钒成品生产盘干设备改进及其全自动温控系统

魏金辉

(承德钢铁集团有限公司自动化中心，河北 承德 067102)

盘干设备是钒成品生产过程中的一种干燥设备，也称为盘式干燥机。湿多钒酸铵由皮带等传输设备输送进盘干设备进行干燥，经过干燥的多钒酸铵粉剂送入回转窑进行氧化焙烧形成五氧化二钒或三氧化二钒成品，然后送入融化设备进行熔化制片。为节约能源并降低排放，将回转窑产生的约300～400℃的高温烟气，由高温引风机回引至盘干设备。

原工艺过程中，高温引风机设置在盘干设备后端，即将高温烟气从回转窑抽出，通过高温烟气管道经过盘干设备对湿多钒酸铵进行干燥后排空，在盘干设备入口处设置兑冷风管并安装手动阀门实现对高温烟气温度的调节。但是此工艺过程的温控效果不佳，管道温度和盘干设备入口温度过高，会造成管道和盘干设备入口损坏，手动阀门也无法实时调整兑冷温度。由于高温烟气来自回转窑，而回转窑的烟气温度又受产量和窑况的影响波动较大，盘干设备高温烟气管道的温度控制属于纯滞后、大惯性和多耦合对象，温度无法实现全自动控制，系统仅实现数据的采集功能，控制过程也是手动过程。而且操作员的经验水平参差不齐，生产过程中手动控制温度参数不稳定，对设备的安全稳定运行和对温度比较敏感的钒成品质量产生极大的影响，极易造成高温烟气管道焊缝处高温氧化、开裂和干燥设备损坏，以至于设备维修周期缩短，影响生产。生产中必须停产才能检修，且由于空间狭小使设备维护难度增大，维修成本提高。

因此，笔者要解决的技术问题是，设计盘干设备温度控制装置和方法，实现盘干设备温度的全自动控制，以降低煤气等能源消耗、延长高温烟气管道等设备的使用寿命，并减轻了工人的劳动强度。

1 盘干设备温度控制装置的组成①

将高温引风机由盘干设备后端移到盘干设备的前端，兑冷风管由从直接进入盘干设备改为由回转窑出口高温烟气管道接入，在高温烟气管道上安装高温烟气管道控制器件和温度检测元件；同时在兑冷风管上安装兑冷风管控制器件[1]，并构建温度控制模型，通过PLC或DCS系统硬件平台，完全实现盘干设备温度的自动控制[2]。

盘干设备温度控制装置由高温烟气管道、兑冷风管、高温引风机、温度检测元件、高温烟气管道控制器件和兑冷风管控制器件组成。高温烟气管道连接在回转窑高温烟气出口与高温引风机进口之间，在高温烟气管道上连接有兑冷风管，兑冷风管与高温烟气管道连接处安装兑冷风管控制器件，在高温烟气管道上安装有高温烟气管道控制器件和温度检测元件。温度检测元件、高温烟气管道控制器件、兑冷风管控制器件的信号输出与输入端分别与现场控制站相连，通过现场控制站CPU中的兑冷温度控制模型使兑冷风管控制器件和高温烟气管道控制器件有效配合，实现准确控制盘干设备入口温度的目的。

现场控制站由输入模块、输出模块、CPU和接口模块组成，现场控制站通过工业交换机与工程师站和操作员站相连；工程师站和操作员站由工控机和相应的网络接口卡组成。现场控制站、操作员站和工程师站组成了成型的PLC或DCS。温度检测元件为热电偶或热电阻，高温烟气管道控制器件、兑冷风管控制器件为调节阀和变频器。

