基于分散控制系統的半水法濕法磷酸生產PID控制

蘭 洲

（中化重慶涪陵化工有限公司，重慶 408000）

0 引言

半水法濕法磷酸的生產工藝具有流程短、投資低、生產的磷酸濃度高的優點，被較多磷化工企業所青睞。雖然半水法濕法磷酸工藝有許多優點，但生產過程反應溫度高、精度控制難度大，如果過程控制不好，會給后續工序造成很大的問題。比如，半水石膏失酸失溫后極容易生成石膏，堵塞管道，過濾時洗滌水用量增加，造成磷酸濃度下降，使其在提高磷酸濃度時，要消耗大量的蒸汽，增加電耗，使生產成本提高[1-12]。

1 半水法濕法磷酸工藝簡介

1.1 半水法濕法磷酸

半水法濕法磷酸工藝是利用經過濃密沉降后的精磷礦漿進行過濾，進一步除去水分，通過輸送皮帶輸送到溶解槽，利用返酸進行溶解，配比混酸輸送預處理槽進行預處理后，再配比濃硫酸在加熱的半水反應槽中進行半水反應，高效地萃取出磷酸。半水法濕法磷酸的目的是生產出高濃度磷酸，磷礦漿的過濾處理是為了減少水分，同樣，利用返酸進行溶解和利用濃硫酸與磷礦漿反應，也是為了使整個料漿中的含水量減少，有利于半水反應。

在磷礦料漿與硫酸進行萃取反應的過程中，如果水分占比大，就會生成石膏或二水石膏，且得到的磷酸濃度不高。半水反應萃取磷酸的反應溫度需控制在80～100℃。

1.2 工藝流程

半水法濕法磷酸工藝流程框圖及流程如圖1所示。

2 控制設計思路

如圖1所示，將所有控制點的數據，其中包括槽中介質的液位、溫度等都采集到分散控制系統（distributed control system, DCS），然后根據半水法濕法磷酸生產工藝特點和要求，利用DCS進行組態，建立邏輯控制關系。在運行過程中，DCS根據工藝參數設定值調節控制相應的電機變頻器或管道閥門的開度，達到控制目的。

圖1 半水法濕法磷酸工藝流程

主要的控制點有：

1）過濾后的磷礦計量（皮帶秤計量），配比控制返酸量（由流量計MF6計量）加入溶解槽，溶解磷礦。

2）溶解后的磷礦計量（流量計MF1計量），配比控制混酸量（由流量計MF4計量）加入預處理槽。

3）預處理后的磷礦計量（流量計MF2計量），配比控制濃硫酸量（由流量計MF8計量）加入半水反應槽。

4）預處理槽、半水反應槽、熟化槽的溫度控制，分別由其溫度控制儀TIC2、TIC3、TIC4控制相應的蒸汽閥門VS-7、VS-8、VS-9的開度。

5）四個槽的液位控制，分別由液位控制儀LIC1、LIC2、LIC3、LIC4控制向該槽輸送料泵的輸入量，比如LIC1控制礦漿泵的輸送量，皮帶秤計量自然下降，那么配比的返酸也隨之減少，溶解槽的液位下降，反之亦然；其后三個槽的液位控制原理相同，只需LIC2、LIC3、LIC4控制調節其前面流量計MF1、MF2、MF3，流量計再控制相應輸入料漿泵的變頻器，控制其流量輸送即可。

6）反應完成后的料漿流量計MF5配比控制調節沖洗水的加入。沖洗水不能過量，會影響磷酸濃度，也不能太少，會使磷的回收不完全。

3 具體實施控制方式

如第2節所述，按其控制點逐一設計控制方式。

3.1 磷礦配比返酸量的控制

控制方式采用變頻調速，變頻器調速頻率給定有手動和自動兩種，皆引入DCS后臺進行比例積分微分（proportional- integral-differential, PID）控制。手動控制是通過DCS切換到手動控制，通過手動輸入來確定返酸泵變頻器的給定頻率；自動控制是當DCS切換到自動后，通過皮帶計量秤所測得的實際磷礦量，來控制變頻器的頻率給定，實現PID控制。工藝正常運行時返酸泵均是進行自動控制，在調試試驗運行過程中，一般采取手動控制。

