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东北大学硕士学位论文摘要 沉降槽控制系统的研究 摘要 随着山东铝业公司十五规划的实施，2 0 0 5 年回转窑生产能力将增加至 8 0 万吨年，现在烧结法氧化铝设计产能5 0 万吨年，目前赤泥、分离洗涤系 统处理现有液量已经比较困难，届时将无法达产。因此，对氧化铝厂赤泥分离、 洗涤系统进行技术改造成为山东锚业公司的当务之急。由丁老企业场地紧张、 设备陈旧，已很难通过简单的增加设备数量来扩大规模，降低成本，因此，只 能在原有沉降槽位置拆除原老槽后重新配置新建沉降槽。在多方论证的基础 卜，山东铝业公司于2 0 0 1 年1 2 月与美国e m i c 0 公司签订了引进八台高效沉降 槽的合同，将它们融入原有回转窑生产流程中，由于e m i c 0 公司只提供沉降槽 本体设备，同时对整个流程的测摔提出参考意见，因此对于白控来说有一定难 度，但同时也提出了课题。 本文针对高效沉降槽控制系统的组成及特点，首先分析了电磁流量、微波 物位及y 射线密度仪的皋本测量原理，阐述了相关的单回路控制系统、p l c 控 制技术及d c s 控制技术的基本框架，介绍了控制器的选定方法，其次，结合硅 渣分离沉降槽、赤泥洗涤沉降槽和赤泥分离沉降槽的工艺特点，分别详细介绍 了其不同的检测控制原理及控制模型的建立过程，然后，从d c s 系统软件安装、 编制到硬件配置等多个角度介绍了实现上述三种控制模型的主要过程，最后， 结合该工程现场投运情况，介绍了对整个工岂过程的改造，相关检测参数的变 更，同时针对现场试车、软件调试过程中出现的各种情况，分别对电机、阀门 等电气设备以及自控p i d 调节回路编程方法提出了自己的改进意见，这些心得 对今后实现计算机d c s 控制有一定的借鉴意义。 高效沉降槽由投运至今已有近半年时间，目前整个系统运行状况良好， 由于其高效的浓缩效率，山东铝业公司已准备将原有用于赤泥浓缩的赤泥过滤 机工序去掉，这将大大减少生产成本，同时由于这是国内第一次将高效沉降槽 用于回转窑工艺生产氧化铝工岂，因此本t 程的投运也为同类企业优化设备， 简化流程提供了宝贵经验。 关键词：高效沉降槽分离沉降槽洗涤沉降槽赤泥硅渣d c s i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho i lt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h i c k e i l e r s a b s t r a c t w 洫t h ea c t u a l i z a t i o no fs a l c o st h e1 0 t hf i v ey e a r sp l a n ，i t sr o t a r yk i l n s c a p a c i t y w i l le x p a n dt o8 0 0t h o u s a n dt yt i l l2 0 0 5 b u to u re x i t i n gw a s h i n ga n d s e p a r a t i n ge q u i p m e n t sa r en o tf i te v e nf o rc a p a c i t yo f5 0 0t h o u s a n dt y , s oi ti sau r g e n t t a s kf o rs a l c ot or e f o r mt h e s ee q u i p m e n t s b e c a u s es a l c o so l d - p l a n t - f e a t u r e s ，i ti s i m p o s s i b l et oi n c r e a s ec a p a c i t ya n dd e c r e a s ec o s to n l yb ya d d i n ge q u i p m e n t s a f t e r s e v e r a lt i m e sa r g u m e n t a t i o n s ，s a l c os i g n e dac o n t r a c tw i t he m i c o ，a r ta m e r i c a l c o m p a n y , t oi m p o r t8t h i c k e n e r sf r o me m i c oa u s t r a l i ab r a n c hf o rt h er o t a r yk i l n p r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ec o n t r a c t ，e m i c oo n l ys u p p l yt h et h i c k e n e rb o d y , s a l c o w i l ls u p p l yt h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do ne m i c o ss u g