閉環控制在濕式球磨機控制中的應用

趙穎

摘 要：隨著我國對環保的重視，火力發電廠必須對煙氣進行除塵、脫硫處理達標才能排放。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生化學反應生成石膏的石灰石—石膏濕法脫硫技術被大規模推廣。石灰石的品質和漿液的密度對保證脫硫系統的脫硫率至關重要，而用來制備石灰石漿液的濕式球磨機，自然也就成了整個脫硫中重要的大型設備之一[1]。

關鍵詞：閉環控制 濕式球磨機控制 脫硫

中圖分類號：TM6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0123-02

1 系統概述

濕式球磨機系統磨出的漿液品質，除了與系統工藝設備有關外，閉環控制也非常重要，決定了整個系統的運行質量。對此，該文給出了兩種閉環控制方法。

圖1為系統的示意圖，系統的主要工藝設備有磨機、稱重給料機、磨機漿液箱、磨機漿液泵、旋流分離器。

1.1 閉環控制有關的設備

1.1.1 稱重給料機

從料倉來的石灰石由稱重給料機自動測量石灰石的重量，并將給料速率信號，發送到控制室用來監控給料速率和石灰石重量。

1.1.2 磨機給水調節閥門

磨機給水調節閥門安裝在磨機進料口，調節進入磨機的工業水流量，并在給水管路上設計流量計監控流量。在給料的同時按一定的比例加入工業水，防止堵料和磨機干磨。

1.1.3 磨機漿液箱

磨機漿液箱在磨機的出料端。經過磨機研磨成石灰石漿液進入磨機漿液箱，在漿液箱中再加入工業水由攪拌器攪拌。漿液箱上安裝液位計測量液位，正常工作時要把液位控制在約70%左右，以保證供給漿液泵和漿液的充分攪拌[2]。

1.1.4 磨機漿液箱給水調節閥門

進入磨機漿液箱的進水管道上設計調節閥門，以調節控制磨機漿液箱的液位和漿液箱內漿液的密度。

1.1.5 磨機漿液泵

磨機漿液泵按旋流分離器要求的壓力，把漿液從磨機漿液箱打入旋流分離器中。磨機漿液泵出口或旋流分離器上設計壓力變送器測量壓力。磨機漿液泵采用變頻調速控制來穩定壓力。

1.1.6 旋流分離器

旋流分離器，漿液由磨機漿液泵打入旋流分離器進行分離，成品漿液進入下一工藝流程，不合格的大顆粒漿液再回到磨機入口，再次研磨。旋流分離器進口裝有密度計測量漿液密度。旋流分離器要求進入其的漿液必須按旋流分離器規格規定的壓力和密度進入，才能保證旋流分離器旋分出的漿液是合格的。因此，在這個系統中，為了保證成品漿液的密度，就必須保證旋流分離器進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來控制整個系統，DCS和PLC內都有專門實現閉環控制的PID控制器（比例控制、積分控制、微分控制），工藝控制循環調節驅動裝置或執行機構[3]。例如控制閥的位置或者是稱重皮帶機的給料速率的調節。對于每一個循環最小存在一個相關的PID控制器。每個PID控制器有一個過程變量輸入反饋（如流量或壓力）、輸出和設置點，這些參數是工藝所需的過程變量值，控制器根據過程變量和設置點之間的誤差調節它的輸出信號，這些調節的大小速度和方向，由進入控制器的調節程度來決定。這些控制器有三種可能的模式：人工、自動、聯鎖。

2.1 人工模式

在人工模式狀態下，操作人員可以直接設置控制器的輸出信號。

2.2 自動模式

在自動模式狀態下，操作人員將輸入控制器的設置點，控制器然后將根據上述需要調節它的輸出信號，以使得控制變量等于它的設置點。

2.3 聯鎖模式

在聯鎖模式狀態下，第二個控制器的輸出信號，將作為控制器的設置點，控制器然后將根據上述需要調節它的輸出信號，以使得控制變量等于它的設置點。

聯鎖模式和自動模式的不同之處在于：在自動模式狀態下，設置點是由操作人員設置的固定點；在聯鎖模式狀態下，設置點不是固定點，它是由第二個控制器的輸出信號來設置，可以連續變化。

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行模式。

3 系統控制模式

有兩種自動模式：磨機漿液箱液位控制和給料率控制。在正常自動運行的條件下，在磨機系統啟動和停車的過程中最好使用磨機漿液箱液位控制；在磨機系統連續運行的情況下，使用給料速率控制，任何一種自動控制可以用于連續運行，可以選擇任何一種控制模式。

3.1 磨機漿液箱液位控制

3.1.1 密度控制

在這種模式下，通過增加或減少進入磨機漿液箱的工藝水的流量，并使用聯鎖控制循環保持漿液箱漿液密度等于設置點要求的密度，對進入旋流分離器的漿液進行測量，并將與它成比例的信號輸送到控制系統。在控制系統這個信號作為密度控制器的一個過程變量，密度控制器的輸出，然后作為一個工藝水流量控制器的設置點。當測量來自設置點的密度時，工藝水流量控制器增加或減少水的流量，流量的調節由工藝水管道中的控制閥來進行，通過這個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

