閉環(huán)控制在濕式球磨機(jī)控制中的應(yīng)用

趙穎

摘 要：隨著我國(guó)對(duì)環(huán)保的重視，火力發(fā)電廠必須對(duì)煙氣進(jìn)行除塵、脫硫處理達(dá)標(biāo)才能排放。其中利用石灰石漿液與煙氣中的二氧化硫，在吸收塔中通以空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成石膏的石灰石—石膏濕法脫硫技術(shù)被大規(guī)模推廣。石灰石的品質(zhì)和漿液的密度對(duì)保證脫硫系統(tǒng)的脫硫率至關(guān)重要，而用來制備石灰石漿液的濕式球磨機(jī)，自然也就成了整個(gè)脫硫中重要的大型設(shè)備之一[1]。

關(guān)鍵詞：閉環(huán)控制 濕式球磨機(jī)控制 脫硫

中圖分類號(hào)：TM6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0123-02

1 系統(tǒng)概述

濕式球磨機(jī)系統(tǒng)磨出的漿液品質(zhì)，除了與系統(tǒng)工藝設(shè)備有關(guān)外，閉環(huán)控制也非常重要，決定了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。對(duì)此，該文給出了兩種閉環(huán)控制方法。

圖1為系統(tǒng)的示意圖，系統(tǒng)的主要工藝設(shè)備有磨機(jī)、稱重給料機(jī)、磨機(jī)漿液箱、磨機(jī)漿液泵、旋流分離器。

1.1 閉環(huán)控制有關(guān)的設(shè)備

1.1.1 稱重給料機(jī)

從料倉(cāng)來的石灰石由稱重給料機(jī)自動(dòng)測(cè)量石灰石的重量，并將給料速率信號(hào)，發(fā)送到控制室用來監(jiān)控給料速率和石灰石重量。

1.1.2 磨機(jī)給水調(diào)節(jié)閥門

磨機(jī)給水調(diào)節(jié)閥門安裝在磨機(jī)進(jìn)料口，調(diào)節(jié)進(jìn)入磨機(jī)的工業(yè)水流量，并在給水管路上設(shè)計(jì)流量計(jì)監(jiān)控流量。在給料的同時(shí)按一定的比例加入工業(yè)水，防止堵料和磨機(jī)干磨。

1.1.3 磨機(jī)漿液箱

磨機(jī)漿液箱在磨機(jī)的出料端。經(jīng)過磨機(jī)研磨成石灰石漿液進(jìn)入磨機(jī)漿液箱，在漿液箱中再加入工業(yè)水由攪拌器攪拌。漿液箱上安裝液位計(jì)測(cè)量液位，正常工作時(shí)要把液位控制在約70%左右，以保證供給漿液泵和漿液的充分?jǐn)嚢鑋2]。

1.1.4 磨機(jī)漿液箱給水調(diào)節(jié)閥門

進(jìn)入磨機(jī)漿液箱的進(jìn)水管道上設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥門，以調(diào)節(jié)控制磨機(jī)漿液箱的液位和漿液箱內(nèi)漿液的密度。

1.1.5 磨機(jī)漿液泵

磨機(jī)漿液泵按旋流分離器要求的壓力，把漿液從磨機(jī)漿液箱打入旋流分離器中。磨機(jī)漿液泵出口或旋流分離器上設(shè)計(jì)壓力變送器測(cè)量壓力。磨機(jī)漿液泵采用變頻調(diào)速控制來穩(wěn)定壓力。

1.1.6 旋流分離器

旋流分離器，漿液由磨機(jī)漿液泵打入旋流分離器進(jìn)行分離，成品漿液進(jìn)入下一工藝流程，不合格的大顆粒漿液再回到磨機(jī)入口，再次研磨。旋流分離器進(jìn)口裝有密度計(jì)測(cè)量漿液密度。旋流分離器要求進(jìn)入其的漿液必須按旋流分離器規(guī)格規(guī)定的壓力和密度進(jìn)入，才能保證旋流分離器旋分出的漿液是合格的。因此，在這個(gè)系統(tǒng)中，為了保證成品漿液的密度，就必須保證旋流分離器進(jìn)口漿液的壓力和密度恒定在旋流分離器的要求值。