g e s t i o n ，s ot h e r ea r eal o to f d i f f i c u l t i e s ，b u ta ts a m et i m ei tb r i n gf o r w a r ds u b j e c t c o n s i d e r i n gt h ec o n s t i t u t e a n do w nf e a t u r e so fh i g hr a t et h i c k e n e r sc o n t r o l s y s t e m ，t h ea u t h o rf i r s ta n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o - m a g n e t i cf l o w 、m i c r o w a v e l e v e la n dyr a yd e n s i t ym e t e r , e x p l a i n e dt h eb a s i cf r a m e w o r ko fs i n g l el o o pc o n t r o l ， p l ca n dd c sc o n t r o lt e c h n o l o g y , i n t r o d u c e dt h es e l e c t i n gm e t h o d so fd i f f e r e n t c o n t r o l l e r s e c o n d l y , c o m b i n i n gw i t h e a c hp r o c e s sf c a t u r eo fw h i t em u ds e p a r a t e t h i c k e n e r , r e dm u ds e p a r a t ea n dw a s ht h i c k e n e r , i n t r o d u c e dt h e i rd i f f e r e n tm e a s u r i n g p r i n c i p l e s a n dc o n t r o lm o d u l e ss e t u pp r o c e s s e si nd e t a i l t h i r d l y , f r o mh a r d w a r e c o n f i g u r a t i o nt os o i h a r ep r o g r a m ，i n t r o d u c e dt h ec o m p l e t ep r o c e d u r eo ft h et h r e e c o n t r o lm o d u l e s a tl a s t ，c o m b i n i n gw i t ht h ec o m m i s s i o n i n gp r o c e s so ns i t e ，t h ea u t h o r i n t r o d u c e dt h ec h a n g eo fp r o c e s sa n dm e a s u r i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec o m p l e xs i t e s i t u a t i o n ，t h ea u t h o rm a i n l yi n t r o d u c eh i so w nt a s t ea n ds u g g e s t i o no ns o f t w a r er e v i s i o n a b o u th o wt oc o n t r o lm o t o r , v a l v ea n dp i d l o o p ，a n dt h i sc a nb eag o o de x p e r i e n c ef o r t h eo t h e rp r o j e c t sc o n t r o l l e db yd c s s y s t e m t i l ln o w , t h eh i 曲r a t et h i c k e n e rh a sb e e np u ti n t ou s ef o ra b o u ts i xm o n t h s ，a n da l l t h ee q m p m e n t sm a dc o n t r o ls y s t e mr u n n i n gw e l l b e c a u s et h i ss y s t e m sh i g hr a t ea n d s t a b i l i t y , s a l c op l a nt oc u tt h er e dm u df i l t e rw h i c hi su s e df o rc o n c e n t r a t i n gt h er e d m u ds l u r r yn e x ts t e p b yt h i s ，t h ep r o d u c ec o s