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    基于分散控制系統的半水法濕法磷酸生產PID控制


    基于分散控制系統的半水法濕法磷酸生產PID控制,根據半水法濕法磷酸的生產特點,通過分散控制系統(DCS)進行**控制,利用皮帶計量秤對磷礦進行計量,電磁流量計對返酸、混酸、濃硫酸進行計量配比參與半水法濕法磷酸的反應;并利用蒸汽加熱反應槽,為濕法磷酸半水反應提供充分條件,進而高效地萃取出磷酸。

    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[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。
    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4~20m A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*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*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*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??梢酝ㄟ^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,*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**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**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。

    本文轉自: 知網 基于分散控制系統的半水法濕法磷酸生產PID控制 作者:蘭洲(中化重慶涪陵化工有限公司)

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