過程控制課程設(shè)計(jì)3_自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)

1、中南大學(xué)過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目 3#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng) 指導(dǎo)老師 凌 玉 華 設(shè)計(jì)者 專業(yè)班級 設(shè)計(jì)日期 2011/1/12 目 錄第一章 概 述 1 1.1 設(shè)計(jì)目的 1 1.2 具體任務(wù) 1 1.3 氧化鋁生產(chǎn)的意義 1第二章 氧化鋁高壓溶出工序介紹 2 2.1 鋁工業(yè)的國內(nèi)外現(xiàn)狀 .2 2.2 氧化鋁生產(chǎn)過程 3 2.3 高壓溶出工序 9第三章 氧化鋁高壓溶出工序生產(chǎn)設(shè)備及控制要求 12 3.1 雙程預(yù)熱器 .12 3.2 溶出器 13 3.3 自蒸發(fā)器 14 3.4 蒸汽緩沖器 15第四章 氧化鋁高壓溶出3#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 4.1 總體方案論證 17 4.2

2、 硬件設(shè)計(jì) 19 4.3 控制算法 23 4.4 軟件設(shè)計(jì) 23第五章 3#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)調(diào)試 25比例、積分和微分的分析 255.2 PID參數(shù)整定方法 26第六章 總 結(jié)29 6.1 方案評價(jià)及改進(jìn)方向 29 6.2 收獲及體會 29參考文獻(xiàn)31概述 設(shè)計(jì)目的綜合控制理論，過程控制，微機(jī)控制，可編程控制器，軟件程序設(shè)計(jì)等課程的相關(guān)理論知識，設(shè)計(jì)一個(gè)完整的3#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)，全面學(xué)習(xí)和掌握典型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，控制方法和調(diào)試技巧。具體任務(wù)設(shè)計(jì)一壓力控制系統(tǒng)對3#自蒸發(fā)器的壓力進(jìn)行控制，要求是3#自蒸發(fā)器的壓強(qiáng)值為1.2Mpa，誤差0.1Mpa以內(nèi)。氧化鋁生產(chǎn)的意義氧化鋁主要用于

3、電解生產(chǎn)鋁，它占氧化鋁總產(chǎn)量的90%以上。此外還供硅酸鹽、耐火材料、機(jī)械、無線電、冶金、化工、制藥等工業(yè)部門使用。鋁和鋁合金是國民經(jīng)濟(jì)、國防軍工和民用制品的基礎(chǔ)原材料。鋁工業(yè)是國家的基礎(chǔ)工業(yè)之一。高性能鋁合金是制造飛機(jī)、潛艇、火箭、導(dǎo)彈、魚雷、坦克的重要部件的原材料，被稱為國家的戰(zhàn)略物資。鋁工業(yè)從上游到下游可分成三段：氧化鋁是電解鋁企業(yè)的原料，電解鋁(鋁錠)是鋁加工企業(yè)的原料。目前每生產(chǎn)1噸鋁需要2噸氧化鋁。氧化鋁高壓溶出工序介紹2.1 鋁工業(yè)的國內(nèi)外現(xiàn)狀2.1.1 鋁工業(yè)的國內(nèi)外現(xiàn)狀我國具有豐富的鋁土礦資源。迄今，我國已探明鋁土礦礦區(qū)310處，分布于全國19個(gè)省、自治區(qū)、直轄市，已探明保守儲

4、量23億噸，位居世界第4，具備發(fā)展氧化鋁工業(yè)的資源條件。 國內(nèi)的氧化鋁生產(chǎn)從50年代起步，8090年代得到了快速發(fā)展，年生產(chǎn)能力已達(dá)到近800萬噸2008年氧化鋁年產(chǎn)量約高達(dá)萬噸，較去年同期提高26.44%，居世界前列 。由于礦石結(jié)構(gòu)和組成的原因，國外富產(chǎn)氧化鋁的國家主要采用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁。我國的鋁土礦資源大部分為含硅高較難溶出的礦石，不適合直接采用世界上大多數(shù)國家采用的拜耳法生產(chǎn)工藝流程，絕大部分都是采用流程長、工藝復(fù)雜的混聯(lián)法和燒結(jié)法生產(chǎn)的。2.1.2 國內(nèi)氧化鋁生產(chǎn)狀況改革開放以來，為適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，國家在鋁土礦資源豐富的四省區(qū)內(nèi)大力發(fā)展氧化鋁工業(yè)，規(guī)劃并建成了山西鋁廠，平果鋁