tw i l lb el a r g e l yd e c r e a s e d ，a n da st h i si s 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef i r s tt i m ei nc h i n at ou s eh i g hr a t et h i c k e n e rf o rt h ea l u m i n ap r o d u c t i o nw i t hr o t a r y k i l np r o c e s s ，t h i sp r o j e c t ss n c c e s sa l s os u p p l yal o to fg o o de x p e r i e n c et ot h eo t h e r a l u m i n ap l a n t sw i t hs a m ep r o c e s s k e yw o r d s ：h i g hr a t et h i c k e n e r , s e p a r a t et h i c k e n e r , w a s ht h i c k e n e r , r e dm u d ， w h i t em u d ，d c s 声明 本人声明所呈交的学位论文是在刘树英导师的指导下进行的。论 文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。对与我一同工作的同志给予的帮助在论文中已做明确说明并表 示谢意。 本人签名：彰 日期：7 ；占，弼 东托尢学硕士荦位论文 第一章绪论 第一章绪论 l 。l 研究背景与意义 随着山农铝业公司十一五规划的实施，2 0 0 5 年氧化铝生产能力将增加至8 0 万吨，年，现在烧结法氧化铝设计产能5 0 万吨，年，目前赤泥分离洗涤系统处理 现存波量已经毙较姻难，屡曩寸烬无法迭产。因瑟，鼹氧诧镊厂赤涯分离、洗涤系 统进行技术泼造成为山东铝业公司的当务之怂。由于老企业场地紧张、设备陈旧， 已穰滚通过简单豹增蕊设备数蟹来扩大窥模，来障低成本，困魏，只黥在原肖沉 降槽位置拆除原老槽后，重新配嚣新建沉降横。在多方论证的纂础上，l h 铝予 2 0 0 1 年1 2 月与美阐e m i c o 公司签订了引逊八台商效沉降槽的合同，将它们融 入原鸯氧化锻生产滚程中，出予e m i c o 公霹只提供滠降糟本体设冬，遐瓣砖整 个流稷的测控提出参考意见，因此对于自控来说有一定难度，但同时也提出了研 究漂避。获整个叠控仪表设计静角度漤发，缩台重点仅表设备及计算机、p l c 自控系统的选择、编程和现场施工情况，提出了一套完整控制的方案，保证7 工 程顺利投运。这一举措将对氧化铝生产起着蘸大意义。 1 1 1 生产发展、工艺突破和节畿降耗的需要 2 0 0 0 年公司采甭烧绥法，氧亿锫产量为6 0 万魄，2 0 0 1 年计翔5 8 万吨，年， 实际6 2 力- 吨。现蠢赤泥、分离洗涤系统处理液量能力已经达到饱和，根据山东 铝业公司十五规划，2 0 0 5 年烧结法氧化铝生产能力将增加至8 0 万吨年，现有 黪赤滋分离、洗涤系统已不能瀵足生产鳇要求，隧产量熬不叛提舞滚璧增大，分 离、洗涤沉降槽溢流跑浑时有发生，严重影响工艺操作及下面工序的正常生产， 蕊有泰泥分离、洗涤系统必需热醴改浚。 本工程用了先进的商效沉降槽，其底流液固比l s 霹大大缩小，丽垦藏山 东铝厂分离洗涤沉降槽的底流液固比l s 为5 8 8 3 ，单台产能低，采用高效沉 降撼嚣熬产熊可大大提塞；嗣时由于惑效潺终摇匏产戆提态及疯滤滚爨毙小，宠 全可以取代现有的赤泥分离过滤机。 琰有赤溅洗涤沉释系统为两组并联系统：j 单层的6 台q ，1 6 m 沉降槽与分 离沉降槽区的两个毋1 2 m 沉降横串联组成一个洗涤系统；4 个鳓o m 沉降槽与3 个币1 8 m 沉降槽串联组成茄一个洗涤系统。由于原有设备落后加之槽型种类多， 绘氧俄铝生产工艺姆寒诸多不馒。 本工程改造引进中1 5 m 1 2 m 高教沉降槽系统厢，可取代原有的两组赤沉洗 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 涤系统，从而简化了工艺流程，显著降低了运行和检修费用，易于实现自动化， 从而大幅度降低了能耗和生产成本。 1 1 2 提高装备水平和自动化水平的需要 从设备状况看，由于使用年代已久，建厂投用后一直无大的改造，槽底及槽 盖均腐蚀严重，构成很大的安全隐患；此外沉降槽种类多，不是太小就是结构尺 寸不匹配，给工艺操作带来诸多困难。因此，为了节能增效，消除各种隐患，淘 汰更新设备，提高装备水平乃当务之急。 沉降槽工序是许多冶炼行业尤其是铝行业生产的常用环节，目前山东业公司 使用的沉降槽其缺点在于分离时间长，二次反应严重，工艺波动大，进而导致自 动控制难以实现，只能简单监测絮凝剂流量等个别工艺参数，国内部分氧化铝厂 曾尝试过利用袋滤机、压滤机等进行赤泥快速分离，但效果均不理想，近几年来， 国内几大铝厂如广西苹果铝厂、贵i t 铝厂等先后引进了在氧化铝工艺发达国家， 如澳大利亚、加拿大等，目前广泛使用的大型高效沉降槽，并辅之以先进的自控 仪表系统，取得了较好的效果，由于山东铝业公司生产工艺与上述国内外铝厂生 产工艺完全不同，又是第一次将该类沉降槽应用于国内烧结法氧化铝生产中，一 旦应用成功，将为山东铝业公司其它沉降槽工艺过程自动化乃至国内其它类似工 艺流程的自动化方面提供一定的借鉴经验。 