水煤漿添加劑自動配劑控制方案設計

鐘彥達

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

水煤漿是目前常用的一種煤基液態物料[1]，常作為制備合成氣的原料，由于中國豐富的煤炭資源，近年來國內水煤漿氣化技術已達國際領先水平[2]。為保證水煤漿物料的穩定性和流動性，需要在制漿過程中加入合適的添加劑，經過多年的實踐探索研究，已有幾種性價比較高的添加劑作為常規添加劑應用于各個水煤漿制備裝置[3]。為減少裝運頻率，工廠采購高濃度添加劑原料儲存于添加劑母液槽，然后定期稀釋配置為待用添加劑至添加劑罐，在該過程中，大部分工廠目前仍采用人工控制的方法，即通過操作臺遠程人工操作啟停泵或開關閥門，在儲罐中按比例將母液稀釋至要求濃度待用。

目前，各個領域都在探索人工過程自動化的實施方法[4-5]。在水煤漿添加劑的工廠配劑過程中，為提高工作效率及降低人工操作引起的偏差，依據批量控制原理[6]提出基于液位和流量控制的兩種添加劑自動配劑方案，以實現“一鍵配劑”的操作目標。

1 兩種配劑方案控制原理

添加劑配劑方案有基于液位控制和基于流量控制[7]兩種。在基于液位控制的方案中，通過測量配劑罐的初始液位、添加劑目標液位、最終液位，分步驟依次控制添加劑和水進入配劑罐，以添加劑目標液位作為添加劑終止進入的信號，以最終液位作為水終止進入的信號，完成進料和進水的自動運行過程，以達到自動配劑的目的；而基于流量控制的方案則是根據目標液位與罐體容量，分別計算需要的添加劑和水的體積，依托于安裝在添加劑進液管和進水管上的流量計測量進料和進水的累積體積流量，通過與計算值作比對，在達到目標值時關閉進料和進水模塊，完成配劑過程，簡稱流量方案。

2 系統組成

添加劑配劑系統組成如圖1所示。配劑系統的控制系統可基于DCS或PLC，其中圖1中虛線框中的4臺流量計對于液位方案不是必須的。

圖1 添加劑配劑系統組成示意

3 配劑流程

配劑流程說明以在T02A罐中制備添加劑為例。設T01罐對應0～100%液位體積V1，100%液位為ha，T02A與T02B罐對應0～100%液位體積V2，100%液位為hb。T01罐現有剩余液位為h1，T02A罐現有剩余液位為h2，配劑結束T02A罐目標液位為h3作為調節值，在人機操作界面上設置調整，添加劑母液與水按照1∶N的稀釋比例執行。

配劑開始前確認攪拌器M01A處于停止狀態，并且靜置一段時間，該操作的目的是避免攪拌器運行引起的液位測量誤差。

3.1 初始化校驗

為了避免配劑過程中出現缺液、滿液等異常狀態導致程序繼續執行引起意外事故，配劑開始前首先需要對以下幾個參數值進行校驗：

1)T02A，T02B罐均已結束上一次配劑流程，避免母液不足或者程序混亂。

2)T02A罐未投入磨煤流程使用，配劑過程中投用會導致濃度不符合最終值。

3)攪拌器M01A停止運行，減小液位測量誤差。

4)配劑目標液位大于初始液位：h3>h2，輸入值校驗，避免程序錯誤。

5)配劑目標液位小于允許最大液位hbmax：h3

6)P01A，P01B在遠程狀態，保證配劑程序可以自動遠程運行。

7)配劑結束母液槽液位大于母液槽允許最低液位hamin，保證母液量足夠使用，如式(1)所示：

(1)

當以上初始化條件均滿足時，系統允許進入下一步。

3.2 配劑計算

校驗結束后，下一步是根據已有參數計算需求值，液位方案需要計算T02A罐中母液添加目標液位h4，流量方案則需要分別計算添加劑母液需求體積流量qV1和稀釋用水需求體積流量qV2。

3.2.1液位方案計算

對于液位方案，操作流程選擇先添加母液，后添加水的順序進行配劑，T02A罐中母液添加的目標液位計算如式(2)所示：

(2)

3.2.2流量方案計算

對于流量方案的計算，需要分別計算出添加劑母液需求體積V3和稀釋用水的需求體積V4，與流量計的積算值進行比對。

V3計算如式(3)所示：

(3)

V4計算如式(4)所示：

(4)

3.3 配劑流程

液位方案中，在完成初始化校驗和需求計算之后，開始正式配劑流程，首先運行泵P01A，開始進料，檢測T02A罐液位變化，當液位達到h4時，發出停泵命令，停止泵P01A，結束添加劑進料流程，同時打開XV01A，開始進水，繼續監控液位變化，當液位達到h3時，關閉XV01A，完成進水流程，至此整個配劑流程結束，可打開攪拌器進行混合。

流量方案中，配劑流程則分解為在T02A罐中同時開始添加母液和新鮮水，母液和新鮮水分別達到各自目標量，分別停止添加母液和新鮮水，配劑完成。

簡單而言配劑流程就是通過比對母液和新鮮水的注入量判斷進料泵的啟停和進水閥的開關，來完成整個配劑流程的自動控制，兩種方案有相似處，也有不同處，控制流程如圖2所示。

圖2 兩種配劑方案控制流程示意

4 方案應用

上述的添加劑流程及控制針對的是單一物料稀釋配劑流程，并且應用于較大規模，精度要求不高的場合，適用于水煤漿添加劑配劑過程，并且已成功應用，效果良好。以下介紹幾種流程及添加劑調整方案，以滿足不同工況要求下的應用。

