鐘彥達(dá)

(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(tài)物料[1]，常作為制備合成氣的原料，由于中國(guó)豐富的煤炭資源，近年來(lái)國(guó)內(nèi)水煤漿氣化技術(shù)已達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平[2]。為保證水煤漿物料的穩(wěn)定性和流動(dòng)性，需要在制漿過(guò)程中加入合適的添加劑，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐探索研究，已有幾種性價(jià)比較高的添加劑作為常規(guī)添加劑應(yīng)用于各個(gè)水煤漿制備裝置[3]。為減少裝運(yùn)頻率，工廠采購(gòu)高濃度添加劑原料儲(chǔ)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(guò)程中，大部分工廠目前仍采用人工控制的方法，即通過(guò)操作臺(tái)遠(yuǎn)程人工操作啟停泵或開(kāi)關(guān)閥門(mén)，在儲(chǔ)罐中按比例將母液稀釋至要求濃度待用。

目前，各個(gè)領(lǐng)域都在探索人工過(guò)程自動(dòng)化的實(shí)施方法[4-5]。在水煤漿添加劑的工廠配劑過(guò)程中，為提高工作效率及降低人工操作引起的偏差，依據(jù)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(dòng)配劑方案，以實(shí)現(xiàn)“一鍵配劑”的操作目標(biāo)。

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(guò)測(cè)量配劑罐的初始液位、添加劑目標(biāo)液位、最終液位，分步驟依次控制添加劑和水進(jìn)入配劑罐，以添加劑目標(biāo)液位作為添加劑終止進(jìn)入的信號(hào)，以最終液位作為水終止進(jìn)入的信號(hào)，完成進(jìn)料和進(jìn)水的自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程，以達(dá)到自動(dòng)配劑的目的；而基于流量控制的方案則是根據(jù)目標(biāo)液位與罐體容量，分別計(jì)算需要的添加劑和水的體積，依托于安裝在添加劑進(jìn)液管和進(jìn)水管上的流量計(jì)測(cè)量進(jìn)料和進(jìn)水的累積體積流量，通過(guò)與計(jì)算值作比對(duì)，在達(dá)到目標(biāo)值時(shí)關(guān)閉進(jìn)料和進(jìn)水模塊，完成配劑過(guò)程，簡(jiǎn)稱流量方案。

2 系統(tǒng)組成

添加劑配劑系統(tǒng)組成如圖1所示。配劑系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可基于DCS或PLC，其中圖1中虛線框中的4臺(tái)流量計(jì)對(duì)于液位方案不是必須的。

圖1 添加劑配劑系統(tǒng)組成示意

3 配劑流程

配劑流程說(shuō)明以在T02A罐中制備添加劑為例。設(shè)T01罐對(duì)應(yīng)0～100%液位體積V1，100%液位為ha，T02A與T02B罐對(duì)應(yīng)0～100%液位體積V2，100%液位為hb。T01罐現(xiàn)有剩余液位為h1，T02A罐現(xiàn)有剩余液位為h2，配劑結(jié)束T02A罐目標(biāo)液位為h3作為調(diào)節(jié)值，在人機(jī)操作界面上設(shè)置調(diào)整，添加劑母液與水按照1∶N的稀釋比例執(zhí)行。

配劑開(kāi)始前確認(rèn)攪拌器M01A處于停止?fàn)顟B(tài)，并且靜置一段時(shí)間，該操作的目的是避免攪拌器運(yùn)行引起的液位測(cè)量誤差。

3.1 初始化校驗(yàn)

為了避免配劑過(guò)程中出現(xiàn)缺液、滿液等異常狀態(tài)導(dǎo)致程序繼續(xù)執(zhí)行引起意外事故，配劑開(kāi)始前首先需要對(duì)以下幾個(gè)參數(shù)值進(jìn)行校驗(yàn)：

1)T02A，T02B罐均已結(jié)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(guò)程中投用會(huì)導(dǎo)致濃度不符合最終值。

3)攪拌器M01A停止運(yùn)行，減小液位測(cè)量誤差。

4)配劑目標(biāo)液位大于初始液位：h3>h2，輸入值校驗(yàn)，避免程序錯(cuò)誤。

5)配劑目標(biāo)液位小于允許最大液位hbmax：h3

6)P01A，P01B在遠(yuǎn)程狀態(tài)，保證配劑程序可以自動(dòng)遠(yuǎn)程運(yùn)行。

7)配劑結(jié)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(dāng)以上初始化條件均滿足時(shí)，系統(tǒng)允許進(jìn)入下一步。