1 2 国内外发展趋势 赤泥浆液属于悬浮液，悬浮液的分离过程，大致可分为沉降法、过滤法及离 心分离法。利用重力作用而进行液固分离的操作为重力沉降；利用液体能通过过 滤介质而固体颗粒不能穿过过滤介质的性质进行分离的操作称为过滤；利用离心 力作用进行液固分离的操作称为离心分离，其中包括离心沉降及离心过滤。 实现烧结法赤泥快速分离的想法由来已久。国内有关氧化铝厂曾进行了过滤 及离心分离的探索，比较有代表性的有沉降过滤器、高速重力离心机、厢式压滤 机、加压过滤机及水平带式过滤机等，山东铝业公司就曾使用过水平带式过滤机 和袋滤机进行过赤泥的快速分离试验。上述探索试验使熟料从入磨到离开分离沉 降槽的时间由原来的2 小时以上降低到o 5 小时左右，二次反应极小。但上述设 备在运转过程中均存在难以克服的缺点，如动力及滤布的消耗量太大、设备运转 率较低、间断生产、产能较低、受物料结疤的影响等，尽管二次反应损失较低， 但运行成本的不合理性限制了其广泛应用。上述几种过滤分离设备的主要特点简 述如下： ( 1 ) 沉降过滤器 八十年代，国内某厂就曾将沉降过滤器用于氧化铝生产， 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 虽能强制快速分离赤泥和取得较高的溶出指标，但动力及滤布消耗大、工艺流程 复杂、设备及操作人员多、更换滤布频繁、设备运转率低：岗位劳动强度大及操 作条件极差。后因高分子合成絮凝剂试验成功而被沉降槽淘汰。 ( 2 ) 高速重力离心机该设备虽然不用过滤介质，自动排泥，但由于物料 的易结疤而破坏动平衡，震动严重使运动部件很快被磨损。且单机产能较小，设 备的大型化问题也难以解决。 ( 3 ) 厢式压滤机厢式压滤机主要采用加压过滤的原理，集成卸饼、自动 冲洗装置，减轻了劳动强度，且其滤饼水份较低。其缺点为该机只能间断操作， 后续滤饼洗涤也较为麻烦。 ( 4 ) 自动压滤机国内某厂曾用该种设备处理烧结法浆液，二次反应损失 非常低，但工业化生产仍存在结疤、滤布使用周期太短、产能较低、更换滤布麻 烦等众多不利因素，因而限制了其推广应用。 ( 5 ) 水平真空带式过滤机水平带式过滤机具有产能高、过滤方式合理、 结构简单、自动化程度高等诸多优点，能够实现烧结法赤泥的快速分离与机多 次逆向沈涤，使二次反应基本上不发生，而且洗涤系统显著优化，有望实现工业 化生产，但目前仍处于试验阶段，国内尚无工业化应用的报道。 随着液固分离技术及新设备的开发成功，氧化铝生产将越来越多的采用更为 先进的技术和设备，但到目前为止，应用过滤及离心分离手段来实现真正意义上 的赤泥快速分离，仍在探索之中，要实现赤泥的快速过滤及离心分离等强制性分 离工业化在短期内还无法成行。 由此看来，采用沉降槽进行重力沉降实现赤泥分离仍是近期工艺改造的较好 选择，沉降分离技术随着高分子等高效絮凝剂等的开发应用，取得了长足进展。 目前世界上的几大铝业集团，如加拿大、美国和澳大利亚铝业集团仍采用这种方 法，生产这种高效沉降槽的厂家主要有美国e m i c o 和芬兰o u t k u m p u 等公司。 1 3 主要研究内容 由于e m i c o 公司只提供沉降槽本体设备，同时对整个流程的测控提出参考 意见，因此对于自控来说有一定难度，但同时也提出了课题。我将从整个自控仪 表设计的角度出发，结合重点仪表设备及计算机、儿c 自控系统的选择、编程 和现场施工情况，提出了一套完整的方案，保证了工程顺利投运。 由于铝矿浆的易结疤性和腐蚀性，有关流体的性质和料位、流量等参数均很 难准确测得，为此我主要选择电磁流量计配聚四氟乙烯内衬来测量流量，用y 射线密度计、微波料位计等非接触式仪表来检测流体性质和料位，在准确取得上 述信号的基础上，根据沉降槽工艺要求，我分别对三种槽型设计了三种不同的控 3 查些垄兰堡主兰堡垒圭 釜二主竺垒 制方案，主要是围绕絮凝剂添加和底流排放两个回路展开，控制系统方面选用和 利时公司的m a c s i i i 国产d c s 系统，经过对硬件的精心配置，各种相关部件的 布置，配以自己开发的下位控制程序和上位监控人机界面，最终完成了整个项目 的系统控制和全部设备调试过程，达到了预期的工艺指标。 东北大学硕士学位论文第二章沉降槽过程控制系统应用设计研究 第二章沉降槽过程控制系统应用设计研究 2 1 主要工艺方案 2 1 1 工艺流程简述 熟料经四车问湿磨粉磨溶出后，其分级机的溢流一一段溶出液进入分离沉 降槽进行沉降分离，分级机的返砂送二段温磨进行二段溶出，二段溶出液送 0 1 6 m 洗涤系统进行沈涤。分离沉降漕溢流进粗液槽送五车间脱硅，分离沉降漕 底流进q b l 5 m 高效洗涤系统用热水进行反向洗涤，一次沈液经调整槽去湿磨， 赤泥洗涤沉降槽术次底流( 赤泥) 去赤泥堆场和水泥厂，赤泥堆场的回水和蒸发 回水进入热水槽加热后去未级洗沉降槽。