貴溪冶煉廠臥式反應(yīng)釜自動控制方法的研究

華瑩珂

（江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

2007 年，貴溪冶煉廠為了適應(yīng)工廠的發(fā)展，解決銅冶煉行業(yè)物料無害化處理的難題，回收銅、錸、鉍等多種有價元素，實現(xiàn)集團公司節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟的戰(zhàn)略目標，進行了為期1 年的加壓浸出工業(yè)化試驗，并于2008 年一次性投料生產(chǎn)成功，項目的投產(chǎn)成功標志著我國砷物料處理技術(shù)由國外引進轉(zhuǎn)變?yōu)閲鴥?nèi)自主研發(fā)的質(zhì)的飛躍［1］。目前，貴冶含砷物料處理工藝的核心是加壓浸出工藝［2］，共有5 臺立式反應(yīng)釜用于周期性加壓浸出；2019年底，硫酸車間為進一步優(yōu)化工藝過程，提高生產(chǎn)效率，利舊新材料車間臥式反應(yīng)釜用于連續(xù)性加壓浸出工業(yè)試驗，這也是貴溪冶煉廠首次在砷物料處理工藝中使用臥式反應(yīng)釜。

2 自控裝備簡介

2.1 立式反應(yīng)釜

立式反應(yīng)釜采用周期性加壓浸出生產(chǎn)，目前該工序的一個生產(chǎn)周期主要分為“進液—反應(yīng)—排出”三個過程。進液過程的主要控制變量為反應(yīng)釜液位，反應(yīng)過程主要控制變量為釜內(nèi)溫度、壓力和進氣流量。雖然單臺立式反應(yīng)釜配備了較多自控設(shè)備，但由于控制機理難以模型化，故而部分控制變量的調(diào)控仍然采用人工干預方式。

2.2 臥式反應(yīng)釜

與立式反應(yīng)釜相比，臥式反應(yīng)釜的工藝更為復雜，操作更加繁瑣，所以在臥式反應(yīng)釜上配備了更多的自控裝備。臥式反應(yīng)釜內(nèi)部結(jié)構(gòu)由入口至出口分為4 個反應(yīng)區(qū)（如圖1），反應(yīng)釜主體及其4 個反應(yīng)區(qū)都有各自相關(guān)控制變量的測控儀表。

表1 立式反應(yīng)釜主要控制變量和控制方式

圖1 臥式反應(yīng)釜簡圖

主要控制變量有1 個進液流量、1 個反應(yīng)釜液位、1 個反應(yīng)釜壓力、4 個進氣流量和4 個反應(yīng)區(qū)溫度。

臥式反應(yīng)釜進液控制回路由1 臺進液調(diào)節(jié)閥和1 臺流量計構(gòu)成，出料控制回路由1 臺出液調(diào)節(jié)閥和2 臺液位計構(gòu)成，反應(yīng)釜壓力控制回路由1 臺壓力調(diào)節(jié)閥、1 臺壓力放空閥和1 臺壓力變送器組成；4 個反應(yīng)區(qū)都設(shè)有升溫控制閥、降溫控制閥、熱電阻組成的溫度控制回路和風量調(diào)節(jié)閥、風流量構(gòu)成的風量控制回路。

表2 臥式反應(yīng)釜主要控制回路

3 各系統(tǒng)控制變量間的關(guān)系

臥式反應(yīng)釜的各控制變量除4 個反應(yīng)區(qū)溫度外，反應(yīng)釜壓力與進風流量、進液流量、反應(yīng)釜液位都存在很強的耦合關(guān)系。

3.1 反應(yīng)釜壓力與進風流量的關(guān)系

反應(yīng)釜壓力變化時，壓力控制回路會通過調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥開度來穩(wěn)定反應(yīng)釜壓力，但反應(yīng)釜壓力的變化會對進風流量產(chǎn)生干擾，流量控制回路需要調(diào)節(jié)風流量調(diào)節(jié)閥開度來穩(wěn)定進風量；另一方面，當進風流量負荷變化或改變設(shè)定值時，會對反應(yīng)釜壓力產(chǎn)生干擾，壓力控制回路需要調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥開度來穩(wěn)定反應(yīng)釜壓力。由此可見，反應(yīng)釜壓力控制回路對進風流量控制回路有關(guān)聯(lián)，進風流量控制回路對反應(yīng)釜壓力控制回路也有關(guān)聯(lián)，說明這兩個回路是雙向關(guān)聯(lián)關(guān)系，并且具有顯著的負相關(guān)性（如圖2）。