3.2 配劑計(jì)算

校驗(yàn)結(jié)束后，下一步是根據(jù)已有參數(shù)計(jì)算需求值，液位方案需要計(jì)算T02A罐中母液添加目標(biāo)液位h4，流量方案則需要分別計(jì)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(jì)算

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

(2)

3.2.2流量方案計(jì)算

對(duì)于流量方案的計(jì)算，需要分別計(jì)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(jì)的積算值進(jìn)行比對(duì)。

V3計(jì)算如式(3)所示：

(3)

V4計(jì)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(yàn)和需求計(jì)算之后，開(kāi)始正式配劑流程，首先運(yùn)行泵P01A，開(kāi)始進(jìn)料，檢測(cè)T02A罐液位變化，當(dāng)液位達(dá)到h4時(shí)，發(fā)出停泵命令，停止泵P01A，結(jié)束添加劑進(jìn)料流程，同時(shí)打開(kāi)XV01A，開(kāi)始進(jìn)水，繼續(xù)監(jiān)控液位變化，當(dāng)液位達(dá)到h3時(shí)，關(guān)閉XV01A，完成進(jìn)水流程，至此整個(gè)配劑流程結(jié)束，可打開(kāi)攪拌器進(jìn)行混合。

流量方案中，配劑流程則分解為在T02A罐中同時(shí)開(kāi)始添加母液和新鮮水，母液和新鮮水分別達(dá)到各自目標(biāo)量，分別停止添加母液和新鮮水，配劑完成。

簡(jiǎn)單而言配劑流程就是通過(guò)比對(duì)母液和新鮮水的注入量判斷進(jìn)料泵的啟停和進(jìn)水閥的開(kāi)關(guān)，來(lái)完成整個(gè)配劑流程的自動(dòng)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(yīng)用

上述的添加劑流程及控制針對(duì)的是單一物料稀釋配劑流程，并且應(yīng)用于較大規(guī)模，精度要求不高的場(chǎng)合，適用于水煤漿添加劑配劑過(guò)程，并且已成功應(yīng)用，效果良好。以下介紹幾種流程及添加劑調(diào)整方案，以滿足不同工況要求下的應(yīng)用。

4.1 低成本高效率工況

考慮到低成本，選用設(shè)備較少的流程，并且在運(yùn)行情況許可的情況下使用獨(dú)立配劑罐，選用液位方案的配劑過(guò)程，為提高效率需要對(duì)進(jìn)料和進(jìn)水過(guò)程同步改進(jìn)。由于基礎(chǔ)液位方案中，計(jì)量進(jìn)水量的儀表只有液位計(jì)LT02A，是無(wú)法改變的，但是母液的計(jì)量?jī)x表則可由添加劑罐的液位計(jì)LT02A改為母液槽的液位計(jì)LT01，從而使母液的計(jì)量和新鮮水的計(jì)量獨(dú)立，不過(guò)采用這種同步方式需有一個(gè)前提，就是新鮮水的進(jìn)水流速需要小于添加劑母液進(jìn)料流速的N倍以下，以保證母液進(jìn)料會(huì)先于新鮮水進(jìn)料結(jié)束，這個(gè)要求可以利用進(jìn)料及進(jìn)水的管徑來(lái)控制。在這種條件下，可采取同步啟動(dòng)進(jìn)料及進(jìn)水流程，通過(guò)母液槽液位目標(biāo)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(jìn)料流程，不影響T02A罐最終目標(biāo)液位h3作為 XV01A關(guān)閥的判斷依據(jù)。h5的計(jì)算如式(5)所示：

(5)

經(jīng)過(guò)以上改進(jìn)，應(yīng)用設(shè)備、儀表均較少，成本較低，并且配劑流程由于同時(shí)進(jìn)行，用時(shí)也較少，適用于追求低成本高效率的應(yīng)用場(chǎng)景。