工艺流程示意图如下：( 见附图) 2 1 2 工艺探究 2 1 2 1 硅渣分离沉降槽 硅渣分离沉降槽基于表2 1 所示的正常运行数据进行选择： 表2 i砗渣分离沉降槽正常运行数据表 t a b2 1t h en o r m a ld a t at a b l eo f w h i t em u ds e p a r a t i o ns e t t l e r 沉降槽进料( m 3 h ) 7 3 6 沉降槽进干料吨数( t h ) 6 0 进料颗粒密度( t m 3 )2 6 进料料浆密度( 固体)6 4 最佳进料固体( w w ) 6 4 进料温度( ) 1 0 5 碱浓度n a 2 0 总计在2 5 时l 1 2 7 进料粒度p s 0 ( a m ) 8 0 预期沉降槽底密度( 固体) 4 0 4 2 沉降槽底流泵流量( m 3 h ) 9 6 沉降槽溢流量( m 3 h )6 4 6 沉降槽溢流澄清度( m g 1 ) 4 0 w w 的底流，该工艺对硅渣分离槽的要求是在进料密度 6 4 w w 的情况下，处理总计6 0 t h 的硅渣固体，则每个槽以3 0 f f h 的硅渣进料 速度运行。出e m i c o 公司在2 0 0 1 年5 月进行的关于硅渣固体的测试工作表明， e m i c o 单位面积o 1 6 5 m 2 t p d ( 吨每天) 的高密度沉降槽可沉降硅渣浓度到4 0 4 2 ，同时根据每个槽以3 0 t h 的硅渣进料速度运行，每槽截面积按式( 2 ，1 ) 计算。 s = a b c = 3 0 2 4 o 1 6 5 = 1 1 8 8 m 2 ( 2 1 ) 式中s 截面积m 2 ； 口进料速度讹； b 2 4 h ： c 单位面积沉降能力i n 2 t p d ( 吨每天) 。 由此计算出硅渣分离槽半径r 如下： 肚恪j 等黾”m ：， 考虑到已知数据均有余量，所以最终e m i c o 公司将硅渣分离槽直径定为 1 2 m 。 2 1 2 2 赤泥分离沉降槽 赤泥分离沉降槽基于表2 2 所示的正常运行数据进行选择。 表2 2 赤泥分离沉降槽正常运行数据表 t a b2 2t h en o r m a ld a t at a b l eo fr e dm u ds e p a r a t i o ns e t t l e r 沉降槽进料( m 3 h ) 9 8 8 沉降槽进干料吨数( t h ) 8 0 进料颗粒密度( t m 3 ) 2 9 进料料浆密度( 固体) 6 _ 3 最佳进料固体( w w )5 o 进料温度( )1 0 0 碱浓度n a 2 0 总计在2 5 * ( 2 时g l 1 2 6 进料粒度p s o ( i - t m l 1 5 0 预期沉降槽底密度( 固体) 2 5 2 7 沉降槽底流泵流量( m 3 h ) 2 0 0 沉降槽溢流量( m 3 h ) 7 8 6 沉降槽溢流澄清度( m 1 ) 1 5 0 1 5 0 预期沉降槽底密度( 固体) 4 0 4 2 4 3 4 5 沉降槽底流泵流量( m 3 h ) 1 9 0 1 8 0 沉降槽溢流量( m 3 h )8 3 0 5 5 05 5 0 沉降槽溢流澄清度( m g 1 ) 4 5 w w 的底流，该工艺对赤泥分离槽的要求是在进料密度1 0 1 5 w w 的情况下 处理总计1 2 0 t h 的赤泥固体，由于4 个槽是连续洗涤，所以认为每个槽以1 2 0 t h 的赤泥进料速度运行。 由e m i c o 公司在2 0 0 1 年5 月进行的关于赤泥固体的测试工作表明，e m i c o 单位面积o 0 6 m 2 t p d ( 吨每天) 的高密度沉降槽可保证l # 洗涤槽产生密度 4 0 w w 的底流，4 # 洗涤槽产生密度 4 5 w w 的底流，据此求得每槽截面积如 下( 式中符号同前) ： s = a x b c = 1 2 0 x 2 4 x 0 0 6 = 1 7 2 8 m 2 ( 2 5 ) 由此计算出硅渣分离槽半径尺如下： r = 挣等- 7 4 2 m ( 2 _ 6 ) 考虑已知数据余量，最终e m i c o 公司将赤泥洗涤槽直径定为1 5 m 。 2 2 沉降槽控制系统方案设计 沉降槽工程从澳大利亚共引进八台沉降槽，按照其功效及山东铝业公司现有 的操作流程和管理体制，其中两台硅渣沉降槽属于五车问，而两台赤泥分离沉降 槽和四台赤泥洗涤沉降槽属于四车间，两个车间的槽子的检测方式和控制方式要 求基本一致。考虑到山铝公司的实际自动化水平仍属于车间级，因此设计初步考 虑采用两套控制系统，以便于操作和管理。虽然五车间的工艺流程较简单，但由 于其单台槽子的控制要求也非常复杂，用常规仪表控制根本无法实现，且开关量 居多，因此设计决定采用小型p l c 来实现仪表流程控制，而电气设备则仍采用 传统方式操作，对于四车间部分则采用中型d c s 系统对全部的电气、仪表设备 实现中央控制室集中控制。下面就对所引进的三种槽型的控制方案加以详细阐 述。 2 2 1 赤泥分离沉降槽控制方案设计 分离沉降槽检测控制原理如图2 1 所示。根据工艺要求，分离沉降槽要提 高沉降速度和分离效率，需添加一种絮凝剂，这种絮凝剂的价格非常高，而且添 加量与进料的固体量有关，为了寻求絮凝剂添加量与沉降效率的平衡点，以最大 限度的降低成本和发挥设备效能，在此设计了一个絮凝剂添加控制回路。