5、廠和中州鋁廠等氧化鋁項(xiàng)目采用新工藝、新技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備，加大對已有的山東鋁廠、貴州鋁廠和鄭州鋁廠的技術(shù)改造，提高產(chǎn)能，形成了六個(gè)氧化鋁廠為基地的生產(chǎn)布局。為進(jìn)一步發(fā)揮桂西和晉北鋁土礦資源優(yōu)勢，國家規(guī)劃建設(shè)華銀氧化鋁和晉北氧化鋁基地，進(jìn)一步擴(kuò)大氧化鋁產(chǎn)能，使氧化鋁基地由六個(gè)增加到八個(gè)。民營企業(yè)發(fā)展迅速。大量非中鋁系的民營及合資企業(yè)涉足氧化鋁項(xiàng)目，使得國內(nèi)氧化鋁產(chǎn)能激增。三門峽東方希望公司、三門峽開曼公司、洛陽香江萬基公司（新安鋁電）以及山東、內(nèi)蒙等地的民營企業(yè)迅速發(fā)展。鋁業(yè)是朝陽產(chǎn)業(yè)，市場需求量大。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，2008年我國共生產(chǎn)氧化鋁萬噸。2.2 氧化鋁生產(chǎn)過程迄今為止，已經(jīng)提出了很多從鋁礦石或

6、其他含鋁原料中提取氧化鋁的方法。由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的原因，有些方法已被淘汰，有些還處于試驗(yàn)研究階段。已經(jīng)提出的氧化鋁生產(chǎn)方法可以歸納為四類，即堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法與熱法。目前用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的只有堿法。鋁土礦的特點(diǎn)是化學(xué)組成和礦物組成多種多樣，要采用不同的方法來處理。鋁土礦處理方法和合理的工藝設(shè)備的選擇取決于許多因素，其中主要的是：a.硅指數(shù)，b.原料中硫化物；碳酸鹽和有機(jī)物的含量；c.鋁化合物和硅化合物的礦物組成；d.氧化鐵含量。我國鋁土礦資源豐富，儲量大；高鋁、高硅、低鐵；鋁硅比較低，中低品位鋁土礦居多；多數(shù)鋁土礦是一水硬鋁石型鋁土礦。堿法生產(chǎn)氧化鋁使用堿（NaOH、Na2CO3）處理鋁土

7、礦，使礦石中的氧化鋁轉(zhuǎn)變成鋁酸鈉溶液，鐵、鈦等雜質(zhì)和絕大部分硅則成為不溶解的化合物。將不溶解的殘?jiān)ǔ嗄啵┡c鋁酸鈉溶液分離，殘?jiān)?jīng)過洗滌后丟棄或綜合利用以回收其中的有用組分；鋁酸鈉溶液經(jīng)凈化后分解析出氫氧化鋁，氫氧化鋁經(jīng)煅燒后成為氧化鋁；分解后的母液經(jīng)過蒸發(fā)濃縮后循環(huán)利用。 堿法生產(chǎn)氧化鋁的實(shí)質(zhì)是將鋁轉(zhuǎn)變?yōu)殇X酸鈉進(jìn)入苛性堿溶液。鋁原料中可溶SiO2含量越高，轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄猿恋淼乃箱X酸鈉就越多。而從原料提取到鋁酸鈉溶液的氧化鋁則越少。鋁硅比是評價(jià)鋁土礦質(zhì)量和選擇其具體處理方法的主要指數(shù)。生產(chǎn)氧化鋁的堿式法有四種：燒結(jié)法、 拜耳法、 混聯(lián)法、 選礦拜耳法。2.2.1 拜耳法高溫和高濃度的鋁酸鈉溶液

