郭 凱，陸繼波，羅揚(yáng)雄，王焰?zhèn)?，閔亞光*

(1昆明克林輕工機(jī)械有限責(zé)任公司，云南昆明650102；2孟連昌裕糖業(yè)有限責(zé)任公司，云南孟連665800)

0 引言

均衡穩(wěn)定生產(chǎn)對(duì)甘蔗制糖來說至關(guān)重要，這不僅是因?yàn)楦收嶂幕瘜W(xué)處理需要保持物料的均衡流動(dòng)，而且穩(wěn)定的甘蔗入料也是保證產(chǎn)汽發(fā)電和水電汽平衡的基礎(chǔ)，同時(shí)可以減緩生產(chǎn)過程動(dòng)力消耗的負(fù)荷波動(dòng)。實(shí)現(xiàn)甘蔗制糖均衡生產(chǎn)的第一要素是甘蔗的均勻入榨；第二要素是生產(chǎn)過程各關(guān)鍵控制點(diǎn)的流量穩(wěn)定。

均勻進(jìn)榨有2種理念，一是像國內(nèi)糖廠普遍采用的基于核子秤信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)入蔗帶速度，以保證進(jìn)入第一座榨機(jī)甘蔗的平均重量基本恒定。核子秤調(diào)節(jié)了入蔗帶速度，為保持高位槽的穩(wěn)定料位，料位計(jì)只能調(diào)節(jié)本座榨機(jī)的轉(zhuǎn)速。另一種是國外糖廠普遍采用的以高位槽料位計(jì)前饋調(diào)節(jié)入蔗帶速度，第一座榨機(jī)不再調(diào)速，設(shè)定一個(gè)恒定轉(zhuǎn)速。在很長的一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)速以及恒定的高位槽料位對(duì)應(yīng)了一個(gè)恒定的榨量，而且恒定榨機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的榨量不再是甘蔗的重量，而是其中纖維分的處理量。

1 基于核子秤信號(hào)的均勻進(jìn)榨控制理念

國內(nèi)甘蔗糖廠采用核子秤自動(dòng)調(diào)節(jié)一二級(jí)入蔗帶的速度起源于20年前，至今仍作為糖廠均勻進(jìn)榨的控制方式。在開發(fā)核子秤應(yīng)用的初期，國內(nèi)還沒有引入榨機(jī)高位槽以及利用高位槽料位作為預(yù)處理和壓榨工段的控制參數(shù)起點(diǎn)；另是因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒有引入DCS控制手段，僅用核子秤無法實(shí)現(xiàn)預(yù)處理和壓榨全工段的集成控制。在相當(dāng)長的一段時(shí)間里，核子秤對(duì)于糖廠均衡穩(wěn)定生產(chǎn)起了很大作用。

近10年來，國內(nèi)糖廠的甘蔗壓榨工段相繼采用了高位槽和DCS控制。但由于長期的固化思維，核子秤仍然作為單獨(dú)的均勻進(jìn)榨，自成系統(tǒng)，獨(dú)立控制預(yù)處理工段；而高位槽料位控制榨機(jī)轉(zhuǎn)速則作為DCS控制的起點(diǎn)，獨(dú)立控制壓榨機(jī)列。大多數(shù)糖廠2個(gè)控制系統(tǒng)并行，互不接口，或接口數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或不兼容，而且2個(gè)自控系統(tǒng)往往是由不同公司提供，較難協(xié)作或維護(hù)，具體體現(xiàn)如下：

其一，核子秤控制了一二級(jí)入蔗帶速度，但入蔗帶本身的電流和上面刀機(jī)的電流信號(hào)是需要壓榨工段的DCS監(jiān)控、保護(hù)或連鎖。于是核子秤追求的是榨量穩(wěn)定，DCS要控制負(fù)荷及連鎖，整個(gè)控制系統(tǒng)并不順暢，需要人工在2個(gè)控制系統(tǒng)之間頻繁照顧和操作。

其二，以核子秤信號(hào)送進(jìn)壓榨機(jī)的是累計(jì)平均甘蔗重量，為保證甘蔗平均重量恒定，一二級(jí)入蔗帶必須處在頻繁調(diào)速中，則進(jìn)入第一座高位槽的甘蔗量也是波動(dòng)的。為保證高位槽的恒定料位，料位計(jì)也必須頻繁調(diào)節(jié)第一座榨機(jī)的轉(zhuǎn)速，于是第一座榨機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)荷一直處在較大的波動(dòng)中。由于入榨甘蔗的波動(dòng)和第一座榨機(jī)的負(fù)荷波動(dòng)，在隨后的幾座榨機(jī)也采用高位槽料位調(diào)節(jié)本座榨機(jī)轉(zhuǎn)速的控制邏輯中，也就不可避免的發(fā)生較大的負(fù)荷波動(dòng)。