分离的 下一道工序是洗涤，为了减少洗涤量，就要求分离沉降槽的底流排放量在与进料 和沉降速度相匹配的情况下尽量少，为此又设计了一个底流控制回路。在这两个 东北大学硕士学位论文第二章沉降槽过程控制系统应用设计研究 控制回路中最关键的问题是沉降槽所关心的流量( 不管是进料还是出料) 都不是 浆体流量，而是固体流量，由于山铝公司料浆的性质恶劣，有强碱腐蚀性、极易 结疤，管道内的结疤比水垢还要硬，用质量流量计检测无法实现，只能采用电磁 流量计，而电磁流量计所测的是体积流量，因此必须再加密度计测出浆体密度， 进而换算出固体流量。对于分离沉降槽来说，由于溢流要进入下一道工序( 硅渣 分离沉降槽) 继续分离，所以溢流指标要求不高，从节约投资的角度出发，没有 设计溢流浊度计，仅采用人工定时采样方式加以参考；而底流要进入赤泥洗涤沉 降槽进行洗涤，底流流量变化直接影响赤泥洗水用量和洗涤效果，因此在两个控 制回路中。底流控制回路要相对重要一些。 在絮凝剂控制回路中，根据直接选择法，选择絮凝剂流量作为被控量，即控 制回路中的过程值( p v 值) ，用电磁流量计( f t ) 加以检测；执行机构采用变 频计量泵，由于两台赤泥分离沉降槽用三台变频计量泵，其中一台需两边备用， 因此在d c s 中设置了两位式软切换开关k s l 0 1 和k s s 0 1 ，对控制器输出信号加 以转换；对于本控制回路中的设定值( s p 值) ，如前所述，需根据进料料浆的固 体质量流量设定，因此需对电磁流量计( f t l 0 1 ) 和密度计( d t l 0 1 ) 的信号加 以转换，另外，由工艺要求知，絮凝剂添加的质量流量与进料料浆的固体质量流 量之间成比例关系，又由于设定值( s p 值) 为体积流量，所以列出( 2 7 ) 所示平 衡式： 1 0 0 0 f ( x ) f c = k 、q h 由式( 2 7 ) 可得： 厂o ) = k 而q 丽h 式中 厂( x ) 絮凝剂流量添加设定值( s p ) ，m 3 h ； k 溢流浊度系数艇柔蕃差票霉羹麓主：乃 f c 絮凝剂浓度值，g 1 ： 絮凝剂剂量设定值，卧； q 进料固体质量流量，讹。 其中f c 和h 为已知值。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 东北大学硕士学位论文 第二章沉降槽过程控制系统应用设计研究 图2 1 分离沉降槽控制原理图 f i g2 1 t h ec o n t r o ld i a g r a mo fr e dm u ds e p a r a t i o ns e r l e r 图2 1 中图形符号见下表： 表2 4 图形意义表 t a b2 4t h es i g n i f i c a t i o nt a b l eo fs y m b o l s 图形意义图形意义图形意义图形意义 。 现场仪表园d c s 仪表回电机 p v 过程值 e现场盘装仪表 回变频器 睁q 阀门 s p设定值 图2 1 中字母符号见下表： 1 0 东北大学硕士擘位论文第二章沉降槽过程控制系统应用设计研究 表2 5 字母意义表 t a b2 5t h es i g n i f i c a t i o nt a b l eo fl e t t e r s 首位字母意义首位字母意义后继字母意义后继字母意义 d 密度 w 扭矩c控制h高限 f流量l 指示 h h 高高限 k切换s开关h h h超高限 l 料位t变送 p 压力 v 阀门 根据进料浆体流量乘以进料浆体密度等于进料固体质量流量加上进料液体 质量流量这一基本原理可列出式( 2 9 ) ： 曩d 1 = q + ( e q d 2 ) 珐 ( 2 9 ) 式中e 进料的浆体流量，m 3 h ； d 。进料的浆体密度，t m 3 ； q 进料的固体质量流量，t h ； d ，进料的固体密度，t m 3 ； n 进料的液体密度，t m 3 。 由式( 2 9 ) 得出： o = e d 2 ( d l d 3 ) ( d 2 一d 3 )( 2 1 0 ) 其中，鼻，d 。为测定值，d ：，d ，为已知值。 由式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 知，当溢流浊度人工采样值可接收时，絮凝剂添加 的质量流量与进料料浆的质量流量成正比，比例系数为h ，当溢流浊度人工采样 值不可接收时，在上述基础上再乘以k l = 1 2 5 ，即溢流超标时，需加大絮凝剂的添 加量。 