圖2 反應(yīng)釜壓力與進風流量趨勢

3.2 反應(yīng)釜壓力與進、出液量的關(guān)系

反應(yīng)釜壓力增大后，與進液泵輸出壓力的壓差減小，在進液調(diào)節(jié)閥開度不變的情況下，流量隨之減小；反之，反應(yīng)釜壓力減小時，與進液泵輸出壓力的壓差增大，在進液調(diào)節(jié)閥開度不變的情況下，流量隨之增大（如圖3）。

臥式反應(yīng)釜出液亦是如此，反應(yīng)釜壓力增大后，與反應(yīng)釜出口壓力的壓差增大，在出液調(diào)節(jié)閥開度不變的情況下，液位快速下降；反應(yīng)釜壓力減小時，與反應(yīng)釜出口壓力的壓差減小，在出液調(diào)節(jié)閥開度不變的情況下，液位快速上升（如圖4）。

綜上所述，反應(yīng)釜壓力增大，進液量減小而出液量增大，反應(yīng)釜壓力減小，進液量增大而出液量減小。分析可見，反應(yīng)釜壓力變化會影響進出液平衡。

4 基于臥式反應(yīng)釜多變量控制的設(shè)想

亞砷酸臥式反應(yīng)釜相較于原有的立式反應(yīng)釜，工藝更復雜，控制要求也更高，因此設(shè)置的控制回路也更多。這些變量之間相互關(guān)聯(lián)，從而構(gòu)成了多輸入多輸出的耦合系統(tǒng)。因此分析各被控變量和各操縱變量之間的關(guān)聯(lián)程度，合理地選擇操縱變量減少關(guān)聯(lián)就顯得很重要。對于多變量系統(tǒng)之間的耦合，有些可以采用被控變量和操縱變量之間的適當配對或重新整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的方法來加以解耦［3］。但對于關(guān)聯(lián)較為嚴重的系統(tǒng)，則一般采用附加補償裝置，用以解除系統(tǒng)中各控制回路之間的耦合關(guān)系［4］。

圖3 反應(yīng)釜壓力與進液流量趨勢

圖4 反應(yīng)釜壓力與反應(yīng)釜液位趨勢

4.1 PID 控制

PID 控制一直是通用、 有效的控制方法，但是必須等測量值和設(shè)定值產(chǎn)生偏差后，才開始糾正偏差。面對多變量、強耦合、非線性為特點的復雜工業(yè)過程，PID 控制效果會變差甚至不可控［5］，PID控制的另一個問題就是閉環(huán)反饋回路的穩(wěn)定性問題，其控制精度與穩(wěn)定性相互矛盾。

以反應(yīng)釜壓力和進風流量為例，理想狀態(tài)下當反應(yīng)釜壓力發(fā)生變化時，進風流量受其干擾發(fā)生變化，進風流量調(diào)節(jié)器PID 開始作用，風量調(diào)節(jié)閥開度調(diào)整，使實際風量與設(shè)定值偏差減小，最終回歸穩(wěn)態(tài)。實際情況是當反應(yīng)釜壓力發(fā)生變化時，進風流量受其干擾發(fā)生變化，進風流量調(diào)節(jié)器PID 開始作用，風量調(diào)節(jié)閥開度調(diào)整，實際風量發(fā)生變化同時引起反應(yīng)釜壓力變化，此時可能出現(xiàn)跟蹤不及時或超調(diào)量過大，進而導致過渡過程時間長。

4.2 多變量前饋控制

實際生產(chǎn)過程中，反應(yīng)釜進風量的變化是反應(yīng)釜壓力控制的最主要干擾，反應(yīng)釜壓力穩(wěn)定亦是其他控制變量穩(wěn)定的重要保證，只要能穩(wěn)定反應(yīng)釜壓力就能使其他控制變量收到的干擾降到最小［6］。但前饋控制只針對特定的擾動變量，當有多個擾動變量時，則需要組成多變量前饋控制系統(tǒng)［7］。通過改良多變量前饋控制（如圖5），將反應(yīng)釜的4個進風流量控制回路的測量值歸算為系數(shù)，再將該系數(shù)通過運算，作為反應(yīng)釜壓力反饋控制的前饋值。前饋反饋控制系統(tǒng)可以在進風流量變化時提前對反應(yīng)釜壓力進行調(diào)整，同時通過反饋作用將反應(yīng)釜壓力穩(wěn)定在設(shè)定值。

圖5 臥式反應(yīng)釜前饋-反饋控制系統(tǒng)圖

5 結(jié)語

2019 年底的工業(yè)試驗是臥式反應(yīng)釜在貴冶是第一次真正意義上的投入運行，從目前來看工業(yè)試驗的結(jié)果是成功的，但自動控制方案仍有進一步優(yōu)化的空間。基于臥式反應(yīng)釜多變量控制的設(shè)想為生產(chǎn)過程穩(wěn)定控制提供了思路。