加壓釜溫度調節(jié)控制算法設計

劉靜敏，滕順高，董桂華

(1.云南銅業(yè)股份有限公司西南銅業(yè)分公司，云南 昆明 650102；2.昆明冶金高等專科學校電氣與機械學院，云南 昆明 650031)

0 引言

銅陽極泥處理系統(tǒng)無論是采用卡爾多爐工藝技術，還是采用其他新的工藝技術，都要進行銅陽極泥脫銅處理。而加壓浸出這種濕法冶金強化反應技術以其脫銅率高、脫銅泥含銅低、生產流程短、原料適應性強等優(yōu)點，近幾年在國內得到快速發(fā)展[1-3]。目前，國外的瑞典波立登隆斯卡爾冶煉廠[4]，國內的安徽銅陵[5]、陽谷祥光[6]等陽極泥脫銅的處理均采用高壓反應釜熱壓浸出工藝。同時，云銅也對高壓釜浸出銅陽極泥工藝開展了小型試驗。試驗結果表明：從銅陽極泥中加壓酸浸預處理回收銅的工藝方法，陽極泥的銅回收率高，渣液分離的脫銅渣含銅很低，陽極泥中其他有價金屬走向合理、集中,有利于綜合回收[7]。

本文以銅陽極泥工藝改造(由常壓脫銅改造加壓釜熱壓浸出脫銅)為載體，開發(fā)了一套加壓釜內溫度調節(jié)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對銅陽極泥脫銅處理的重要參數(shù)的監(jiān)視和自動控制，提高了脫銅效率，優(yōu)化了各項技術和經(jīng)濟指標。

1 加壓釜通氧升溫曲線設計原則

1.1 銅陽極泥加壓浸出脫銅工藝描述

銅陽極泥在配料槽內加入一定量的硫酸和水，進行合理的配比后制成料漿，通過料漿泵送至加壓釜。然后，向加壓釜通入蒸汽加熱，待釜內物料升溫升壓到60 ℃、0.7 MPa時，通入氧氣升溫升壓，利用氧化過程的放熱反應，升溫、升壓到140 ℃、0.92 MPa，開始保溫攪拌浸出，使釜內物料中的銅及銅的化合物充分與硫酸反應生成硫酸銅，銅由渣相轉入液相。最后，物料經(jīng)緩冷槽冷卻后泵送至壓濾機進行固液分離以及回收處理。

銅陽極泥加壓浸出脫銅工藝的設備與儀表配置如圖1所示。

圖1 銅陽極泥加壓浸出脫銅工藝的設備與儀表配置圖Fig.1 Equipment and instrument configuration diagram of copper anode mud pressure leaching and copper removal process

銅陽極泥在加壓釜內通氧時發(fā)生反應，而反應放出的熱量又會加劇反應。因此，若不能及時地提前停止通氧，劇烈的反應將使溫度、壓力超出設定范圍，引起安全閥起跳，嚴重時會引起安全事故。反之，若過早停止通氧，則不能達到生產保溫所需的溫度，直接影響產品的質量和產量。而實際生產時，為避免通入氧氣造成加壓釜內壓力過高，采取的措施是控制泄壓管道上的泄壓調節(jié)閥進行恒壓調節(jié)，保證加壓釜內壓力在設定壓力范圍內。因此，如何保證通氧過程中加壓釜內溫度的平穩(wěn)性以及目標溫度控制的準確性，是加壓浸出控制的要點、難點，也是系統(tǒng)安全運行的關鍵。因此，尋找一種適應釜內溫度大慣性、大時滯和非線性的控制方法，是實現(xiàn)其穩(wěn)定控制和安全控制的重要保證。

1.2 加壓釜通氧升溫控制設計原則

由加壓釜脫銅工藝要求可知，其通氧升溫過程中的溫度控制應該滿足以下原則。

①能實現(xiàn)多工況過程中的溫度平穩(wěn)控制，將釜內溫度穩(wěn)定控制在工藝規(guī)定的控制目標附近。

②能夠快速、準確、穩(wěn)定地跟隨系統(tǒng)給定，溫度動態(tài)控制性能良好，不會出現(xiàn)超溫情況而讓生產處于危險境況。

③能克服大時滯、大慣性和非線性工況，保證升溫效率。

④對給定擾動的適應能力強。

實際生產中，在銅陽極泥通氧升溫過程中，即使關閉氧氣閥門，由于其余熱作用及含氧余量的繼續(xù)氧化作用，加壓釜內還會繼續(xù)升溫。繼續(xù)升溫的溫度增加值是一個不確定的量。它會因釜內物料成分不同、濃度不同、反應過程中的擾動等而有所變化。因此，釜內溫度是具有大慣性、大時滯和非線性的較復雜的被控對象，一般很難得到它的精確數(shù)學模型，傳統(tǒng)控制方法難以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度。