在底流控制回路中，根据直接选择法，选择底流流量作为被控量，即控制回 路中的过程值( p v 值) ，用电磁流量计( f t ) 加以检测；执行机构采用调节阀， 对于控制回路中的设定值( s p 值) ，与絮凝剂控制回路相同，需根据进料料浆的 固体质量流量设定，因此需对电磁流量计( f t l 0 1 ) 和密度计( d t l 0 1 ) 的信号 加以转换，另外，由工艺要求知，沉降槽进料的固体质量流量与底流出料的固体 质量流量之间应维持平衡或者说成比例关系，又由于设定值( s p 值) 为体积流 量，所以列出平衡式( 2 1 1 ) ： q ( x ) u s d d l = 1 0 0 墨a( 2 1 1 ) 由式( 2 i ”可得： 东北大学硕士学位论文第二章沉降槽过程控制系统应用设计研究 办) = 等 ( 2 1 2 ) 式中g ( x ) 底流流量出料设定值( s p ) ，m 3 i h ； q 进料固体质量流量，t h ； “妨底流固体含量百分比，： z 底流的浆体密度，t m 3 ； 世：底流密度系数 0 8 5 泥位 8 5 j j d i 4 0 时 底流固体含量百分比u s d 的推导如下： 众所周知，1 m 3 浆体的质量应等于其中液体质量与固体质量之和，即浆体密 度等于液体密度加上固体密度，而固体质量等于浆体质量与固体含量百分比 ( u s d ) 的乘积，由此可褂式( 2 1 3 ) ： d l ：d l u s d 1 0 0 + f1 d l u s d ，1 0 0 ) l d 3 ( 2 1 3 ) 由式f 2 1 3 ) 得 u s d ：1 l0 0 _ ( d l - 万d 3 _ ) d 2 ( 2 1 4 ) p ：一以弦 、 式中d l 底流的浆体密度，t m 3 ； d ，底流的固体密度，t m 3 ； 以底流的液体密度，“m 3 。 将式( 2 1 0 ) 、( 2 1 4 ) 代入式( 2 1 2 ) 经化简整理得。 咖，= 驾羚谱掣 式中f 进料的浆体流量，m 3 h ： d 进料的浆体密度，“m 3 ： d 进料的固体密度，t m 3 ： 皿进料的液体密度，t m 3 ； d ，底流的浆体密度，t m 3 ： d ，底流的固体密度，t m 3 ： 出底流的液体密度，t m 3 。 由于进料固体密度d ，和底流固体密度以是相同的，而进料液体密度取和底 流液体密度d ，也是相同的，所以式( 2 1 5 ) 变为 2 东北大学硕士学位论文 第二章沉降槽过程控制系统应用设计研究 4 ( x ) ：丝2 墨! 里! 二堡!( 2 1 6 ) 一。d l 一岛 式中符号同前，其中鼻，d 。，d 为钡4 定值，d ，为已知值。 底流密度系数e 的作用在于：当底流密度d l 不足而泥位正常时，说明底流 排放量过大，这样会损失部分有效成分，且沉降槽效率偏低，这时应减小底流阀 门开度，所以设量为o 8 5 ，j 、于l ，则底流阀门开度设定值( s p ) 减小，通过p i d 自动调节，底流阀门开度过程值( p v ) 减小；当底流密度d 正常而泥位也正常 时，说明底流阀门开度设定值( s p ) 合适，不需改变，因此k ，为1 ；当泥位过 高时，不必考虑底流密度，必须适当加大底流排放量，因此配为1 1 5 ；当耙机 扭矩过高时，从保护设备出发，不必考虑任何因素，必须尽快加大底流排放量， 以降低泥位和扭矩，因此，为1 2 5 。 另外，在沉降槽底部还设有压力检测点，在最初考虑方案时也曾经想到根据 底部压力来控制底流排放量，经与澳大利亚及山铝公司的工艺人员讨论认为：虽 然底部压力也可以间接反映沉降槽内料的多少，但用它作为被控量过于模糊，因 为槽内水分的多少也影响底部压力值，而我们最关心的是槽内的固体含景，因此 压力只作为监测点，而不参与控制。 2 2 2 赤泥洗涤沉降槽控制方案设计 洗涤沉降槽共四台，其基本控制原理与赤泥分离沉降槽相同，尤其是絮凝剂 控制回路，四台赤泥洗涤槽与两台赤泥分离槽完全相同，但对于底流控制回路， 由于四台洗涤沉降槽为串连连续洗涤，因此从设备角度出发，4 # 洗涤沉降槽控 制原理与分离沉降槽完全相同，而1 # 、2 # 、3 # 洗涤沉降槽控制原理如图3 2 示，其根本区别在于用2 # 洗涤槽的进料固体量作为1 # 洗涤槽的出料固体量， 用3 # 洗涤槽的进料固体量作为2 # 洗涤槽的出料固体量，这样可以省去1 # 、2 # 、3 # 洗涤沉降槽底流出料的三台流量计和密度计，节约工程造价，但这样由 于3 # 、4 # 洗涤槽的溢流要进入2 # 洗涤槽参与循环，且溢流中也有固体量，从 而会导致前一级洗涤槽出料固体量与后一级洗涤槽进料固体量有微小差别，前一 级洗涤槽出料液体密度与后一级洗涤槽进料液体密度有微小差别，即式( 2 1 5 ) 中进料液体密度d 3 和底流液体密度d ，有微小差别，进而导致无法由式( 2 1 5 ) 推出式( 2 1 6 ) ，不过由于这两项差别的影响均微乎其微，在此将它们忽略不计。 图2 2 中给出了1 # 洗涤槽的控制原理图。图中字母符号意义均与表2 4 、2 5 相 同。 东北大学硕士学位论文$ - - 章沉降槽过程控制系统应用设计研究 图2 2 洗涤沉降槽控制原理图 f i g2 2t h ec o n t r o ld i a g r a mo f w a s h e rt h i c k e n e r 2 2 3 硅渣分离沉降槽控制方案设计 硅渣分离沉降槽控制原理与赤泥分离沉降槽控制原理基本相同，如图2 3 所 示。其f ( x ) 、q ( x ) 、k 2 的表达式和取值方式与赤泥分离沉降槽完全相同，但在 k 的取值上有所区别，由于硅渣分离沉降槽的溢流浊度是一个较为重要的工艺 指标，因此设计有溢流浊度仪，这样一来，足。就由溢流浊度仪的实测数据来决 定。 