糖廠均勻進榨控制理念及流體恒流量控制邏輯

郭 凱，陸繼波，羅揚雄，王焰?zhèn)?，閔亞光*

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

0 引言

均衡穩(wěn)定生產(chǎn)對甘蔗制糖來說至關(guān)重要，這不僅是因為甘蔗汁的化學處理需要保持物料的均衡流動，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)，同時可以減緩生產(chǎn)過程動力消耗的負荷波動。實現(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)鍵控制點的流量穩(wěn)定。

均勻進榨有2種理念，一是像國內(nèi)糖廠普遍采用的基于核子秤信號自動調(diào)節(jié)入蔗帶速度，以保證進入第一座榨機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，料位計只能調(diào)節(jié)本座榨機的轉(zhuǎn)速。另一種是國外糖廠普遍采用的以高位槽料位計前饋調(diào)節(jié)入蔗帶速度，第一座榨機不再調(diào)速，設(shè)定一個恒定轉(zhuǎn)速。在很長的一個時間周期內(nèi)，一個恒定的轉(zhuǎn)速以及恒定的高位槽料位對應(yīng)了一個恒定的榨量，而且恒定榨機轉(zhuǎn)速對應(yīng)的榨量不再是甘蔗的重量，而是其中纖維分的處理量。

1 基于核子秤信號的均勻進榨控制理念

國內(nèi)甘蔗糖廠采用核子秤自動調(diào)節(jié)一二級入蔗帶的速度起源于20年前，至今仍作為糖廠均勻進榨的控制方式。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；另是因為當時沒有引入DCS控制手段，僅用核子秤無法實現(xiàn)預(yù)處理和壓榨全工段的集成控制。在相當長的一段時間里，核子秤對于糖廠均衡穩(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的均勻進榨，自成系統(tǒng)，獨立控制預(yù)處理工段；而高位槽料位控制榨機轉(zhuǎn)速則作為DCS控制的起點，獨立控制壓榨機列。大多數(shù)糖廠2個控制系統(tǒng)并行，互不接口，或接口數(shù)據(jù)不準確或不兼容，而且2個自控系統(tǒng)往往是由不同公司提供，較難協(xié)作或維護，具體體現(xiàn)如下：

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

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

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

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

2 基于高位槽料位信號的均勻進榨控制理念

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榨理念，而是全部采用第一座榨機高位槽料位前饋調(diào)節(jié)帶速，并順級按比例前調(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用于調(diào)節(jié)前面入蔗帶速度，則第一座榨機不必調(diào)速，設(shè)定一個恒定轉(zhuǎn)速。在高位槽保持料位的前提下，榨機的每一個恒定轉(zhuǎn)速就代表一個榨量，經(jīng)過短時摸索，比如電機設(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）進行，一般情況下會限制催化劑的活性和選擇性。因此，預(yù)期測試中副產(chǎn)物生成量會升高，同時為了保持恒定的轉(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，維持第一座榨機轉(zhuǎn)數(shù)恒定，此時通過榨機的纖維量恒定，入榨的甘蔗重量隨纖維分的變化略有波動，但榨機能力的標志就是處理甘蔗纖維的能力，因此恒定的榨機轉(zhuǎn)速其負荷最為穩(wěn)定，而且可以根據(jù)電流負荷情況有效調(diào)整或提高當前榨量。

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

其三，第一座高位槽料位調(diào)節(jié)前面帶速，高位槽信號作為整體DCS控制的起點，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。

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)省了投資和維護成本。當然，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僅作為重量累計或第一座榨機恒轉(zhuǎn)速設(shè)定的參考。廣西貴糖集團是國內(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：榨機負荷明顯平穩(wěn)，有效提高了榨量和抽出率，而且蔗渣水分穩(wěn)定[1]。當時也曾購入了一臺核子秤，但僅作為榨量累計和榨機恒轉(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 榨機恒轉(zhuǎn)速的初步試驗

對于第一座榨機采用恒定轉(zhuǎn)速的控制理念我們在糖廠做了一個簡單試驗。當時糖廠的第 1至第 5座榨機的負荷波動非常大，驅(qū)動電機的電流在950 A保護上限之內(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)第一座榨機的轉(zhuǎn)速，并幅度在450～600 r/min之間。也就是預(yù)處理工段實現(xiàn)了均勻進榨，但卻是以榨機的負荷產(chǎn)生較大波動為代價。我們試驗暫停了第一座榨機的調(diào)速，從DCS上固定了一個恒定轉(zhuǎn)速，維持了一段時間，觀察第一座和各座榨機的負荷，發(fā)現(xiàn)電流的波動比較明顯的減緩。此時核子秤的均勻進榨控制并沒有停止，高位槽的料位因不再指導(dǎo)榨機調(diào)速而上下波動，如果能夠進入核子秤和DCS系統(tǒng)改變設(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，實現(xiàn)榨機轉(zhuǎn)速恒定及纖維分恒定的進榨方式，其效果會更好。

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就是各物料箱罐的液位自控。對于大多數(shù)箱體采用液位控制無非就是保證出口泵機不會抽空，保護了泵機的葉片減少磨損，或防止箱內(nèi)物料冒罐。采用液位計恒定液面屬于恒液位控制邏輯，這對于大多數(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，液位計的設(shè)定值調(diào)節(jié)泵機出口控制閥，或調(diào)節(jié)泵機的變頻器，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，因為液位在箱罐內(nèi)的穩(wěn)定就意味著流體輸送的波動，畢竟糖廠運行的物料一直處在波動之中。在沒有自控的糖廠中，箱體泵機后的出口手動閥門基本不做調(diào)節(jié)，保持一個合適的開度，讓箱體液位上下浮動，反而保證了流體的穩(wěn)定輸送。有些關(guān)鍵點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。對一些關(guān)鍵點的大箱罐，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流量計，設(shè)一個與當前榨量匹配的初始流量，然后用流量計的設(shè)定值控制出口調(diào)節(jié)閥或泵機變頻器，保證一個恒定的出汁流量。恒流量出汁則意味著液位在箱罐內(nèi)會隨著來料量的變化上下竄動，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達到一個液位計信號的限點HH或LL，控制程序會使流量計自動增加或減少一個比例，緩慢修正恒流量對應(yīng)當前的榨量。箱體越大，緩沖能力越強，恒流量保持的時間就越長，即使自動調(diào)節(jié)流量的增減，也會非常緩慢，調(diào)節(jié)后又會在很長一段時間內(nèi)保持恒流量。圖2是這種恒流量控制的P&ID簡圖，以流量計的設(shè)定值為基本控制參數(shù)，液位計作為流量計二次修正調(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，控制效果會更好。一般來說，所有參與化學反應(yīng)、加熱、蒸發(fā)、沉降和上浮等需要控制工藝指標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，需要控制準確的溫度，尤其隨后進入硫熏中和操作，穩(wěn)定的流量才能有效控制硫熏強度和加灰后的化學反應(yīng)。

中和汁也需要加熱，并且對溫度的要求更嚴格，而隨后進入沉降器更需要一個穩(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)計文件中，明確指出了進入沉降器的流體波動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，如果入料波動大，不僅難以控制糖漿的錘度，對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，并且還有緊急補水的控制功能，有報道[2]曾詳細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)的均勻進榨是中國獨有的技術(shù)手段，起源于DCS系統(tǒng)普及之前。在當前DCS已經(jīng)普遍應(yīng)用的情況下，我們應(yīng)該了解與之相對應(yīng)的控制理念。本文介紹的基于高位槽料位信號的均勻進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。

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