當流入磨機漿液箱的工藝水發生變化時，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入磨機的石灰石給料速度來保持所需的磨機漿液箱液位設置點，這個過程由聯鎖控制循環進行控制。對漿液箱中的液位進行連續測量并將比例信號輸送到控制系統。這個信號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給料速率控制器的設置點。當漿液箱液位開始變化時，稱重給料機給料速率控制器增加或者減慢稱重給料機的皮帶速度，來改變石灰石的給料速度。通過調節稱重給料機皮帶速度來保持漿液箱液位設置點。

3.1.3 磨機給水控制

進入磨機的工藝水與石灰石的給料速率保持固定的比例，這個比例通過增加或減少進入磨機工藝水的流量保持所需的設置點，這個過程利用聯鎖控制循環進行控制。稱重給料機連續輸送石灰石給料速率信號到控制系統，這個信號作為比例控制器的一個過程變量。比例控制器的輸出作為工藝水流量控制器的設置點。當石灰石給料速率變化時，工藝水流量控制器通過調節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以保持工藝水和石灰石的比例。

3.1.4 旋流分離器進口壓力控制

旋流分離器給料泵提供變頻調速裝置，允許進行速度調節，安裝在旋流分離器上的壓力變送器，輸送一個壓力信號到控制系統，在任何一個給定的泵速度條件下，漿液密度變化時，這個壓力開始變化。旋流分離器需要一個固定的進口壓力來維持正常運行，這個固定的壓力通過壓力控制循環來維持。壓力信號作為壓力控制器的過程變量，控制器的輸出信號調節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置點。當旋流分離器的給料密度離開設置點時，所選擇的旋流分離器給料泵速度將發生變化，以維持固定的旋流分離器進口壓力。

3.2 給料速率控制

3.2.1 密度控制

這個模式使用聯鎖控制循環，通過增加或減少進入磨機石灰石的速率，維持磨機漿液箱漿液密度在所需的設置點。對漿液給料管中的漿夜密度進行測量，一個比例信號輸送到控制系統，這個信號作為密度控制器的過程信號，密度控制器的輸出然后作為稱重給料機給料速率控制器的設置點。當由于球磨機內鋼球的粒度分布、硬度和裝球量水平發生變化而導致石灰石性能的變化時，系統的石灰石循環負荷將發生變化。因此導致漿液密度的變化。當密度值離開設置點時稱重給料機給料速率控制器增加或減慢皮帶速度，以調節進入磨機的石灰石的給料速率，以維持磨機漿液箱漿液密度的設置點。

3.2.2 液位控制

磨機漿液箱液位通過增加或減少進入漿液箱的工藝水來保持磨機漿液箱液位控制點。對漿液箱內的液位進行連續測量，比例信號發送到控制系統。這個信號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漿液箱工藝水流量控制器的設置點。當漿液箱液位開始變化時，流量控制器通過調節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 磨機給水控制

進入磨機的工藝水與石灰石的給料速率保持一個固定的比例，這個比例將利用一個聯鎖控制循環，通過增加或減少進入磨機的工藝水流量，保持在所需的設置點。稱重給機連續輸送一個石灰石給料速率信號到控制系統。這個信號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置點。當石灰石給料速率變化時，工藝水流量控制器通過調節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置點。

3.2.4 旋流分離器進口壓力控制

旋流分離器壓力控制與磨機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運行。可是，每種控制模式有它的優點和缺點。當磨漿回路連續運行時，例如每天24 h，給料速率控制模式可使球磨機工作在最佳狀態，確保及旋流分離器進料固定的壓力和流量。當需要很多的啟動—停止循環時，磨機漿液箱液位控制使旋流分離器產品固體濃度達到穩定的最佳狀態。因此減少了石灰石漿液箱中稀釋固體的污染[4]。每種回路的優點和缺點如下。

4.1 磨機漿液箱液位控制

優點：（1）快速保持濃度的可能性；（2）如果石灰石硬度迅速變化（當時用多個地方的石灰石時），系統可在不過載荷過磨的情況下迅速做出反應。

缺點：（1）產品不是最佳；（2）需要較大的磨機漿液箱容量；（3）系統問題難以發現（磨損、裝球量變華）。

4.2 給料速率控制

優點：（1）漿液生產達到最佳狀態，通過最有效的使用給入固體達到所需的濃度設置點；（2）改善了工藝性能，系統問題較容易發現。

缺點：（1）問題的恢復時間將長，問題出現到修復時間大約需要1～3 min；（2）如果石灰石硬度迅速變化，生產過程不平穩；（3）系統在自動模式時啟動困難，在進入自動模式前，需要手工操作。

一般情況下，由于成本的原因，磨機漿液箱都較小，不能采用磨機漿液箱液位控制模式實現閉環控制，而使用給料速率控制。

參考文獻

[1] 李成益.幾種煙氣脫硫工藝及技術經濟分析[J].石油化工技術經濟，2006（6）：14-19.

[2] 韓琪，李忠華.石灰石/石膏濕法煙氣脫硫的化學過程研究[J].電力環境保護，2002（1）：1-3，21.

[3] 孔華.石灰石濕法煙氣脫硫技術的試驗和理論研究[D].杭州：浙江大學，2001.

[4] 胡滿銀，李立鋒，趙金表，等.濕式脫硫系統運行性能的數值模擬[J].河北電力技術，2005（3）：1-3.