4.1 低成本高效率工況

考慮到低成本，選用設備較少的流程，并且在運行情況許可的情況下使用獨立配劑罐，選用液位方案的配劑過程，為提高效率需要對進料和進水過程同步改進。由于基礎液位方案中，計量進水量的儀表只有液位計LT02A，是無法改變的，但是母液的計量儀表則可由添加劑罐的液位計LT02A改為母液槽的液位計LT01，從而使母液的計量和新鮮水的計量獨立，不過采用這種同步方式需有一個前提，就是新鮮水的進水流速需要小于添加劑母液進料流速的N倍以下，以保證母液進料會先于新鮮水進料結束，這個要求可以利用進料及進水的管徑來控制。在這種條件下，可采取同步啟動進料及進水流程，通過母液槽液位目標量h5作為P01A泵停泵條件，并且由于流速比小于N，母液可以率先完成進料流程，不影響T02A罐最終目標液位h3作為 XV01A關閥的判斷依據。h5的計算如式(5)所示：

(5)

經過以上改進，應用設備、儀表均較少，成本較低，并且配劑流程由于同時進行，用時也較少，適用于追求低成本高效率的應用場景。

4.2 高精度工況

在有些工況中，對于配劑過程追求的是高精度，保證濃度的精準性是第一要務[8]。在高精度的要求下，首選為流量方案，由于在流量方案中停泵和開關閥關斷都需要一個過程，在停泵命令和關閥命令發出后仍會有一定量的母液和新鮮水進入到T02A罐中，在一定程度上會引起濃度的偏差。這種情況下，一種方法是經過幾次運行后，從控制系統中得到停泵和關閥命令發出后的流量曲線，根據流量曲線計算出命令發出后到完全無流量時的進料和進水量，然后在每次計算需求量時相應減去該延時帶來的進料和進水偏差量；另一種更高精度的方法是更換泵與閥門，將定頻泵更換為變頻泵，將開關閥更換為調節閥，通過PID調節控制進料和進水量[9]，可以在接近目標時逐步降低泵轉速和關小調節閥開度，最終使進料和進水量準確控制在目標值。

4.3 多物料工況

由于添加劑的種類多種多樣，部分添加劑可能是多種物料的混合物，如果原料較多，建議選用流量方案，液位方案在原料較多時的耗時和精度偏差都會有較大的增加，所以在成本允許的情況下，多物料配劑選用流量方案是較合理的選擇。這種多原料工況應用僅需在基礎方案上根據原料數量增加新的進料管，帶壓物料管線增加流量計和開關閥，無壓物料管線增加泵及流量計，分別計算各個物料的進料量，初始化校驗完成后啟動泵或者打開閥門開始進料，待達到各自計算的進料量時停泵或者關閉閥門，完成配劑。因此，多物料的配劑過程與兩種物料的配劑本質上沒有區別，只是控制對象增加，根本控制方法沒有變化。

4.4 配劑同步使用工況

一般來說，添加劑配劑過程和使用過程宜獨立進行，如果由于裝置的特殊需求，如只配有一套配劑罐，無備用系統，需要配劑過程和加藥過程同步進行[10]，考慮到對濃度的控制，則需要控制流量，在泵管線增加調節閥或可調流量型泵，將稀釋水管線開關閥更換為調節閥，按照固定流量比例控制調節閥，保證進料及進水比例符合要求，同步攪拌器運行，使兩種物料充分混合均勻，可以一定程度上減少配劑引起的濃度偏差，但是由于控制精度和混合均勻程度的限制，在一定程度上無法避免同步運行時的濃度偏移。

5 方案對比

不同的流程添加劑配劑方案不同，實際應用后也各有優缺點。

對于液位方案，其優點在于控制過程簡單，過程計算較簡潔，且所需儀表較少，無需配置流量計，相對成本較低，但是該方案也存在配劑精度低，并且其整體的配劑過程耗時較長的不足之處，改進后的低成本高效率方案相比液位方案節約了時間，但由于計量儀表獨立，不可避免會帶來誤差造成配劑精度降低的問題。

對于流量方案，整體而言可以有效提高配劑精度，而且同步運行的方式使配劑過程花費時間較少，每次的進料進水量累積值較容易比對，在必要情況下手動糾偏也較容易實施。然而，伴隨著以上優點，無疑需要更大的成本投入，需要增加流量計的使用及控制系統的容量，而高精度方案則以流量方案為根基，優化了進料控制設備，可以使配劑精度達到較高水平，但同時使成本大幅上升。

多物料方案只是基礎方案的擴展，根據工況要求進行的變化，同時也可以根據成本和精度需求進行其他方面的調整。同步使用方案則是條件限制下的選擇，精度較低，唯一優點是在較低成本的基礎上可以不間斷連續使用配劑成品。

6 結束語

隨著生產過程的自動化程度要求越來越高，各個工廠都在尋求以更少的人力保證裝置長期穩定運行的方法，自動配劑能有效降低內操人員的操作頻率，減少人為引起的偏差。并且該系統簡單的原理和結構也使其可以適用于其他類似應用場景。

不同的控制方案均有其各自的優缺點，液位方案成本低，配置簡單但精度相對較低，而流量方案在滿足高精度的同時不可避免導致了成本的增加。合理的根據項目需求及工藝要求選擇合適的控制策略及改進方案，是工程經濟性和可靠性兼具的保證[11]。