前期手動操作氧氣閥門對加壓釜溫度變化情況的影響：通氧升溫過程中雖然有溫度振蕩的情況，但整體來說，溫度不會有大起大落的變化。只是因為各種因素的影響，導致溫度的升高值與氧氣加入量之間呈非線性關系。因此，可以依據(jù)溫度變化的機理,采用先進控制系統(tǒng)完成其升溫溫度的精確控制。具體流程如下。

①對于單釜次加壓釜生產過程，根據(jù)前面的通氧升溫過程中各參數(shù)的變化，建立數(shù)學模型，預測后續(xù)的升溫過程中各參數(shù)的變化情況，對關閥后的溫升進行計算與預判，確定該在哪個溫度段關閉氧氣閥門。

②多釜次的加壓釜生產過程，通過收集不同釜次的通氧升溫過程數(shù)據(jù)，如加壓釜內料量、保溫時的溫度誤差、通氧量、氧氣閥門關閉時的溫度值、釜內壓力值等，形成經(jīng)驗數(shù)據(jù)，建立迭代自學習控制模型，實現(xiàn)溫度差自動修正，消除因升溫慣性對溫度控制的準確性的影響。單釜次時采用預測控制方法和多釜次生產后采用迭代算法，配合使用多種控制方法，完成最終的溫度精確控制。

2 通氧升溫控制數(shù)學模型的建立

此次加壓釜通氧升溫控制，選擇了預測控制模型與迭代自學習控制模型[8-12]，對控制過程進行實時滾動優(yōu)化和反饋校正。升溫控制的數(shù)學模型及相應參數(shù)在整個控制過程中不斷變化，實際上就相當于將非線性系統(tǒng)的特性分段線性化，然后用線性模型來逼近它。因此，它們既適用于線性系統(tǒng)控制，又適用于非線性系統(tǒng)控制。

2.1 單釜次通氧升溫控制預測模型

加壓釜生產操作時，最初用蒸汽加熱物料，待物料加熱到60 ℃時，開始通入氧氣。此時，對加壓釜既加熱升溫又加壓。因此，以60 ℃為升溫初始值，先統(tǒng)計從60 ℃升高到65 ℃時的氧氣消耗量Q；將該量作為迭代計算的初始值，再計算從65 ℃時開始計算通入氧氣量Q后，實際升溫值與預估升溫值之間的差值；修正升溫到目標溫度值所需要的氧氣通入量，直至快到達設定溫度時，預測應該提前在多少溫度時關閥門。其基本數(shù)學公式及其推導過程如下。

將通氧的初始溫度定為60 ℃。先計算60 ℃升溫至65 ℃時(即以每升高5 ℃為一個預估氧氣消耗量的溫度段)消耗的氧氣量Q，并以此作為以后每個溫度段的設定通氧量；再計算從65 ℃開始通入了Q的氧氣后，加壓釜內溫度升高到了T1_real。而通入氧氣量Q時的預估目標溫度是70 ℃，因此，就有一個實際溫度和預估目標溫度之間的溫度差ΔTf1=T1_real-70 ℃。然后，以此T1_real為基礎，預估從T1_real開始升溫時，通入了Q后，可能會達到的溫度T2_targ=T1_real+5 ℃+a×ΔTf1(a是調節(jié)系數(shù))。但當通入了Q后，實際溫度升到了T2_real。此時，實際溫度與設定溫度間就有了一個誤差ΔTf2=T2_real-T2_targ。則以T2_real為基礎，預估從T2_real開始通入了Q后，可能會達到的溫度T3_targ=T2_real+5 ℃+a×ΔTf2。以此類推，得到通氧升溫到第n個溫度段的預估目標溫度。通氧過程溫度預測算法如表1所示。

