基于分散控制系统的半水法湿法磷酸生产PID控制

兰 洲

（中化重庆涪陵化工有限公司，重庆 408000）

0 引言

半水法湿法磷酸的生产工艺具有流程短、投资低、生产的磷酸浓度高的优点，被较多磷化工企业所青睐。虽然半水法湿法磷酸工艺有许多优点，但生产过程反应温度高、精度控制难度大，如果过程控制不好，会给后续工序造成很大的问题。比如，半水石膏失酸失温后极容易生成石膏，堵塞管道，过滤时洗涤水用量增加，造成磷酸浓度下降，使其在提高磷酸浓度时，要消耗大量的蒸汽，增加电耗，使生产成本提高[1-12]。

1 半水法湿法磷酸工艺简介

1.1 半水法湿法磷酸

半水法湿法磷酸工艺是利用经过浓密沉降后的精磷矿浆进行过滤，进一步除去水分，通过输送皮带输送到溶解槽，利用返酸进行溶解，配比混酸输送预处理槽进行预处理后，再配比浓硫酸在加热的半水反应槽中进行半水反应，高效地萃取出磷酸。半水法湿法磷酸的目的是生产出高浓度磷酸，磷矿浆的过滤处理是为了减少水分，同样，利用返酸进行溶解和利用浓硫酸与磷矿浆反应，也是为了使整个料浆中的含水量减少，有利于半水反应。

在磷矿料浆与硫酸进行萃取反应的过程中，如果水分占比大，就会生成石膏或二水石膏，且得到的磷酸浓度不高。半水反应萃取磷酸的反应温度需控制在80～100℃。

1.2 工艺流程

半水法湿法磷酸工艺流程框图及流程如图1所示。

2 控制设计思路

如图1所示，将所有控制点的数据，其中包括槽中介质的液位、温度等都采集到分散控制系统（distributed control system, DCS），然后根据半水法湿法磷酸生产工艺特点和要求，利用DCS进行组态，建立逻辑控制关系。在运行过程中，DCS根据工艺参数设定值调节控制相应的电机变频器或管道阀门的开度，达到控制目的。

图1 半水法湿法磷酸工艺流程

主要的控制点有：

1）过滤后的磷矿计量（皮带秤计量），配比控制返酸量（由流量计MF6计量）加入溶解槽，溶解磷矿。

2）溶解后的磷矿计量（流量计MF1计量），配比控制混酸量（由流量计MF4计量）加入预处理槽。

3）预处理后的磷矿计量（流量计MF2计量），配比控制浓硫酸量（由流量计MF8计量）加入半水反应槽。

4）预处理槽、半水反应槽、熟化槽的温度控制，分别由其温度控制仪TIC2、TIC3、TIC4控制相应的蒸汽阀门VS-7、VS-8、VS-9的开度。

5）四个槽的液位控制，分别由液位控制仪LIC1、LIC2、LIC3、LIC4控制向该槽输送料泵的输入量，比如LIC1控制矿浆泵的输送量，皮带秤计量自然下降，那么配比的返酸也随之减少，溶解槽的液位下降，反之亦然；其后三个槽的液位控制原理相同，只需LIC2、LIC3、LIC4控制调节其前面流量计MF1、MF2、MF3，流量计再控制相应输入料浆泵的变频器，控制其流量输送即可。

6）反应完成后的料浆流量计MF5配比控制调节冲洗水的加入。冲洗水不能过量，会影响磷酸浓度，也不能太少，会使磷的回收不完全。

3 具体实施控制方式

如第2节所述，按其控制点逐一设计控制方式。

3.1 磷矿配比返酸量的控制

控制方式采用变频调速，变频器调速频率给定有手动和自动两种，皆引入DCS后台进行比例积分微分（proportional- integral-differential, PID）控制。手动控制是通过DCS切换到手动控制，通过手动输入来确定返酸泵变频器的给定频率；自动控制是当DCS切换到自动后，通过皮带计量秤所测得的实际磷矿量，来控制变频器的频率给定，实现PID控制。工艺正常运行时返酸泵均是进行自动控制，在调试试验运行过程中，一般采取手动控制。

将皮带计量秤的量秤信号转换成4～20mA的电流信号，传入DCS，经过与磷矿配比溶解换算后，作为返酸泵流量计MF6的给定值，再由流量去控制返酸泵变频器的运行频率，接入变频器的AI2和GND端，同时利用溶解槽的液位（由LIC1计量）作为目标值，进行PID控制。实际控制是以液位反馈控制皮带秤给料，再由皮带给料配比控制返酸泵，分别如图2、图3所示。

图2 溶解槽液位与磷矿给料控制

图3 磷矿与返酸量配比控制

以第2节中所述2）、3）控制点与5）控制点相结合，利用液位作为目标值进行PID调节控制，皆同1）控制原理一样，不同的只是配比值不同，如图3所示磷矿与返酸量的配比是1:2，此处不再赘述。

3.2 温度控制

预处理槽、半水反应槽、熟化槽的温度控制，采用环管蒸汽加热，使反应槽内温度达到80～100℃。分别由温度控制仪TIC2、TIC3、TIC4的温度反馈去控制相应的蒸汽阀门VS-7、VS-8、VS-9的开度，如图4所示。

图4 加热温度控制

3.3 熟化浆与冲洗过滤水的配比控制

用流量计MF5计量以熟浆泵输送的流量，配比冲洗水量加入，冲洗水的配比，可以通过工艺参数进行计算，即计算需要多少水量才能将熟化浆中的磷酸过滤并冲洗完，使磷的回收率达到所需值，水量由流量计MF7计量，如图5所示。