其三，以核子秤信號(hào)送入的甘蔗是平均重量，而榨機(jī)的壓榨能力和負(fù)荷是與纖維分含量相關(guān)，纖維分含量的變化導(dǎo)致榨機(jī)處理同等重量的甘蔗其負(fù)荷和轉(zhuǎn)速是不同的。即使人工下蔗的水平很高，或核子秤信號(hào)送入的甘蔗重量能盡量保持平穩(wěn)，但來自于每個(gè)地塊的每車甘蔗纖維分的變化仍會(huì)導(dǎo)致壓榨機(jī)入榨能力和負(fù)荷的變化，所以壓榨機(jī)頻繁調(diào)速在所難免。

綜上，以核子秤信號(hào)作為預(yù)處理工段均勻入榨控制的起點(diǎn)，雖然起到了穩(wěn)定生產(chǎn)的作用，但卻帶來了榨機(jī)列的頻繁調(diào)速和較大負(fù)荷波動(dòng)。

2 基于高位槽料位信號(hào)的均勻進(jìn)榨控制理念

國外糖廠的預(yù)處理壓榨工段很早就采用了DCS控制系統(tǒng)，從開發(fā)和使用之初就沒有核子秤或皮帶秤之類的基于甘蔗重量的均勻進(jìn)榨理念，而是全部采用第一座榨機(jī)高位槽料位前饋調(diào)節(jié)帶速，并順級(jí)按比例前調(diào)。預(yù)處理和壓榨工段采用整體集成控制，一套DCS系統(tǒng)。由于高位槽料位信號(hào)用于調(diào)節(jié)前面入蔗帶速度，則第一座榨機(jī)不必調(diào)速，設(shè)定一個(gè)恒定轉(zhuǎn)速。在高位槽保持料位的前提下，榨機(jī)的每一個(gè)恒定轉(zhuǎn)速就代表一個(gè)榨量，經(jīng)過短時(shí)摸索，比如電機(jī)設(shè)定500 r/min代表榨量300 t/h，510 r/min代表榨量320 t/h，以此類推。

值得關(guān)注的是，測試是在很低的SHR條件下（重量比1.02）進(jìn)行，一般情況下會(huì)限制催化劑的活性和選擇性。因此，預(yù)期測試中副產(chǎn)物生成量會(huì)升高，同時(shí)為了保持恒定的轉(zhuǎn)化率需要高更高的入口溫度。

其一，保持高位槽的穩(wěn)定料位，維持第一座榨機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)恒定，此時(shí)通過榨機(jī)的纖維量恒定，入榨的甘蔗重量隨纖維分的變化略有波動(dòng)，但榨機(jī)能力的標(biāo)志就是處理甘蔗纖維的能力，因此恒定的榨機(jī)轉(zhuǎn)速其負(fù)荷最為穩(wěn)定，而且可以根據(jù)電流負(fù)荷情況有效調(diào)整或提高當(dāng)前榨量。

其二，后幾座榨機(jī)仍然用高位槽料位調(diào)節(jié)本座榨機(jī)，但由于通過各座榨機(jī)的纖維分是恒定的，所以各座榨機(jī)都保持了很小的調(diào)速范圍，負(fù)荷波動(dòng)也隨之減小，這也是纖維分恒定的優(yōu)點(diǎn)。

其三，第一座高位槽料位調(diào)節(jié)前面帶速，高位槽信號(hào)作為整體DCS控制的起點(diǎn)，將預(yù)處理和壓榨工段集成控制，方便了設(shè)備的操作、監(jiān)控、連鎖和維護(hù)。

綜上，在沒有核子秤或皮帶秤參與控制的情況下，采用高位槽設(shè)定的穩(wěn)定料位作為DCS集成控制的基礎(chǔ)，不僅操作更為簡化、控制系統(tǒng)流暢，也節(jié)省了投資和維護(hù)成本。當(dāng)然，在現(xiàn)有核子秤已經(jīng)使用的糖廠，可以試著轉(zhuǎn)換控制邏輯，以核子秤的榨量信號(hào)僅作為重量累計(jì)或第一座榨機(jī)恒轉(zhuǎn)速設(shè)定的參考。廣西貴糖集團(tuán)是國內(nèi)第一家引入高位槽的應(yīng)用并采用上述纖維分恒定的DCS控制理念，其效果是：榨機(jī)負(fù)荷明顯平穩(wěn)，有效提高了榨量和抽出率，而且蔗渣水分穩(wěn)定[1]。當(dāng)時(shí)也曾購入了一臺(tái)核子秤，但僅作為榨量累計(jì)和榨機(jī)恒轉(zhuǎn)速設(shè)定的參照，不參與系統(tǒng)控制，也起到了有益的作用。

