄此刻閥門開度。該開度為后期扭矩回歸正常時，閥門自動緩慢打開上限保護開度；

圖1

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

3）當(dāng)液壓扭矩回歸正常，扭矩＜XH1時，液壓站頻率回到設(shè)定值，閥門延時1min（可設(shè)調(diào)整），以每秒0.2%（可設(shè)調(diào)整）的開度開閥，當(dāng)打開了3%（原開度基礎(chǔ)上＋3%）時，閥門延時1min（可調(diào)整），再以0.2%的開度開閥，如此循環(huán)，此循環(huán)的目的是避免短時間內(nèi)快速打開進料閥導(dǎo)致扭矩又突然上升，避免扭矩動蕩，開閥上限保護為步驟2中記錄的閥門開度。

4.2 聯(lián)鎖保護控制

扭矩出現(xiàn)超高高時，觸發(fā)聯(lián)鎖控制：

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

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

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

5 運行效果及分析總結(jié)

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

圖2 某臺離心機系統(tǒng)進料閥80min內(nèi)投優(yōu)化控制閥門調(diào)節(jié)曲線

圖2中前段閥門自動關(guān)小，關(guān)小到一定時，又上升呈恢復(fù)狀，說明關(guān)小到一半時，扭矩降低到正常范圍，閥門恢復(fù)打開，這時扭矩又超限，閥門繼續(xù)關(guān)小至保護值。扭矩恢復(fù)之后，閥門緩緩升到原記錄值（已記載）。圖中可見，1小時20分鐘內(nèi)閥門自動減小開度2次，說明該時間段內(nèi)，扭矩2次出現(xiàn)超限現(xiàn)象。

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

圖3 某臺離心機扭矩在同時刻80min內(nèi)投優(yōu)化狀態(tài)下曲線

表1 投優(yōu)化前后其扭矩數(shù)據(jù)及人工干預(yù)時間比較表

6 結(jié) 語

此先進控制系統(tǒng)在現(xiàn)場生產(chǎn)中已投用，適應(yīng)了生產(chǎn)的需要，實現(xiàn)了扭矩的有效控制，離心機系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定可靠，操作人員的工作強度大大降低，流程自動化水平得到大大提高。