將皮帶計量秤的量秤信號轉換成4～20mA的電流信號，傳入DCS，經過與磷礦配比溶解換算后，作為返酸泵流量計MF6的給定值，再由流量去控制返酸泵變頻器的運行頻率，接入變頻器的AI2和GND端，同時利用溶解槽的液位（由LIC1計量）作為目標值，進行PID控制。實際控制是以液位反饋控制皮帶秤給料，再由皮帶給料配比控制返酸泵，分別如圖2、圖3所示。

圖2 溶解槽液位與磷礦給料控制

圖3 磷礦與返酸量配比控制

以第2節中所述2）、3）控制點與5）控制點相結合，利用液位作為目標值進行PID調節控制，皆同1）控制原理一樣，不同的只是配比值不同，如圖3所示磷礦與返酸量的配比是1:2，此處不再贅述。

3.2 溫度控制

預處理槽、半水反應槽、熟化槽的溫度控制，采用環管蒸汽加熱，使反應槽內溫度達到80～100℃。分別由溫度控制儀TIC2、TIC3、TIC4的溫度反饋去控制相應的蒸汽閥門VS-7、VS-8、VS-9的開度，如圖4所示。

圖4 加熱溫度控制

3.3 熟化漿與沖洗過濾水的配比控制

用流量計MF5計量以熟漿泵輸送的流量，配比沖洗水量加入，沖洗水的配比，可以通過工藝參數進行計算，即計算需要多少水量才能將熟化漿中的磷酸過濾并沖洗完，使磷的回收率達到所需值，水量由流量計MF7計量，如圖5所示。

圖5 熟化漿與沖洗水配比控制

4 PID液位控制及配比

經過第3節的控制方式后，仍需進一步的調節。因為PID的控制參數設置較復雜，尤其是其中的液位調節控制，還包含相應的其他物料的加入，即使控制參數設置完全相同的兩個PID控制系統，其PID控制調節也有所不同。

4.1 PID液位調節控制

PID液位調節控制參數設置較復雜，需經多次調試修改才能最終確定，其中重要的調節參數有比例增益（KP）、積分時間（Ti）和微分時間（Td）。KP決定整個PID調節器的調節強度，KP越大，調節幅度越大。Ti決定PID調節器對PID反饋量與給定量的偏差進行積分調節的快慢，積分時間越短，調節反應的速度越快。Td決定PID調節器對PID反饋量與給定量的偏差的變化率進行調節的強度，微分時間越長，調節變化越大。

PID控制調節的主要目的是為了讓控制更接近目標值，對于液位來說，就是保證槽內的液位穩定，上下波動不大，以使給定頻率所控制的液位曲線更貼近目標液位曲線，即實時跟蹤液位。利用給定頻率實時調控，該值可以根據計算得出，也可以根據幾次人為調節而確定一個穩定的值（一般是經過人為調節，理論值只能作為參考）。

