王偉興

(蘇州寶化炭黑有限公司， 江蘇 蘇州 215151)

某炭黑公司造粒工段將造粒水和粉狀炭黑等按約1∶1比例混合攪拌成潮濕粒狀炭黑下料至滾筒干燥機烘干，再脫水成粒狀炭黑。烘干工藝： 操作工按比例調(diào)節(jié)空氣和尾氣的流量，使其在尾氣燃燒爐內(nèi)燃燒至1 100～1 200 ℃，高溫煙氣經(jīng)過火箱在滾筒干燥機內(nèi)經(jīng)過40 min將含水炭黑換熱變成180～250 ℃的炭黑，再經(jīng)過一級提升機至二級提升機后使出口炭黑溫度控制在80～160 ℃并輸送至成品罐存儲。以往根據(jù)炭黑溫度和燃燒熱量調(diào)節(jié)尾氣流量的過程多是憑借經(jīng)驗，因而二級提升機出口炭黑溫度允許在80～160 ℃內(nèi)波動。從節(jié)能的角度出發(fā)，該點溫度最佳控制區(qū)間是110～123 ℃，但時有超溫。高溫超上限時，易造成包裝、物流運輸中炭黑溫度過高自燃，粒子破碎、細粉增大、回流炭黑增加、生產(chǎn)成本上升，尾氣浪費，易引發(fā)超溫燃燒濾袋等生產(chǎn)事故；溫度低于下限時，則導(dǎo)致產(chǎn)品加熱減量指標不合格，出現(xiàn)回流，使生產(chǎn)成本上升。炭黑造粒后工藝流程如圖1所示。

圖1 炭黑造粒工藝流程示意

未實施改造前，尾氣流量依據(jù)經(jīng)驗操作模式采用人工調(diào)節(jié)加熱，平均0.8 h改變一次尾氣流量設(shè)定值，勞動強度大，儀表自動化程度低。為提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗，該公司采取技術(shù)改造措施，目前炭黑溫度的控制方案： 尾氣流量和炭黑溫度串級控制，加造粒水流量前饋控制，但該方案仍存在一些不足。由于造粒不穩(wěn)定，造粒水量作為前饋參數(shù)波動很大，易引起尾氣調(diào)節(jié)過程中蝶閥的快速關(guān)閉而使前工段主袋收集袋濾器箱體壓力控制不及時而超壓，存在安全隱患。因此，該控制方案需要增加1套安全聯(lián)鎖控制方案。

1 干燥機出口炭黑溫度控制方案

1.1 前饋串級控制方案

前饋串級溫度控制系統(tǒng)如圖2所示，該方案中主回路由一級提升機炭黑溫度調(diào)節(jié)回路TIC-5212組成，造粒水流量作為前饋變量。由于造粒水流量波動大，采樣平均時間為60 s，采樣后的平均流量參與調(diào)節(jié)，避免了尾氣流量調(diào)節(jié)的波動。將前饋變量乘以尾氣流量/造粒水流量的比值(FC)對應(yīng)的尾氣流量值與TIC-5212調(diào)節(jié)器輸出值疊加，作為副回路的給定值。副回路由尾氣流量調(diào)節(jié)回路FIC-5201組成，副回路輸出直接通過尾氣蝶閥控制尾氣流量。

圖2 前饋串級溫度控制系統(tǒng)示意

主調(diào)節(jié)回路TIC-5212的輸出變量與尾氣熱量成對應(yīng)關(guān)系，起到微調(diào)炭黑溫度的作用。以造粒水流量作為前饋變量，較快反映了炭黑中含水量的變化，含水量與需要烘干的熱量成一定的正比例，尾氣流量與加熱熱量成正比例關(guān)系，因而尾氣流量根據(jù)造粒水流量調(diào)節(jié)燃燒溫度，即完成了炭黑溫度的快速粗調(diào)。

1.2 二級提升機出口炭黑溫度控制

由于炭黑溫度最終控制是以二級提升機出口炭黑溫度TE-5213為主要技術(shù)指標，但溫度的變化從造粒水流量調(diào)節(jié)開始到尾氣流量調(diào)節(jié)結(jié)束后才能反映出來，存在40 min的滯后，炭黑溫度需要及時參與到前饋串級控制中去，一級提升機出口炭黑溫度TE-5212與TE-5213之間有差值。為控制最終溫度TE-5213，增設(shè)二級提升機出口溫度TIC-5213調(diào)節(jié)回路，開環(huán)比例CP輸出。

TIC-5213的SP值為115～120 ℃，TE-5213作為溫度調(diào)節(jié)單元的PV值，CP=0.45×PID模塊輸出值，該CP值作為TIC-5212控制調(diào)節(jié)單元的SP，該比例系數(shù)是1個經(jīng)驗估算值。