2 控制器模式

無論是用DCS還是用PLC來控制整個(gè)系統(tǒng)，DCS和PLC內(nèi)都有專門實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的PID控制器（比例控制、積分控制、微分控制），工藝控制循環(huán)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置或執(zhí)行機(jī)構(gòu)[3]。例如控制閥的位置或者是稱重皮帶機(jī)的給料速率的調(diào)節(jié)。對(duì)于每一個(gè)循環(huán)最小存在一個(gè)相關(guān)的PID控制器。每個(gè)PID控制器有一個(gè)過程變量輸入反饋（如流量或壓力）、輸出和設(shè)置點(diǎn)，這些參數(shù)是工藝所需的過程變量值，控制器根據(jù)過程變量和設(shè)置點(diǎn)之間的誤差調(diào)節(jié)它的輸出信號(hào)，這些調(diào)節(jié)的大小速度和方向，由進(jìn)入控制器的調(diào)節(jié)程度來決定。這些控制器有三種可能的模式：人工、自動(dòng)、聯(lián)鎖。

2.1 人工模式

在人工模式狀態(tài)下，操作人員可以直接設(shè)置控制器的輸出信號(hào)。

2.2 自動(dòng)模式

在自動(dòng)模式狀態(tài)下，操作人員將輸入控制器的設(shè)置點(diǎn)，控制器然后將根據(jù)上述需要調(diào)節(jié)它的輸出信號(hào)，以使得控制變量等于它的設(shè)置點(diǎn)。

2.3 聯(lián)鎖模式

在聯(lián)鎖模式狀態(tài)下，第二個(gè)控制器的輸出信號(hào)，將作為控制器的設(shè)置點(diǎn)，控制器然后將根據(jù)上述需要調(diào)節(jié)它的輸出信號(hào)，以使得控制變量等于它的設(shè)置點(diǎn)。

聯(lián)鎖模式和自動(dòng)模式的不同之處在于：在自動(dòng)模式狀態(tài)下，設(shè)置點(diǎn)是由操作人員設(shè)置的固定點(diǎn)；在聯(lián)鎖模式狀態(tài)下，設(shè)置點(diǎn)不是固定點(diǎn)，它是由第二個(gè)控制器的輸出信號(hào)來設(shè)置，可以連續(xù)變化。

2.4 所使用的控制器和控制模式

下面列出了該工藝過程所使用的控制器以及在運(yùn)行過程中使用的控制模式，列在前面的每種模式作為正常的運(yùn)行模式。

3 系統(tǒng)控制模式

有兩種自動(dòng)模式：磨機(jī)漿液箱液位控制和給料率控制。在正常自動(dòng)運(yùn)行的條件下，在磨機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)和停車的過程中最好使用磨機(jī)漿液箱液位控制；在磨機(jī)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的情況下，使用給料速率控制，任何一種自動(dòng)控制可以用于連續(xù)運(yùn)行，可以選擇任何一種控制模式。

3.1 磨機(jī)漿液箱液位控制

3.1.1 密度控制

在這種模式下，通過增加或減少進(jìn)入磨機(jī)漿液箱的工藝水的流量，并使用聯(lián)鎖控制循環(huán)保持漿液箱漿液密度等于設(shè)置點(diǎn)要求的密度，對(duì)進(jìn)入旋流分離器的漿液進(jìn)行測(cè)量，并將與它成比例的信號(hào)輸送到控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)這個(gè)信號(hào)作為密度控制器的一個(gè)過程變量，密度控制器的輸出，然后作為一個(gè)工藝水流量控制器的設(shè)置點(diǎn)。當(dāng)測(cè)量來自設(shè)置點(diǎn)的密度時(shí)，工藝水流量控制器增加或減少水的流量，流量的調(diào)節(jié)由工藝水管道中的控制閥來進(jìn)行，通過這個(gè)控制閥將水加到漿液箱中以保持漿液箱漿液的密度。