3 榨機(jī)恒轉(zhuǎn)速的初步試驗(yàn)

對(duì)于第一座榨機(jī)采用恒定轉(zhuǎn)速的控制理念我們?cè)谔菑S做了一個(gè)簡單試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)糖廠的第 1至第 5座榨機(jī)的負(fù)荷波動(dòng)非常大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流在950 A保護(hù)上限之內(nèi)以超過200 A的范圍快速跳躍。查找原因，部分是由于核子秤均勻進(jìn)榨控制方式導(dǎo)致DCS系統(tǒng)頻繁以高位槽料位調(diào)節(jié)第一座榨機(jī)的轉(zhuǎn)速，并幅度在450～600 r/min之間。也就是預(yù)處理工段實(shí)現(xiàn)了均勻進(jìn)榨，但卻是以榨機(jī)的負(fù)荷產(chǎn)生較大波動(dòng)為代價(jià)。我們?cè)囼?yàn)暫停了第一座榨機(jī)的調(diào)速，從DCS上固定了一個(gè)恒定轉(zhuǎn)速，維持了一段時(shí)間，觀察第一座和各座榨機(jī)的負(fù)荷，發(fā)現(xiàn)電流的波動(dòng)比較明顯的減緩。此時(shí)核子秤的均勻進(jìn)榨控制并沒有停止，高位槽的料位因不再指導(dǎo)榨機(jī)調(diào)速而上下波動(dòng)，如果能夠進(jìn)入核子秤和DCS系統(tǒng)改變?cè)O(shè)置，用高位槽料位調(diào)節(jié)前面的帶速并保持本身穩(wěn)定的料位，實(shí)現(xiàn)榨機(jī)轉(zhuǎn)速恒定及纖維分恒定的進(jìn)榨方式，其效果會(huì)更好。

4 流體的恒液位控制邏輯

近幾年，很多糖廠采用了全生產(chǎn)線或澄清蒸發(fā)工段的DCS控制系統(tǒng)，其中最主要的控制目標(biāo)就是各物料箱罐的液位自控。對(duì)于大多數(shù)箱體采用液位控制無非就是保證出口泵機(jī)不會(huì)抽空，保護(hù)了泵機(jī)的葉片減少磨損，或防止箱內(nèi)物料冒罐。采用液位計(jì)恒定液面屬于恒液位控制邏輯，這對(duì)于大多數(shù)小箱罐防止抽空和冒罐是正確的。圖1是這種控制邏輯的 P&ID簡圖，液位計(jì)的設(shè)定值調(diào)節(jié)泵機(jī)出口控制閥，或調(diào)節(jié)泵機(jī)的變頻器，保證了箱體內(nèi)液位的恒定。

圖1 箱體恒液位控制的P&ID示意圖

但這種恒液位控制不應(yīng)該是液位自控的全部初衷，因?yàn)橐何辉谙涔迌?nèi)的穩(wěn)定就意味著流體輸送的波動(dòng)，畢竟糖廠運(yùn)行的物料一直處在波動(dòng)之中。在沒有自控的糖廠中，箱體泵機(jī)后的出口手動(dòng)閥門基本不做調(diào)節(jié)，保持一個(gè)合適的開度，讓箱體液位上下浮動(dòng)，反而保證了流體的穩(wěn)定輸送。有些關(guān)鍵點(diǎn)的箱罐容積做的很大，其目的就在于用箱罐內(nèi)液位的波動(dòng)換取流體輸送的穩(wěn)定。

我們考察了很多上了DCS控制的糖廠，無論是新建還是老廠，千篇一律地將所有箱罐都做了恒液位控制，而且箱體又做的很大，失去了本來的意義。對(duì)一些關(guān)鍵點(diǎn)的大箱罐，如果全部采用恒液位控制，其自控的效果還不如手動(dòng)操作。