1.3 前饋補償選擇計算單元裝置

FC的設(shè)定，決定了炭黑溫度的快速恒定，但由于炭黑溫度的滯后性，當前的炭黑溫度反應(yīng)的是40 min之前的FC值。而且生產(chǎn)炭黑品種的改變，原料油等工藝控制參數(shù)變化，也將引起尾氣熱值改變，造成尾氣燃燒后燃燒溫度值的改變，尾氣流量也將隨著燃燒溫度和炭黑溫度調(diào)節(jié)改變，進而FC也隨之改變。因此，F(xiàn)C的取值需要一定控制調(diào)節(jié)經(jīng)驗，且有必要采取DCS自動計算該系數(shù)，計算公式如下：

FC=[尾氣流量+20 m3/(h·℃)×(二級提升機出口炭黑溫度給定值-二級提升機出口炭黑溫度)]/造粒水流量。

由于流量等參數(shù)的采樣平均時間設(shè)定較長，加大了數(shù)據(jù)在平均時間內(nèi)的真實性和可靠性、穩(wěn)定性，但該系數(shù)的生成條件是必須在生產(chǎn)運行1.5 h后自動計算。

2 前饋串級投運安全聯(lián)鎖控制邏輯方案

尾氣流量在前饋串級模式下受到炭黑生產(chǎn)工藝其他因素影響，有時尾氣流量調(diào)節(jié)閥會出現(xiàn)快速關(guān)閉，造成尾氣加壓風機出口系統(tǒng)壓力急劇上升，主袋收集袋濾器儀表安全聯(lián)鎖保護啟動不及時，主袋箱體壓力超壓，造成安全危害。因此，增加邏輯聯(lián)鎖控制條件，前饋串級投切安全聯(lián)鎖邏輯如圖3所示，通過DCS組態(tài)實現(xiàn)。

3 前饋串級炭黑溫度控制調(diào)節(jié)精度分析

該公司炭黑5號生產(chǎn)線尾氣前饋串級控制方案投運前，自2018年8月27日0時開始，12 h內(nèi)的炭黑溫度數(shù)據(jù)記錄見表1所例。

圖3 前饋串級投切安全聯(lián)鎖邏輯示意

測量參數(shù)00 0000 3001 0001 3002 0002 3003 0003 3004 0004 3005 0005 3006 00最大偏差造粒水流量/(kg·h-1)3722377237403734373236043623351735203542353637343736尾氣流量/(m3·h-1)6103685068506850650065006502562456005600560056006263二級提升機出口炭黑溫度/℃127.3119.3127.7136.7138.4137.9145.4135.0123.3123.0115.090.0106.3偏差1)/℃9.31.39.718.720.419.927.417.05.35.0-3.0-28.0-11.7-28.0測量參數(shù)06 3007 0007 3008 0008 3009 0009 3010 0010 3011 0011 3012 0012 30最大偏差造粒水流量/(kg·h-1)3725371036833517352035423536373437363725371036833740尾氣流量/(m3·h-1)7276631763175624560056005600560062637276631763176850二級提升機出口炭黑溫度/℃83.2121.3124.0135.0123.3123.0115.090.0106.383.2121.3124.0127.7偏差1)/℃-34.83.36.017.05.35.0-3.0-28.0-11.7-34.83.36.09.7-34.8

注： 1) 以TE-5213控制溫度118 ℃為基準統(tǒng)計偏差，前饋串級未投運最大偏差溫度達到-34.8 ℃，動態(tài)誤差±29%。

自2018年8月28日0時開始，前饋串級控制方案投運后12 h內(nèi)炭黑溫度數(shù)據(jù)記錄見表2所列。

表2 前饋串級投運炭黑溫度數(shù)據(jù)記錄

續(xù) 表 2

注： 1) 以TE-5213控制溫度118 ℃為基準統(tǒng)計偏差，其中前饋串級投運后最大偏差溫度9 ℃，動態(tài)誤差±8%。

通過分析以上前饋串級投運前后的溫度控制誤差，投運后溫度誤差明顯可控制在±10%內(nèi)，前饋串級炭黑溫度控制調(diào)節(jié)精度相當好。投運前后炭黑溫度的疊加趨勢比較分別如圖4、圖5所示，投運后溫度波動幅度收斂明顯。

圖4 前饋串級投運前炭黑溫度TE-5213趨勢

圖5 前饋串級投運后炭黑溫度TE-5213趨勢

通過圖4和圖5基本上能夠明確，滾筒干燥機出口炭黑溫度在前饋串級控制下，溫度控制精度得到了大幅度的提升，且在聯(lián)鎖控制方案上也實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

滾筒干燥機出口炭黑溫度的有效控制是炭黑行業(yè)自動化程度提高的必要進程，前饋串級溫度控制投運的作用巨大： 減少了操作人員勞動強度、實現(xiàn)了尾氣流量節(jié)能降耗、減少了炭黑粒子溫度的超調(diào)、降低了細粉含量、延長了設(shè)備的使用壽命、降低了回流炭黑的量，起到降本增效的作用。