盘干设备控制装置的组成如图1所示，盘干设备温度控制装置的工作流程如图2所示。

图1 盘干设备控制装置组成框图

图2 盘干设备温度控制装置工作流程

2 盘干设备温度控制步骤和模型

盘干设备温度控制的具体步骤设计如下：

a. 在回转窑中，对多钒酸铵进行氧化焙烧产生的高温烟气，由高温引风机抽取至盘干设备。

b. 通过安装在高温烟气管道上的温度检测元件，检测高温烟气管道内的烟气温度，将温度信号传送至现场控制站。

c. 通过现场控制站转换对应的高温烟气管道温度值，在CPU中对高温烟气管道温度值和操作员设定的高温烟气管道温度值或工艺要求温度值，通过兑冷温度控制模型计算并输出控制信号，控制兑冷风管控制器件调整兑冷程度，进而稳定控制高温烟气管道的温度值。高温烟气管道控制器件用于在发生以下情况时进行控制——物料极少又需要保证生产的连续性而调整高温烟气管道控制器件，使阀位相应变小；物料入料量大，为保证生产的连续性而调整高温烟气管道控制器件，使阀位相应变大；当发生故障或后续设备维护检修时，关闭高温烟气管道控制器件，同时关闭高温引风机，保证后续设备安全。

d. 通过现场控制站对高温烟气管道温度进行监控，并产生对应的温度信号和控制信号，传送至工程师站或操作员站。

e. 在工程师站或操作员站中显示接收到的高温烟气管道的温度及兑冷程度信号等技术参数值，存储相应的趋势值，对系统和设备状态进行集中监控；对各种超限情况发出报警信号，提醒操作员，并生成技术报表或生产日报。

f. 盘干设备温度控制方法。

g. 动态调整调节阀位与温控趋势值关系。

步骤f中，兑冷温度控制模型计算用到的温度检测值TE(N)，为连续采集N次处理后的数值。为防止干扰情况的发生，数据经过排序去掉极值，得到处理数据温度值TEP(m)，并实时保持多组连续处理的温度数据。则有：

tmx=N×tc

其中tmx为TEP(m)和TEP(m-1)数据采集处理所对应的时间差值。Tmx=N×tc,tc为程序运行时间间隔。∂#X为正值表示温度为升高趋势，数值为温升趋势值；反之为负值表示温度为降低趋势，数值为温降趋势值。

步骤g中动态调整调节阀位与温控趋势值关系的方法如下：

V#X=V+κ×f(p#X×|∂#X|)

P#X=TEP(m)-TSP

其中，κ为调整系数；p#X为温度设定值偏差；TSP为温度设定值；V为当前阀位值；V#X为后一时刻的阀位值。

定义ε为控制精度，是工艺允许的偏差。取0<ε≤20℃之间的任意值，则阀位增量ΔV的计算式为：

上式的具体解释为：

当温度设定值偏差|p#X|<ε时，ΔV=0，即V#X=V，即兑冷现场的兑冷风管控制器件停止动作，阀位不变；

当p#X>ε+1且∂#X为正值时，阀位增量ΔV，ΔV=κ×f(p#X×|∂#X|)，置ΔV=0%～10%，即兑冷现场的兑冷风管控制器件以每分钟增量为ΔV的值增加开度；

当p#X>ε+1且∂#X为负值时，阀位增量ΔV=0，V#X=V，即兑冷现场的兑冷风管控制器件暂停动作，阀位不变；

当p#X<-ε-1且∂#X为负值时，阀位增量-ΔV，其中-ΔV=-κ×f(p#X×|∂#X|)，-ΔV=- (0%～10%)，即兑冷现场的兑冷风管控制器件以每分钟增量为-ΔV的值减小开度；

当p#X<-ε-1且∂#X为正值时，阀位增量ΔV=0，V#X=V，即兑冷现场的兑冷风管控制器件暂停动作，阀位不变。

ε+1或-ε-1用于克服温度波动而产生的调节阀振荡；ε值与ΔV值成正比关系。

经过上述计算后得到的阀位输出值控制兑冷现场的兑冷风管控制器件，实现盘干设备温度自动控制功能，使温度控制在工艺允许的精度范围内。

3 盘干设备温度控制方法实例

3.1 实施例一

将高温烟气管道温度检测元件的数值控制在200℃，控制精度±5℃，兑冷温度控制模型的参数确定如下：

温度设定值TSP=200℃，控制精度ε=5℃，温度设定值偏差|p#X|=|TEP(m)-TSP|=|TEP(m)-200℃|<5℃时，兑冷现场的兑冷风管控制器件不需要调节。