5 流體的恒流量控制邏輯

另一種液位控制邏輯是采用恒流量控制，在箱體出汁管路上安裝一個(gè)流量計(jì)，設(shè)一個(gè)與當(dāng)前榨量匹配的初始流量，然后用流量計(jì)的設(shè)定值控制出口調(diào)節(jié)閥或泵機(jī)變頻器，保證一個(gè)恒定的出汁流量。恒流量出汁則意味著液位在箱罐內(nèi)會(huì)隨著來料量的變化上下竄動(dòng)，但卻保證了出汁流量的穩(wěn)定，是真正意義的液位控制理念，也體現(xiàn)了大箱罐作為流量緩沖的最原始意義。

在恒流量控制的情況下，箱體液位的上下浮動(dòng)達(dá)到一個(gè)液位計(jì)信號(hào)的限點(diǎn)HH或LL，控制程序會(huì)使流量計(jì)自動(dòng)增加或減少一個(gè)比例，緩慢修正恒流量對(duì)應(yīng)當(dāng)前的榨量。箱體越大，緩沖能力越強(qiáng)，恒流量保持的時(shí)間就越長，即使自動(dòng)調(diào)節(jié)流量的增減，也會(huì)非常緩慢，調(diào)節(jié)后又會(huì)在很長一段時(shí)間內(nèi)保持恒流量。圖2是這種恒流量控制的P&ID簡圖，以流量計(jì)的設(shè)定值為基本控制參數(shù)，液位計(jì)作為流量計(jì)二次修正調(diào)節(jié)參數(shù)。

圖2 箱體恒流量控制的P&ID示意圖

恒流量控制在某些關(guān)鍵點(diǎn)是完全必要的，糖廠的混合汁箱、中和汁箱、清汁箱就應(yīng)該采用恒流量的控制邏輯，而且這些箱體都比較大，控制效果會(huì)更好。一般來說，所有參與化學(xué)反應(yīng)、加熱、蒸發(fā)、沉降和上浮等需要控制工藝指標(biāo)的物料都需要采用這種恒流量控制方式。

混合汁需要泵去加熱器，需要控制準(zhǔn)確的溫度，尤其隨后進(jìn)入硫熏中和操作，穩(wěn)定的流量才能有效控制硫熏強(qiáng)度和加灰后的化學(xué)反應(yīng)。

中和汁也需要加熱，并且對(duì)溫度的要求更嚴(yán)格，而隨后進(jìn)入沉降器更需要一個(gè)穩(wěn)定的流量。沉降器操作的要素之一就是入料穩(wěn)定。在澳大利亞SRI開發(fā)的快沉器的設(shè)計(jì)文件中，明確指出了進(jìn)入沉降器的流體波動(dòng)范圍每分鐘不能超過4%，而且要求必須采用恒流量的控制模式。

清汁進(jìn)入蒸發(fā)，參與汽液兩相的熱交換和全廠用汽平衡，如果入料波動(dòng)大，不僅難以控制糖漿的錘度，對(duì)加熱和煮糖用汽以及全廠的熱平衡均產(chǎn)生不利的影響。因此，清汁的恒流量控制尤為重要。更進(jìn)一步，清汁的恒流量需要控制蒸發(fā)末效糖漿的錘度，并且還有緊急補(bǔ)水的控制功能，有報(bào)道[2]曾詳細(xì)介紹了這種清汁參與蒸發(fā)系統(tǒng)集成控制的邏輯。

其它關(guān)鍵點(diǎn)還包括濾汁小快沉、糖漿上浮或糖漿硫熏等等，都應(yīng)該采用恒流量的控制理念。

6 結(jié)語

甘蔗糖廠的均勻進(jìn)榨和物料流體的均衡輸送是保證糖廠穩(wěn)定生產(chǎn)和優(yōu)化指標(biāo)的2大要素。在采用DCS自控的情況下，正確的控制邏輯能使自控系統(tǒng)發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢。

采用核子秤自控系統(tǒng)的均勻進(jìn)榨是中國獨(dú)有的技術(shù)手段，起源于DCS系統(tǒng)普及之前。在當(dāng)前DCS已經(jīng)普遍應(yīng)用的情況下，我們應(yīng)該了解與之相對(duì)應(yīng)的控制理念。本文介紹的基于高位槽料位信號(hào)的均勻進(jìn)榨控制理念也許不適合所有已經(jīng)采用 DCS控制的糖廠，但值得一試。

對(duì)于制煉間的某些關(guān)鍵點(diǎn)的流體控制，如果全部采用液位恒定控制邏輯，除了起到保護(hù)泵機(jī)和防止冒罐的作用，對(duì)工藝過程弊大于利。而恒流量的控制對(duì)2方面的需求都能滿足，只是增加幾個(gè)流量計(jì)而已，更應(yīng)該提倡。