4.2 高精度工況

在有些工況中，對(duì)于配劑過(guò)程追求的是高精度，保證濃度的精準(zhǔn)性是第一要?jiǎng)?wù)[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(kāi)關(guān)閥關(guān)斷都需要一個(gè)過(guò)程，在停泵命令和關(guān)閥命令發(fā)出后仍會(huì)有一定量的母液和新鮮水進(jìn)入到T02A罐中，在一定程度上會(huì)引起濃度的偏差。這種情況下，一種方法是經(jīng)過(guò)幾次運(yùn)行后，從控制系統(tǒng)中得到停泵和關(guān)閥命令發(fā)出后的流量曲線，根據(jù)流量曲線計(jì)算出命令發(fā)出后到完全無(wú)流量時(shí)的進(jìn)料和進(jìn)水量，然后在每次計(jì)算需求量時(shí)相應(yīng)減去該延時(shí)帶來(lái)的進(jìn)料和進(jìn)水偏差量；另一種更高精度的方法是更換泵與閥門(mén)，將定頻泵更換為變頻泵，將開(kāi)關(guān)閥更換為調(diào)節(jié)閥，通過(guò)PID調(diào)節(jié)控制進(jìn)料和進(jìn)水量[9]，可以在接近目標(biāo)時(shí)逐步降低泵轉(zhuǎn)速和關(guān)小調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，最終使進(jìn)料和進(jìn)水量準(zhǔn)確控制在目標(biāo)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(shí)的耗時(shí)和精度偏差都會(huì)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(yīng)用僅需在基礎(chǔ)方案上根據(jù)原料數(shù)量增加新的進(jìn)料管，帶壓物料管線增加流量計(jì)和開(kāi)關(guān)閥，無(wú)壓物料管線增加泵及流量計(jì)，分別計(jì)算各個(gè)物料的進(jìn)料量，初始化校驗(yàn)完成后啟動(dòng)泵或者打開(kāi)閥門(mén)開(kāi)始進(jìn)料，待達(dá)到各自計(jì)算的進(jìn)料量時(shí)停泵或者關(guān)閉閥門(mén)，完成配劑。因此，多物料的配劑過(guò)程與兩種物料的配劑本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別，只是控制對(duì)象增加，根本控制方法沒(méi)有變化。

4.4 配劑同步使用工況

一般來(lái)說(shuō)，添加劑配劑過(guò)程和使用過(guò)程宜獨(dú)立進(jìn)行，如果由于裝置的特殊需求，如只配有一套配劑罐，無(wú)備用系統(tǒng)，需要配劑過(guò)程和加藥過(guò)程同步進(jìn)行[10]，考慮到對(duì)濃度的控制，則需要控制流量，在泵管線增加調(diào)節(jié)閥或可調(diào)流量型泵，將稀釋水管線開(kāi)關(guān)閥更換為調(diào)節(jié)閥，按照固定流量比例控制調(diào)節(jié)閥，保證進(jìn)料及進(jìn)水比例符合要求，同步攪拌器運(yùn)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(wú)法避免同步運(yùn)行時(shí)的濃度偏移。

5 方案對(duì)比

不同的流程添加劑配劑方案不同，實(shí)際應(yīng)用后也各有優(yōu)缺點(diǎn)。

對(duì)于液位方案，其優(yōu)點(diǎn)在于控制過(guò)程簡(jiǎn)單，過(guò)程計(jì)算較簡(jiǎn)潔，且所需儀表較少，無(wú)需配置流量計(jì)，相對(duì)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(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)的不足之處，改進(jìn)后的低成本高效率方案相比液位方案節(jié)約了時(shí)間，但由于計(jì)量?jī)x表獨(dú)立，不可避免會(huì)帶來(lái)誤差造成配劑精度降低的問(wèn)題。

對(duì)于流量方案，整體而言可以有效提高配劑精度，而且同步運(yùn)行的方式使配劑過(guò)程花費(fèi)時(shí)間較少，每次的進(jìn)料進(jìn)水量累積值較容易比對(duì)，在必要情況下手動(dòng)糾偏也較容易實(shí)施。然而，伴隨著以上優(yōu)點(diǎn)，無(wú)疑需要更大的成本投入，需要增加流量計(jì)的使用及控制系統(tǒng)的容量，而高精度方案則以流量方案為根基，優(yōu)化了進(jìn)料控制設(shè)備，可以使配劑精度達(dá)到較高水平，但同時(shí)使成本大幅上升。

多物料方案只是基礎(chǔ)方案的擴(kuò)展，根據(jù)工況要求進(jìn)行的變化，同時(shí)也可以根據(jù)成本和精度需求進(jìn)行其他方面的調(diào)整。同步使用方案則是條件限制下的選擇，精度較低，唯一優(yōu)點(diǎn)是在較低成本的基礎(chǔ)上可以不間斷連續(xù)使用配劑成品。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，各個(gè)工廠都在尋求以更少的人力保證裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的方法，自動(dòng)配劑能有效降低內(nèi)操人員的操作頻率，減少人為引起的偏差。并且該系統(tǒng)簡(jiǎn)單的原理和結(jié)構(gòu)也使其可以適用于其他類似應(yīng)用場(chǎng)景。

不同的控制方案均有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，液位方案成本低，配置簡(jiǎn)單但精度相對(duì)較低，而流量方案在滿足高精度的同時(shí)不可避免導(dǎo)致了成本的增加。合理的根據(jù)項(xiàng)目需求及工藝要求選擇合適的控制策略及改進(jìn)方案，是工程經(jīng)濟(jì)性和可靠性兼具的保證[11]。