3.1.2 液位控制

當(dāng)流入磨機(jī)漿液箱的工藝水發(fā)生變化時(shí)，為了保持所需要的密度，漿液箱液位開始變化，漿液箱液位通常由增加或減少進(jìn)入磨機(jī)的石灰石給料速度來保持所需的磨機(jī)漿液箱液位設(shè)置點(diǎn)，這個(gè)過程由聯(lián)鎖控制循環(huán)進(jìn)行控制。對(duì)漿液箱中的液位進(jìn)行連續(xù)測(cè)量并將比例信號(hào)輸送到控制系統(tǒng)。這個(gè)信號(hào)是作為漿液箱液位控制器的過程變量，漿液箱液位控制器的輸出然后作為稱重給料機(jī)給料速率控制器的設(shè)置點(diǎn)。當(dāng)漿液箱液位開始變化時(shí)，稱重給料機(jī)給料速率控制器增加或者減慢稱重給料機(jī)的皮帶速度，來改變石灰石的給料速度。通過調(diào)節(jié)稱重給料機(jī)皮帶速度來保持漿液箱液位設(shè)置點(diǎn)。

3.1.3 磨機(jī)給水控制

進(jìn)入磨機(jī)的工藝水與石灰石的給料速率保持固定的比例，這個(gè)比例通過增加或減少進(jìn)入磨機(jī)工藝水的流量保持所需的設(shè)置點(diǎn)，這個(gè)過程利用聯(lián)鎖控制循環(huán)進(jìn)行控制。稱重給料機(jī)連續(xù)輸送石灰石給料速率信號(hào)到控制系統(tǒng)，這個(gè)信號(hào)作為比例控制器的一個(gè)過程變量。比例控制器的輸出作為工藝水流量控制器的設(shè)置點(diǎn)。當(dāng)石灰石給料速率變化時(shí)，工藝水流量控制器通過調(diào)節(jié)工藝水管線中的控制值增加或減少流量。工藝水管道將水加入到磨機(jī)以保持工藝水和石灰石的比例。

3.1.4 旋流分離器進(jìn)口壓力控制

旋流分離器給料泵提供變頻調(diào)速裝置，允許進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，安裝在旋流分離器上的壓力變送器，輸送一個(gè)壓力信號(hào)到控制系統(tǒng)，在任何一個(gè)給定的泵速度條件下，漿液密度變化時(shí)，這個(gè)壓力開始變化。旋流分離器需要一個(gè)固定的進(jìn)口壓力來維持正常運(yùn)行，這個(gè)固定的壓力通過壓力控制循環(huán)來維持。壓力信號(hào)作為壓力控制器的過程變量，控制器的輸出信號(hào)調(diào)節(jié)選擇的旋流分離器給料泵的給料速度，來維持所需的漿液給料壓力設(shè)置點(diǎn)。當(dāng)旋流分離器的給料密度離開設(shè)置點(diǎn)時(shí)，所選擇的旋流分離器給料泵速度將發(fā)生變化，以維持固定的旋流分離器進(jìn)口壓力。

3.2 給料速率控制

3.2.1 密度控制

這個(gè)模式使用聯(lián)鎖控制循環(huán)，通過增加或減少進(jìn)入磨機(jī)石灰石的速率，維持磨機(jī)漿液箱漿液密度在所需的設(shè)置點(diǎn)。對(duì)漿液給料管中的漿夜密度進(jìn)行測(cè)量，一個(gè)比例信號(hào)輸送到控制系統(tǒng)，這個(gè)信號(hào)作為密度控制器的過程信號(hào)，密度控制器的輸出然后作為稱重給料機(jī)給料速率控制器的設(shè)置點(diǎn)。當(dāng)由于球磨機(jī)內(nèi)鋼球的粒度分布、硬度和裝球量水平發(fā)生變化而導(dǎo)致石灰石性能的變化時(shí)，系統(tǒng)的石灰石循環(huán)負(fù)荷將發(fā)生變化。因此導(dǎo)致漿液密度的變化。當(dāng)密度值離開設(shè)置點(diǎn)時(shí)稱重給料機(jī)給料速率控制器增加或減慢皮帶速度，以調(diào)節(jié)進(jìn)入磨機(jī)的石灰石的給料速率，以維持磨機(jī)漿液箱漿液密度的設(shè)置點(diǎn)。