当p#X=TEP(m)-200℃>6℃，即温度检测元件的处理后的数值大于206℃且∂#X为正值(温度曲线的斜率大于0，温度有上升的趋势)时，阀位增量置为2%，即兑冷现场的兑冷风管控制器件以每分钟增量为2%的值增加开度，直到温度检测元件的处理后的数值小于205℃时，兑冷现场的兑冷风管控制器件停止动作；当p#X=TEP(m)-200℃>6℃，且温度检测元件的处理后的数值大于206℃且∂#X为负值(温度曲线的斜率小于0，温度有下降的趋势)时，则兑冷现场的兑冷风管控制器件暂停动作，阀位不变。

当p#X=TEP(m)-200℃<-6℃，即温度检测元件的处理后的数值小于194℃且∂#X为负值(温度曲线的斜率小于0，温度有下降的趋势)时，阀位增量置为-2%，即兑冷现场的兑冷风管控制器件以每分钟增量为-2%的值减小开度，直到温度检测元件的处理后的数值大于195℃时，兑冷现场的兑冷风管控制器件停止动作。

当p#X=TEP(m)-200℃<-6℃，即温度检测元件的处理后的数值小于194℃且∂#X为正值(温度曲线的斜率大于0，温度有上升的趋势)时，兑冷现场的和兑冷风管控制器件暂停动作，阀位不变。

这样，很快就能将高温烟气管道温度检测元件的数值控制在200±5℃。

3.2 实施例二

将高温烟气管道温度检测元件的数值控制在150℃，控制精度±2℃，兑冷温度控制模型的参数确定如下：

温度设定值TSP=150℃，控制精度ε=2℃，温度设定值偏差|p#X|=|TEP(m)-TSP|=|TEP(m)-150℃|<2℃时，兑冷现场的兑冷风管控制器件不动作，即温度不需要调节。

当p#X=TEP(m)-150℃>3℃，即温度检测元件的处理后的数值大于153℃且∂#X为正值(温度曲线的斜率大于0，温度有上升的趋势)时，阀位增量置为1.5%，即兑冷现场的兑冷风管控制器件以每分钟增量为1.5%的值增加开度，直到温度检测元件的处理后的数值小于152℃时，兑冷现场的兑冷风管控制器件停止动作。

当p#X=TEP(m)-150℃>3℃，即温度检测元件的处理后的数值大于153℃且∂#X为负值(温度曲线的斜率小于0，温度有下降的趋势)时，兑冷现场的兑冷风管控制器件暂停动作，阀位不变。

当p#X=TEP(m)-150℃<-3℃，即温度检测元件的处理后的数值小于147℃，且∂#X为负值(温度曲线的斜率小于0，温度有下降的趋势)时，阀位增量置为-1.5%，即兑冷现场的兑冷风管控制器件以每分钟增量为-1.5%的值减小开度，直到温度检测元件的处理后的数值大于148℃时，兑冷现场的兑冷风管控制器件停止动作。

当p#X=TEP(m)-150℃<-3℃，即温度检测元件的处理后的数值小于147℃且∂#X为正值(温度曲线的斜率大于0，温度有上升的趋势)时，兑冷现场的兑冷风管控制器件暂停动作，阀位不变。

这样，就能很快地将高温烟气管道温度检测元件的数值控制在150±2℃。

4 结束语

笔者设计的钒成品生产盘干设备温度控制系统投入实际应用后，实现了盘干设备高温烟气管道兑冷温度的自动控制，减少了高温烟气管道的烧损和开裂，提高了产量和产品质量；同时也合理利用了回转窑的废气，节约了煤气等能源；还减少了岗位操作人员及其工作量。不但降低了生产成本，而且减少了对环境的污染，带来了可观的经济效益和社会效益。本方法可以应用于其他类似的温度控制系统中，具有很强的推广性。

[1] 金树成,魏金辉,姜海罡.一种盘干设备高温烟气管道兑冷温度控制装置[P].中国:ZL201220512081.X,2012-10-08.

[2] 金树成;魏金辉;姜海罡.一种盘干设备高温烟气管道兑冷温度控制装置及方法[P].中国:ZL201210377227.9,2012-10-08.