东北大学硕士学位论文第二章沉降槽过程控制系统应用设计研究 图2 3 硅渣分离沉降槽控制原理图 f i g2 3 t h ec o n t r o ld i a g r a mo f w h i t em u d s e p a r a t i o nt h i c k e n e r i 当溢流浊度 指标值时，k 。= 1 0 墨溢流浊度系数 当指标值 溢流浊度 1 2 5 倍指标值时，墨= 1 2 5 。 l 当1 2 5 倍指标值 3 时，涡流的 影响可以忽略不计。因此电磁流量传感器的励磁绕组长度应大于管径的2 5 3 倍，只要磁场在一定长度内均匀分布、电极布置对称，则方向相反的涡流可能互 相抵消，在电极上就不会有因涡流而引起的正交干扰信号。 电磁流量传感器的导管一般用电阻率高的金属材料和绝缘衬里制成。导管与 流体相当于处在交变磁场中的导体，必然因感应而产生涡流，材料电阻率愈高， 产生的涡流愈小，故常用1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢或玻璃钢等非导磁的高阻材料。当 所测流体的电导率很高时，如金属钠或水银，由于集肤效应，严重影响信号的检 出，就不能不采用直流磁场，以避免正交干扰的影响。 3 1 2 物位检测方法 冶金生产过程中应用大量的固体、液体及散料，除必须了解这些用料的重量 或体积外，还要求了解物料的体积高度，不同比重液体的界面或液固之问的分 界面等。测量这些料位、液位或分界面的仪表，通称为物位仪表。 检测物料的高度，一般是以料( 槽) 口或炉( 结晶器) 口为起点，测定料面与起点 的距离。液位多是一规则的表面，容易识别和检测，而料位往往凹凸不平，有堆 积角或者极不规则，以何处料位为准有时难于确定，故料位的检测比较麻烦一些。 冶金生产有的是高温、高压过程，有的是强酸或强碱过程，有的在密封装置 中进行，有的在巨大的空间内进行，这些都使物位检测困难。 目前应用最多的物位检测仪表主要有以下几类： ( 1 ) 浮力式物位仪表利用浮予较所测液体比重稍小的特点漂浮在液面上， 1 9 东北大学硕士学位论文第三章沉降槽控制系统理论研究 随液位升降而反映出液位。这是应用最早也是应用范围最广的液位计。 ( 2 ) 静压式液位仪表它的特点是根据液柱高度不同产生的压差来反映液 位，这也是应用较广泛的一种仪表。 ( 3 ) 电磁式物位仪表将物位的变化转换为一些电量进行测量，如电容式、 电感式、电阻式物位计等。 另外还有发展日趋成熟的根据声学、光学及微波原理制成的各种新型物位仪 表，下面就着重介绍微波物位仪表。 波长为1 1 0 0 0 m m 的电波称为微波。微波的特点是在各种障碍物上能产生 良好的反射，具有良好的定向辐射性能，传输特性良好，在传输过程中受火焰、 烟雾及强光的影响极小，介质对微波的吸收正比于介质的介电常数，水对微波的 吸收最强。这些特性用于检测物位，特别是对炼焦及冶金工业比较恶劣的生产过 程尤为适合。 微波的发射特点是波长短，因而频率高，如l m 长的微波频率为3 0 0 m h z ， 对振荡回路的自振频率要求极高。由于一般的电子元件、电子管与晶体管的截止 频率不够高，对振荡回路中极小的电感与电容也不能适应，故微波技术在工业生 产中应用很少。只在近来出现小型固体微波元件后，微波辐射液位仪表才开始应 用。为了保证微波辐射的方向性，多采用扇形、角锥形或圆锥形喇叭筒天线发射， 筒的张角为4 0 。6 0 0 ，保证辐射波有良好的方向性。除喇叭形天线外还有一种 介质天线，由于辐射波经匀滑的介质棒多次向前方反射出去，因此方向性很强。 微波发生器实际是一个高频振荡器，可用速调管、磁控管或固体微波元件构成。 小型的微波振荡器可用体效应管作发生器，产生的微波用波导管引到辐射天线而 发射出去。 反射式微波物位计是利用微波反射的原理做成的物位计，可以连续检测与控制物 位。微波发射天线倾斜一定角度向物面发射微波束，遇到物面即反射出去，被微 波接收天线接收，从而测定物位，其原理如下：设发射功率为只，接收功率为只， 则接收到的微波功率只为： p = 以4 ：r ) 2 p t g 。g ，p 2 十4 h 2 )( 3 4 ) 式中h 两天线距料面垂直距离，m ： 由于发射功率只，波长丑，天线增益g t g ，都是保持稳定不变的，故式( 3 4 ) 可简化为： p2 华赤2 南n s ， 东北大学硕士学位论文 g z _ 章沉降槽控制系统理论研究 式中k 增益常数，决定于微波波长、发射功率及天线的增益； 足：距离常数，决定于天线安装方法与位置，主要是距离。 可见，只要测定了天线接收到的微波功率，物位h 就测定了，即 h = 肛厕 ( 3 6 ) 式中符号同前。 微波功率的测量多用热敏电阻或霍尔元件，再配合相应的测量电路，将接收到 的微波信号功率显示出来。也可用专门的微波检波管如2 d v 二极检波管检波成 直流电流由州表直接显示。 由于水的介电常数大于物料，因此物料中含水或周围有水蒸气，或物料的湿度 变化较大时，水会大量吸收微波。当微波频率在3 0 0 0 m h z 以上即波长在1 0 c m 以 下时，会严重影响仪表的测量结果，因此实际微波物位计在应用时多将上述原理与 时间检测法结合使用，以提高测量精度。即采用一个天线，既做发射天线又做接 收天线，安装时角度与被测界面基本垂直，当天线周期的发出微波脉