3.2.2 液位控制

磨機(jī)漿液箱液位通過增加或減少進(jìn)入漿液箱的工藝水來保持磨機(jī)漿液箱液位控制點(diǎn)。對(duì)漿液箱內(nèi)的液位進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，比例信號(hào)發(fā)送到控制系統(tǒng)。這個(gè)信號(hào)作為漿液箱液位控制器的過程變量。漿液箱液位控制器的輸出作為磨機(jī)漿液箱工藝水流量控制器的設(shè)置點(diǎn)。當(dāng)漿液箱液位開始變化時(shí)，流量控制器通過調(diào)節(jié)工藝水管道中的控制閥增加或減少流速來控制液位。

3.2.3 磨機(jī)給水控制

進(jìn)入磨機(jī)的工藝水與石灰石的給料速率保持一個(gè)固定的比例，這個(gè)比例將利用一個(gè)聯(lián)鎖控制循環(huán)，通過增加或減少進(jìn)入磨機(jī)的工藝水流量，保持在所需的設(shè)置點(diǎn)。稱重給機(jī)連續(xù)輸送一個(gè)石灰石給料速率信號(hào)到控制系統(tǒng)。這個(gè)信號(hào)作為比例控制器的過程變量。比例控制器的輸出作為工藝水流量控制器的設(shè)置點(diǎn)。當(dāng)石灰石給料速率變化時(shí)，工藝水流量控制器通過調(diào)節(jié)工藝水管道中的控制值增加或減少流速，以保持工藝水石灰石比例設(shè)置點(diǎn)。

3.2.4 旋流分離器進(jìn)口壓力控制

旋流分離器壓力控制與磨機(jī)漿液箱液位控制模式一樣。

4 控制模式比較

以上討論的兩種控制模式可用于連續(xù)運(yùn)行。可是，每種控制模式有它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。當(dāng)磨漿回路連續(xù)運(yùn)行時(shí)，例如每天24 h，給料速率控制模式可使球磨機(jī)工作在最佳狀態(tài)，確保及旋流分離器進(jìn)料固定的壓力和流量。當(dāng)需要很多的啟動(dòng)—停止循環(huán)時(shí)，磨機(jī)漿液箱液位控制使旋流分離器產(chǎn)品固體濃度達(dá)到穩(wěn)定的最佳狀態(tài)。因此減少了石灰石漿液箱中稀釋固體的污染[4]。每種回路的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)如下。

4.1 磨機(jī)漿液箱液位控制

優(yōu)點(diǎn)：（1）快速保持濃度的可能性；（2）如果石灰石硬度迅速變化（當(dāng)時(shí)用多個(gè)地方的石灰石時(shí)），系統(tǒng)可在不過載荷過磨的情況下迅速做出反應(yīng)。

缺點(diǎn)：（1）產(chǎn)品不是最佳；（2）需要較大的磨機(jī)漿液箱容量；（3）系統(tǒng)問題難以發(fā)現(xiàn)（磨損、裝球量變?nèi)A）。

4.2 給料速率控制

優(yōu)點(diǎn)：（1）漿液生產(chǎn)達(dá)到最佳狀態(tài)，通過最有效的使用給入固體達(dá)到所需的濃度設(shè)置點(diǎn)；（2）改善了工藝性能，系統(tǒng)問題較容易發(fā)現(xiàn)。

缺點(diǎn)：（1）問題的恢復(fù)時(shí)間將長(zhǎng)，問題出現(xiàn)到修復(fù)時(shí)間大約需要1～3 min；（2）如果石灰石硬度迅速變化，生產(chǎn)過程不平穩(wěn)；（3）系統(tǒng)在自動(dòng)模式時(shí)啟動(dòng)困難，在進(jìn)入自動(dòng)模式前，需要手工操作。

一般情況下，由于成本的原因，磨機(jī)漿液箱都較小，不能采用磨機(jī)漿液箱液位控制模式實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，而使用給料速率控制。

參考文獻(xiàn)

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