8、處于介穩(wěn)狀態(tài)，而在溫度和濃度降低的時(shí)候則自發(fā)分解析出氫氧化鋁沉淀，拜耳法便是建立在這樣的基礎(chǔ)上的。鋁土礦所含的一水和三水氧化鋁在一定條件下（提高溫度和濃度）以鋁酸鈉的形式進(jìn)入溶液。在95100攝氏度時(shí)鋁酸鈉穩(wěn)定，當(dāng)降低溫度和濃度時(shí)它轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，析出氫氧化鋁。圖2.1 拜耳法生產(chǎn)流程按拜耳法制取氫氧化鋁的過程：1）鋁土礦的溶出鋁土礦在溶出之前，先在礦山粗碎，然后再冶金混勻、中碎、細(xì)碎和濕磨。堅(jiān)硬的鋁土礦在工廠中用23級破碎，松軟的用12級破碎。鋁土礦在球磨機(jī)中濕磨，磨機(jī)與分級機(jī)或水力旋流器組成閉路循環(huán)。細(xì)磨過程在鋁酸鈉中進(jìn)行，液固比為。大部分循環(huán)溶液在其加熱溶出之前加入到分級機(jī)和攪拌槽中，

9、以制備原礦漿。鋁土礦的溶出應(yīng)該在消耗最小而氧化鋁進(jìn)入溶液的溶出率最高的條件下進(jìn)行。對于鋁土礦的溶出速度和程度起作用的主要因素如下：溫度、循環(huán)液的濃度和苛性比、鋁土礦的細(xì)磨程度、原礦漿的攪拌速度和石灰添加量。溫度是影響溶出過程的主要因素。為了達(dá)到目前實(shí)踐中所允許的速度： = 1 * alphabetic a.三水鋁石型鋁土礦的溶出過程是在95100攝氏度進(jìn)行的b.一水軟鋁石型鋁土礦是在150200攝氏度進(jìn)行的c.一水硬鋁石型鋁土礦是在230245攝氏度進(jìn)行的。石灰石對一水軟硬鋁石型鋁土礦的溶解速度和程度有十分良好的作用，向過程中添加石灰石對一水鋁石型鋁土礦的溶出過程有很大的意義:鋁土礦中未溶出的

10、氧化鋁一般為0.55%。2）赤泥的分離和洗滌鋁土礦溶出后的漿液用赤泥洗滌過程得到的一次洗液稀釋至 三氧化二鋁的濃度為120150克/升。為了實(shí)現(xiàn)鋁酸鈉的脫硅并保證溶液黏度降低到赤泥分離過程能以工業(yè)要求的速度進(jìn)行，這種稀釋過程是必要的。赤泥的分離和洗滌方法和設(shè)備流程取決于鋁土礦的處理方法。3）鋁酸鈉溶液的分解過濾之后的鋁酸鈉溶液，在分解前，在換熱器中自95100攝氏度冷卻到5055攝氏度，分解過程持續(xù)很長時(shí)間（5060小時(shí)）。4）母液的蒸發(fā)為了使拜耳循環(huán)閉路，根據(jù)鋁土礦溶出條件將母液蒸發(fā)到氧化鈉濃度為200300克/升的循環(huán)母液。蒸發(fā)水量取決于溶出溫度和被洗滌的赤泥的物理過程。蒸發(fā)過的 溶液冷卻

11、時(shí)，結(jié)晶出純堿，隨同析出的還有各種有機(jī)物和其他雜質(zhì)。5）循環(huán)純堿的苛化補(bǔ)充的純堿以及溶液蒸發(fā)時(shí)析出的棕色純堿都用石灰乳苛化，以制取苛性堿來補(bǔ)償拜耳法中的堿損失。為了避免在沉淀中生成難溶的復(fù)鹽，這個(gè)過程是在氧化鈉的濃度約為100克/升的溶液中進(jìn)行的。6）氫氧化鋁的煅燒最后這道工序的目的是將氫氧化鋁在12001250攝氏度煅燒使之成為成品氧化鋁。2.2.2 燒結(jié)法所有類型的高硅原料都可以用這種方法處理。燒結(jié)法的實(shí)質(zhì)是含鋁原料與純堿、石灰石一同燒結(jié)時(shí)原料中的硅轉(zhuǎn)變?yōu)樵趬A溶液中難溶的化合物原硅酸鈣，而鋁和鐵轉(zhuǎn)變?yōu)殇X酸鈉和鐵酸鈉。含鋁原料與純堿、石灰石燒結(jié)時(shí)，各原始組分的固體粉末之間的化學(xué)反應(yīng)，是在有少

