卧螺离心机先进控制系统的应用

孙水平，李伟夫

（广东南方碱业股份有限公司，广东 广州 510760）

1 工艺情况

氨碱法制碱过程所产生的碱渣（俗称白泥）的处理一直困扰业界，广东南方碱业股份有限公司发明了将白泥应用于锅炉烟气脱硫技术并获得国家专利（专利：201010572644.X）。碱渣白泥中含有大量的氯根（Cl－），如果不除去则会对脱硫设备产生严重腐蚀，因此，氯根（Cl－）含量是白泥能否大规模应用于火电厂锅炉烟气脱硫，实现白泥100%综合利用的关键。

在低氯白泥工艺流程中，由于流体介质（白泥）的特殊性，白泥颗粒大小的不均匀及凝聚度的不一，离心机设备容易在运行中造“堵”，对设备运行及安全都非常不利。卧式螺旋离心机系统是白泥脱水工序核心设备，该离心机的参数主要有液压扭矩、脱水机转速、液压站频率及电流等，其中液压扭矩是核心参数，通过观察液压扭矩的大小，可以有效的判定离心机运行的状况。扭矩的过程优化控制及联锁保护控制的实现，是保证离心机系统稳定运行，提高过程自动化水平的关键。

2 常规控制

通常的工作状态下，卧式螺旋沉降离心机转速达到1 500r／min，此参数受离心机变频器控制，频率控制在30～35Hz。原始白泥经过液压站控制输送到脱水机，液压站是白泥进入离心机的动力源，液压站由液压站变频器控制，频率控制在18～26Hz。原始白泥经过白泥切断阀（此阀属于开关阀，时间行程大概5～8s），输送到白泥调节阀（此阀可以自由调节开度0～100%，控制进离心机的实际流量大小），再进入离心机，泥水分离；泥再由液压站转鼓推出。液压扭矩是离心机系统运行状态的核心参数，当扭矩过高时，说明白泥颗粒大或者凝固大，当前液压推力不足，白泥进入离心机后容易堵，需调整液压站推力，或者减少白泥进料，甚至关闭切断阀；当扭矩过低时，需加大白泥进料。

根据最初的设计要求，控制系统实现了扭矩的开环控制，正常情况下：

液压站频率控制在18～26Hz区间，属定值控制，可调，开环；

离心机频率控制在30～35Hz区间，属定值控制，可调，开环；

白泥进料切断阀点动开关，处于打开状态；

白泥进料调节阀调节阀门开度，0～100%可调，开环；

液压扭矩控制在50～80Nm区间。

常规控制模式下，系统的调节存在很多人为因素及环境变化因素干扰，调节人员需时刻留意系统扭矩、流量、频率等参数的变化，调节操作频繁，系统需长时间达成稳态，故采用先进控制对该系统进行闭环控制有利于系统的稳定。

3 先进控制策略

此项目采用先进控制策略，核心是专家智能控制和多变量鲁棒预测控制。预测控制算法三个特征：预测模型、滚动优化和反馈校正。其采用的算法步骤大致是：在当前时刻，采用过程动态模型来预测未来一定时域内每个采样点的过程输出，并用当前时刻的预测误差修正模型的预报值；然后，基于输出期望设定值与预测值的偏差按某个优化目标函数计算出当前及未来一定时域的控制量。为了柔化控制量和防止超调，需设定值按某种参考轨迹达到其目标值。每次计算后，仅输出当前控制量并施加给实际过程。至下一时刻，根据新的测量数据重新按上述步骤计算控制量。因此，此计算方式是一个不断滚动的局部优化过程。

4 先进控制模型设计

4.1 过程优化控制

根据工艺控制的实际情况，操作人员需时刻留意扭矩的变化情况。当扭矩接近上限值时或呈增长势态时，需手动适当的调整（减小）进料流量，关小阀门；根据操作人员的操作习惯，把整个脱水工序考虑成一个整体，对该整体模型进行被控变量及操纵变量细化，实现其整体优化控制，设计一个高度自动化集成的白泥进料扭矩流量频率闭环控制系统。

设计思路：此控制系统主要控制对象是液压扭矩，操纵对象是进料流量及液压频率，有效的控制进料流量及液压频率以达到有效控制液压扭矩的目的，形成扭矩——流量、频率闭环控制。

控制逻辑：当扭矩超高时（大于XH1），把白泥进料调节阀阀门开度控制引入闭环控制，当扭矩超限时，适当的减小进料阀门开度来降低白泥流量，达到降低扭矩的效果；同时，当扭矩上升超过XH1的时候，液压站变频器自动以X2HZ／S的速度加速（最大值50Hz），直至满50Hz。加速过程中，当扭矩恢复到X0以下时，液压站变频选择设定值输出。

详细算法流程图：程序算法：

1）在优化控制模式下，当液压扭矩＞XH1时，记录此刻阀门开度。该开度为后期扭矩回归正常时，阀门自动缓慢打开上限保护开度；

图1

2）液压扭矩＞XH1时，阀门以每秒0.2%（可设调整）的开度关阀，与此同时，液压站以每秒0.5 Hz的速度加大频率输出；关阀下限保护为20%，避免扭矩偶尔过大，可有效控制回归正常的时候，把进料阀关死，导致没有流量空转；

3）当液压扭矩回归正常，扭矩＜XH1时，液压站频率回到设定值，阀门延时1min（可设调整），以每秒0.2%（可设调整）的开度开阀，当打开了3%（原开度基础上＋3%）时，阀门延时1min（可调整），再以0.2%的开度开阀，如此循环，此循环的目的是避免短时间内快速打开进料阀导致扭矩又突然上升，避免扭矩动荡，开阀上限保护为步骤2中记录的阀门开度。

4.2 联锁保护控制

扭矩出现超高高时，触发联锁控制：

1）扭矩超过XH2时，液压站选择设定值输出，定时5S关闭加药泵和进料切断阀。输出报警。

2）扭矩超过XH3时，系统降速。输出报警。降速过程中，当扭矩小于X0不再降速，升回到设定值，若一直超过XH3时，降速到0。系统停车。

液压扭矩的联锁控制一定程度上保证了离心机系统的可靠性、安全性，系统运行可以得到有效控制。

5 运行效果及分析总结

液压扭矩在扭矩——流量、频率闭环控制和联锁控制的双重保护下，得到有效的控制，如图2、图3。

图2 某台离心机系统进料阀80min内投优化控制阀门调节曲线

图2中前段阀门自动关小，关小到一定时，又上升呈恢复状，说明关小到一半时，扭矩降低到正常范围，阀门恢复打开，这时扭矩又超限，阀门继续关小至保护值。扭矩恢复之后，阀门缓缓升到原记录值（已记载）。图中可见，1小时20分钟内阀门自动减小开度2次，说明该时间段内，扭矩2次出现超限现象。

图3中1小时20分钟时间内，扭矩2次从高拉到低位，符合调节阀动作曲线。

图3 某台离心机扭矩在同时刻80min内投优化状态下曲线

表1 投优化前后其扭矩数据及人工干预时间比较表

6 结 语

此先进控制系统在现场生产中已投用，适应了生产的需要，实现了扭矩的有效控制，离心机系统更加安全稳定可靠，操作人员的工作强度大大降低，流程自动化水平得到大大提高。