表1 通氧過程溫度預測算法

從以上推理過程可知：①計算出溫度段1的升溫的誤差ΔTf1；②以初始值和實際誤差的加權值之和作為下一個溫度段的升溫過程的補償量，確定溫度段2的預估目標溫度T2_targ；③溫度段2升溫結束后，又計算出一個新的補償量，則該補償量實際上是考慮了上兩個升溫段的誤差后計算出來的。

經(jīng)過以上迭代計算過程，可得出：加壓釜從Tn_real開始升溫時，通入了氧氣量Q后，預估可能會達到的溫度為T(n+1)_set=5 ℃+a×Tfn。則氧氣閥關閥時的溫度值計算式可表述為：

Tn_close=T(n+1)_targ_Tn_set+Tn_real

(1)

式中:Tn_close為關閥時的溫度值;Tn_real為最后一個通氧段的起始溫度值;T(n+1)_targ為最后一個加熱段的預估能達到的溫度;Tn_set為想要達到的反應溫度設定值。

2.2 多釜次升溫迭代算法模型

通過前面的單釜次升溫過程的預測算法可知，當氧氣閥關閉后，系統(tǒng)就無法調節(jié)其后續(xù)因慣性而升高的溫度。因此，僅依靠每一釜生產時，對其單獨的通氧過程進行溫度預測控制，未必每一釜都能達到目標溫度。基于此，需要在多次的加壓釜生產過程中再進行優(yōu)化，即將每一釜次的溫度偏差與相應工藝參數(shù)進行對比和統(tǒng)計(比如加壓釜內料量、保溫時的溫度誤差、通氧量、氧氣閥門關閉時的溫度值、釜內壓力值等)，形成經(jīng)驗數(shù)據(jù)，通過建立迭代自學習控制模型，實現(xiàn)溫度差自動修正，消除因升溫慣性對溫度控制的準確性的影響。通過這兩種控制方法的配合使用，完成最終的溫度精確控制。

該方法主要是對單釜次生產時的提前關閥的溫度節(jié)點進行優(yōu)化和補償。當加壓釜生產了多次并積累了一定的生產數(shù)據(jù)后，即可通過這些數(shù)據(jù)獲知現(xiàn)場工況的特點，進一步提高溫度控制精度。該控制方法的基本思路是：將第k釜的實際溫度與設定溫度之間的偏差值，作為第(k+1)次提前關氧氣閥的依據(jù)。其迭代公式如下：

(2)

式中:T(k+1)×n_close為第(k+1)釜在氧氣閥關閥時的預估溫度值；Tk×n_close為第k釜在氧氣閥關閥時的預估溫度值；ΔTk×i為第k釜時的卷積溫度誤差。

2.3 數(shù)學模型整合

合并式(1)和式(2)后，可得到最終第(k+1)次生產時，加壓釜的升溫控制數(shù)學模型，如下所示：

T(k+1)×n_close=(Tk×(n+1)_targ-Tk×n_set)+Tk×n_real-

(3)

式中:T(k+1)×n_close為第(k+1)釜在氧氣閥關閥時的預估溫度值；Tk×(n+1)_targ為第k釜在第n個通氧段的預估能達到的溫度；Tk×n_set為第k釜想要達到的反應溫度設定值；Tk×n_real為第k釜在第n個通氧段的實際升溫溫度值；ΔTk×i為第k釜時的卷積溫度誤差。

加壓釜溫度控制的預測原理如圖2所示。保溫溫度Tset一般為140 ℃，實時調節(jié)的溫度值Tclose是提前關閉氧氣閥時的溫度值。

圖2 加壓釜溫度控制的預測原理Fig.2 Prediction principle of temperature controlfor autoclave

3 結論

基于迭代與預測控制方法相結合的補償量算法設計，對加壓釜升溫過程進行了補償程序控制。該方法能夠克服不同干擾量所帶來的不可控性，提高了溫度控制精度，使得生產時脫銅效率提高、有價金屬銅等走向更為集中、后續(xù)燃輔料消耗降低等，優(yōu)化后的各項指標滿足工藝和生產要求。同時，因為溫度控制的準確性，使得出現(xiàn)超溫的情況大大降低，保證了生產過程的安全性、穩(wěn)定性與持續(xù)性。