12、量熔體存在下進(jìn)行的。堿石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁的基本原理是：將鋁土礦、純堿、石灰等原料按一定比例配制成生料漿，在高溫下燒結(jié)，SiO2與CaO化合生成原硅酸鈣、氧化鐵與純堿化合成鐵酸鈉、氧化鋁與純堿化合生成鋁酸鈉。熟料溶出時(shí)，鋁酸鈉（）進(jìn)入溶液，鐵酸鈉（）水解生成氫氧化鈉和氧化鐵的水合物，原硅酸鈣（）與氧化鐵的水合物進(jìn)入赤泥。鋁酸鈉溶液精制后大部分進(jìn)行碳酸化分解、少部分進(jìn)行晶種分解析出氫氧化鋁，分離后的碳分母液和種分母液經(jīng)蒸發(fā)后分別去配料和脫硅。氫氧化鋁焙燒后成為氧化鋁。圖2.2 燒結(jié)法生產(chǎn)流程按制取氫氧化鋁的過程：生料備制。 生料燒結(jié) 鋁酸鹽熟料的破碎和溶出。 泥渣的分離和洗滌及鋁酸鈉溶液的脫硅

13、溶液炭化分解，氫氧化鋁的分離和洗滌 純堿母液的蒸發(fā) 石灰石的煅燒和氫氧化鋁的煅燒在處理鋁土礦的燒結(jié)法中，循環(huán)的物料是純堿而不是拜耳法中的苛性鈉，溶液是用炭化方法來分解的。純堿以蒸發(fā)后濃溶液形態(tài)返回到生料配制過程。2.2.3 混聯(lián)法1）并聯(lián)法在并聯(lián)法中，大部分鋁土礦按拜耳法處理，由燒結(jié)法處理的只是少部分。這兩部分平行的進(jìn)行直到成為鋁酸鈉溶液為止，然后將燒結(jié)法的脫硅的鋁酸鈉溶液與拜耳法部分的溶液 混合，再將混合的溶液加晶種分解。圖2.3 并連法生產(chǎn)流程優(yōu)越性： 可以在一個(gè)工廠里高硅和低硅兩種鋁土礦。 拜耳法循環(huán)中的全部苛性堿損失都用鋁土礦燒結(jié)時(shí)的苛化來補(bǔ)償，降低了成本。 燒結(jié)法部分除了實(shí)現(xiàn) 純堿的

14、熱化苛化，還增產(chǎn)一定量的氧化鋁。拜耳法赤泥經(jīng)洗滌和過濾后，用燒結(jié)法回收其中的氧化鋁和氧化鈉燒結(jié)法除了處理拜耳法赤泥外，還添加相當(dāng)數(shù)量的低品位的鋁土礦。 2）串聯(lián)法在串聯(lián)法中，鋁土礦常壓溶出或壓煮溶出后的高氧化鋁和氧化鈉赤泥與純堿和石灰石一同燒結(jié)。熟料溶出后的鋁酸鈉溶液經(jīng)過脫硅，然后與稀釋的拜耳法溶液混合到一起分解。母液蒸發(fā)出的棕色純堿在燒結(jié)之前與赤泥、棕色純堿返料、石灰石和霞石組成的。加入的霞石數(shù)量應(yīng)該保證完全補(bǔ)償拜耳法中苛性堿損失。圖2.4 串聯(lián)法生產(chǎn)流程在燒結(jié)過程處理赤泥時(shí)，生料的組成應(yīng)該保證在熟料中得到鋁酸鈉、原硅酸鈣，或是合成鐵酸鈣。在燒結(jié)過程中氧化時(shí)催化劑。串聯(lián)法適用于處理高硅鋁土礦