图5 熟化浆与冲洗水配比控制

4 PID液位控制及配比

经过第3节的控制方式后，仍需进一步的调节。因为PID的控制参数设置较复杂，尤其是其中的液位调节控制，还包含相应的其他物料的加入，即使控制参数设置完全相同的两个PID控制系统，其PID控制调节也有所不同。

4.1 PID液位调节控制

PID液位调节控制参数设置较复杂，需经多次调试修改才能最终确定，其中重要的调节参数有比例增益（KP）、积分时间（Ti）和微分时间（Td）。KP决定整个PID调节器的调节强度，KP越大，调节幅度越大。Ti决定PID调节器对PID反馈量与给定量的偏差进行积分调节的快慢，积分时间越短，调节反应的速度越快。Td决定PID调节器对PID反馈量与给定量的偏差的变化率进行调节的强度，微分时间越长，调节变化越大。

PID控制调节的主要目的是为了让控制更接近目标值，对于液位来说，就是保证槽内的液位稳定，上下波动不大，以使给定频率所控制的液位曲线更贴近目标液位曲线，即实时跟踪液位。利用给定频率实时调控，该值可以根据计算得出，也可以根据几次人为调节而确定一个稳定的值（一般是经过人为调节，理论值只能作为参考）。

在控制系统安装完成后，投用运行，出现了以下几种情况：

（1）变频器低速运行跳闸，却并未报低速运行超时故障。

（2）正常停机后，变频器在高频率下不能起动，DCS将给定频率降为低频后，才能起动。

（3）DCS PID控制不稳定，变频器增速、减速波动太大。

（4）PID液位自动控制变频器调速时，在低液位使变频器频率降低，当液位回升后，频率不能及时回升，致使浆池满槽溢出。

整定前的液位控制曲线如图6所示，PV是液位控制仪所测的实际值，SV是工艺要求的液位控制给定值，MV是PID控制的输出控制量，即向电机变频器给定的频率值。

图6 整定前的液位控制曲线

根据现场实际情况得知，第（1）种情况出现的原因是操工人员将变频器频率调得很低，虽然矿浆输送泵没有停止，但变频器频率降到一定值以下时，输送泵就会因高差压力而不能输出矿浆，导致输送泵因管道矿浆退回而反转，迫使变频器因反拉制动而跳闸；第（2）种情况中正常停机后，高频率下不能起动的原因是矿浆退回地槽浆池和泵内后，矿浆对泵有一定的堵塞作用，直接加快高速运转，会使变频器制动，不能起动，需要低频起动；综合（1）和（2）两种情况，可将变频器的低频率运行阈值从0Hz改为30Hz，即矿浆输送泵克服管道里的矿浆高差压力输送矿浆的最小频率值，此值可能通过泵的参数、电机参数、矿浆的浓度和管道的长度及高差来计算得出，这里的30Hz是一个根据几次人为调节而确定稳定的值，还要将变频器的加/减速时间改为10s（厂家默认值为3s）。这样，无论手动控制，还是自动控制，变频器始终最低运行频率都在30Hz，这样既能保证低频运行，矿浆不会顺着管道退回，也能保证低频率起动。

第（3）种情况主要是PID控制的问题，PID控制的积分调节是为了消除余差，即消除PV（实际控制值）和SV（目标值）之间的余差，余差越小越接近目标值，控制就越稳定越好，致使给定频率实时跟踪液位，该值可以根据计算得出，也可以根据几次人为调节而确定一个稳定的经验值。第（4）种情况也是PID控制的问题，其实也是与设备有关，比如输送泵的输送量和浆池的大小，矿浆输送泵输送过快容易使浆池溢出，输送得太慢则浆池液位下降得很快，不利于工艺生产，所以PID控制必须对比例参数进行调节，该值可以通过计算得出，也可以根据几次人为调节而确定一个稳定的经验值。可以通过传递函数的关系，计算出比例参数和积分参数的值，再根据实际运行，进行微量调节，使其满足。当对积分参数值输入1.00%后，可以清楚地看到效果明显改善；至于比例参数值，它代表液位计对变频器的给定频率的反应速率，将其调为30左右，其曲线是由下个平滑的波形，逐渐趋向直线，这样就保证了地槽浆池的液位在一个比较恒定的范围内，不会满槽溢出，也不会下降得过快不利于工艺生产。

整定后的控制曲线如图7所示，浆槽液位PV经过两个波峰之后衰减，逐渐向所期望的控制目标SV曲线靠近，即PV值跟踪SV值，最好的目标是PV与SV重合；而MV也由两个波峰之后逐渐变为一稳定值，即稳定的频率输出，其大小由浆池的进料流量所决定；只要进料有改变，测量值PV就会改变，MV也会改变，经过两三个波峰后，又会达到平稳。

4.2 配比控制

如第3节中所述，配比控制很简单，只需将数据采集到DCS，利用DCS组态，通过配比的工艺参数计算出相应物量的配比，可以很好地配置相应物量的输入，如图3所示磷矿与返酸量的配比是1:2。这时受液位控制的其中一个物料量随液位增加或减少，另一个配比的物料量也随之增加或减少。

图7 整定后的控制曲线

5 结论

通过本控制方案，不仅能使几个浆槽的液位控制平稳，波动小，有利于物料在槽中反应稳定，同时精确计量进行配比控制。同理，本文涉及的温度加热控制、冲洗水的控制都同样采取PID控制，控制好温度使萃取反应更有利于半水反应，同时精确控制冲洗水的加入，提高磷酸浓度，减少生产成本。PID控制在工业生产中运用越来越广泛，大大提高了生产效益和产品质量。