在控制系統安裝完成后，投用運行，出現了以下幾種情況：

（1）變頻器低速運行跳閘，卻并未報低速運行超時故障。

（2）正常停機后，變頻器在高頻率下不能起動，DCS將給定頻率降為低頻后，才能起動。

（3）DCS PID控制不穩定，變頻器增速、減速波動太大。

（4）PID液位自動控制變頻器調速時，在低液位使變頻器頻率降低，當液位回升后，頻率不能及時回升，致使漿池滿槽溢出。

整定前的液位控制曲線如圖6所示，PV是液位控制儀所測的實際值，SV是工藝要求的液位控制給定值，MV是PID控制的輸出控制量，即向電機變頻器給定的頻率值。

圖6 整定前的液位控制曲線

根據現場實際情況得知，第（1）種情況出現的原因是操工人員將變頻器頻率調得很低，雖然礦漿輸送泵沒有停止，但變頻器頻率降到一定值以下時，輸送泵就會因高差壓力而不能輸出礦漿，導致輸送泵因管道礦漿退回而反轉，迫使變頻器因反拉制動而跳閘；第（2）種情況中正常停機后，高頻率下不能起動的原因是礦漿退回地槽漿池和泵內后，礦漿對泵有一定的堵塞作用，直接加快高速運轉，會使變頻器制動，不能起動，需要低頻起動；綜合（1）和（2）兩種情況，可將變頻器的低頻率運行閾值從0Hz改為30Hz，即礦漿輸送泵克服管道里的礦漿高差壓力輸送礦漿的最小頻率值，此值可能通過泵的參數、電機參數、礦漿的濃度和管道的長度及高差來計算得出，這里的30Hz是一個根據幾次人為調節而確定穩定的值，還要將變頻器的加/減速時間改為10s（廠家默認值為3s）。這樣，無論手動控制，還是自動控制，變頻器始終最低運行頻率都在30Hz，這樣既能保證低頻運行，礦漿不會順著管道退回，也能保證低頻率起動。

第（3）種情況主要是PID控制的問題，PID控制的積分調節是為了消除余差，即消除PV（實際控制值）和SV（目標值）之間的余差，余差越小越接近目標值，控制就越穩定越好，致使給定頻率實時跟蹤液位，該值可以根據計算得出，也可以根據幾次人為調節而確定一個穩定的經驗值。第（4）種情況也是PID控制的問題，其實也是與設備有關，比如輸送泵的輸送量和漿池的大小，礦漿輸送泵輸送過快容易使漿池溢出，輸送得太慢則漿池液位下降得很快，不利于工藝生產，所以PID控制必須對比例參數進行調節，該值可以通過計算得出，也可以根據幾次人為調節而確定一個穩定的經驗值。可以通過傳遞函數的關系，計算出比例參數和積分參數的值，再根據實際運行，進行微量調節，使其滿足。當對積分參數值輸入1.00%后，可以清楚地看到效果明顯改善；至于比例參數值，它代表液位計對變頻器的給定頻率的反應速率，將其調為30左右，其曲線是由下個平滑的波形，逐漸趨向直線，這樣就保證了地槽漿池的液位在一個比較恒定的范圍內，不會滿槽溢出，也不會下降得過快不利于工藝生產。

整定后的控制曲線如圖7所示，漿槽液位PV經過兩個波峰之后衰減，逐漸向所期望的控制目標SV曲線靠近，即PV值跟蹤SV值，最好的目標是PV與SV重合；而MV也由兩個波峰之后逐漸變為一穩定值，即穩定的頻率輸出，其大小由漿池的進料流量所決定；只要進料有改變，測量值PV就會改變，MV也會改變，經過兩三個波峰后，又會達到平穩。

4.2 配比控制

如第3節中所述，配比控制很簡單，只需將數據采集到DCS，利用DCS組態，通過配比的工藝參數計算出相應物量的配比，可以很好地配置相應物量的輸入，如圖3所示磷礦與返酸量的配比是1:2。這時受液位控制的其中一個物料量隨液位增加或減少，另一個配比的物料量也隨之增加或減少。

圖7 整定后的控制曲線

5 結論

通過本控制方案，不僅能使幾個漿槽的液位控制平穩，波動小，有利于物料在槽中反應穩定，同時精確計量進行配比控制。同理，本文涉及的溫度加熱控制、沖洗水的控制都同樣采取PID控制，控制好溫度使萃取反應更有利于半水反應，同時精確控制沖洗水的加入，提高磷酸濃度，減少生產成本。PID控制在工業生產中運用越來越廣泛，大大提高了生產效益和產品質量。