15、，具有以下優(yōu)點(diǎn)：有當(dāng)量的純堿來補(bǔ)償苛性堿的損失。 原料中總氧化鋁回收高。 燒結(jié)過程的生料流量較燒結(jié)法少。2.2.4 選礦拜耳法選礦拜耳法生產(chǎn)工藝與燒結(jié)法有很大不同，總體上可分為選礦和拜耳法兩大部分。選礦部分主要包括磨浮選礦、礦漿調(diào)配等工段；拜耳法部分主要包括高壓溶出、種子分解、過濾洗滌、焙燒等工段。圖2.5 選礦拜耳法生產(chǎn)流程2.3 高壓溶出工序2.3.1 高壓溶出工序流程高壓溶出工序?qū)儆诎荻ㄖ械囊粋€(gè)環(huán)節(jié)。它也是混聯(lián)法生產(chǎn)氧化鋁的生產(chǎn)過程中的重要工序。高壓溶出的目的就是用苛性鈉溶液把鋁土礦中的氧化鋁溶出來。圖2.6 高壓溶出生產(chǎn)流程高壓溶出的生產(chǎn)條件為：2.02.2 Mpa的高壓；2450C

16、 的高溫。高壓溶出的化學(xué)反應(yīng)可以分為兩大類：、氧化鋁水合物的溶出反應(yīng)，這是主反應(yīng)。、各種雜質(zhì)在溶出過程中的化學(xué)反應(yīng)，這是副反應(yīng)。2.3.2 溶出化學(xué)反應(yīng)在常壓下低堿濃度溶液中溶出三水鋁石型鋁土礦時(shí)，其中Al(OH)3與NaOH發(fā)生反應(yīng)：用高堿濃度或用稀堿溶液在較高溫度下溶出一水鋁石型鋁土礦時(shí)，反應(yīng)如下：2.3.3 溶出速度鋁土礦溶出屬于多相反應(yīng)，即液體和固體之間的反應(yīng)，其特征是反應(yīng)過程發(fā)生于兩相（礦粒與堿液）的界面上。兩相接觸界面的OH-,由于不斷反應(yīng)而逐漸消耗，在靠近礦粒表面層的溶液中的OH-濃度顯著降低。同時(shí)，在這一層中的反應(yīng)產(chǎn)物Al(OH)4-或Al(OH)2-的濃度則接近飽和，于是形成

17、擴(kuò)散層。OH-通過擴(kuò)散層不斷地向固相（礦粒）表面移動與氧化鋁水合物反應(yīng)，而反應(yīng)產(chǎn)物Al(OH)4-或Al(OH)2-則不斷地通過擴(kuò)散層向外移動（離開礦粒），使反應(yīng)能繼續(xù)進(jìn)行。因此，鋁土礦的溶出過程可分為下列幾步： (1) 循環(huán)母液濕潤礦粒表面；(2)OH-與氧化鋁水合物反應(yīng)；(3)形成NaAl(OH)4或NaAl(OH)2擴(kuò)散層；(4)Al(OH)4-或AlO(OH)2-從擴(kuò)散層擴(kuò)散出來，而OH-則從溶液中擴(kuò)散到固液接觸面上。鋁土礦的溶出過程：在低溫低堿濃度下的溶出速度隨溫度變化很快，因而在這種情況下的溶出速度是決定于化學(xué)反應(yīng)。在高溫高堿濃度下，化學(xué)反應(yīng)速度極快，此時(shí)溶出速度隨溫度變化而變化的

18、幅度較小，因而這時(shí)溶出速度決定于擴(kuò)散。溶出速度可以用下式表示：由溶出速度的表達(dá)式可得下式：當(dāng)?shù)V石一定時(shí)，其粘度一定，且P、S均為常數(shù)，則從式中可以看出通過控制溫度T，可以控制反應(yīng)速度。并且，通過提高溫度來提高溶出反應(yīng)的速度也是可行的。氧化鋁高壓溶出工序生產(chǎn)設(shè)備及控制要求高壓溶出工序的生產(chǎn)設(shè)備主要包含四個(gè)部分：1）雙程預(yù)熱器2）溶出器3）自蒸發(fā)器4）蒸汽緩沖器它們?nèi)渴遣煌Y(jié)構(gòu)的高壓罐。高壓溶出工序生產(chǎn)設(shè)備的四個(gè)部分中，各部分高壓罐的級數(shù)是由各工廠的實(shí)際情況和設(shè)計(jì)情況來定的。但是，各部分生產(chǎn)設(shè)備的功能并不因工廠的不同而不同。在此次的課程設(shè)計(jì)中所做的高壓溶出工序源自于鄭州鋁廠。因此，在后面介紹高壓

19、溶出工序各部分生產(chǎn)設(shè)備時(shí)，如涉及到具體的量或某高壓罐的級數(shù)的話，那就是說它是針對于鄭州鋁廠而言的。首先對后面將要用到的符號作相應(yīng)的解釋： I -表示該監(jiān)測量要顯示 P-表示該監(jiān)測量為壓力 T-表示該監(jiān)測量為溫度 T-這個(gè)T是緊跟在壓力或溫度 后面的，表示該監(jiān)測量要傳送 F-表示該監(jiān)測量為流量3.1 雙程預(yù)熱器雙程預(yù)熱器有四組雙程預(yù)熱罐。采用高壓蒸汽間接加熱。其內(nèi)部是蒸汽管。礦漿在蒸汽管外，包圍著蒸汽管，由600C被加熱到1950C左右，稱為預(yù)熱。這時(shí)，因?yàn)榈V漿溫度低（反應(yīng)溫度為2450C），所以還不能用于生產(chǎn)。預(yù)熱器在此次控制系統(tǒng)未作要求。圖3.1 雙程預(yù)熱罐雙程預(yù)熱器需要監(jiān)測的量有以下一些：

20、(1) 礦漿入口溫度T11(2) 礦漿出口溫度T12(3) 各級之間入口溫度和各級之間出口溫度T101-T106之所以要分上層預(yù)熱器和下層預(yù)熱器是因?yàn)檠趸X生產(chǎn)為流程工業(yè)，反應(yīng)過程不能間斷，需要一套備用。3.2 溶出器溶出器由九個(gè)高壓罐串聯(lián)構(gòu)成，1#罐和2#罐用高壓蒸汽直接加熱使礦漿達(dá)到溶出溫度（2450C左右）。溶出器內(nèi)加熱為直接加熱，其效率較高，但是加熱過程中由蒸汽帶來了水份，使得礦漿溶液的濃度降低。溶出器的溫度是溶出溫度，對氧化鋁的溶出率影響很大，保持溶出溫度穩(wěn)定，是提高溶出率的關(guān)鍵之一。在溶出穩(wěn)度低到一定值（240攝氏度），則控制變頻調(diào)速裝置，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少進(jìn)入高壓溶出器的礦漿流量

21、（每降低1攝氏度，則減少礦漿流量0.5%）；若溶出溫度高到一定值（250攝氏度），則控制變頻調(diào)速裝置，提高電機(jī)速度，增加進(jìn)入高壓溶出器的礦漿流量（每提高1攝氏度，則增加礦漿流量0.5%），以保證溶出溫度的穩(wěn)定。礦漿經(jīng)19溶出器后，形成一定的壓差，為了保證正常生產(chǎn)，壓差應(yīng)盡量穩(wěn)定在左右。 溶出器需要監(jiān)測的量有:1#9#溶出器的壓力PT401PT409以及就地儀表顯示的量PI401PI409。在此次控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，溶出器部分包括3#溶出器溫度控制和9#溶出器液位控制。 3#溶出器需要將其溫度控制在工藝要求的溶出溫度245攝氏度左右，精度控制在+0.5攝氏度。而液位控制則采用兩個(gè)數(shù)字開關(guān)量來表示正

22、常和非正常情形。3.3 自蒸發(fā)器自蒸發(fā)器的作用主要是回收熱量。它由五個(gè)高壓罐組成，各級壓力逐漸降低，由下降到。在壓力下降的過程中，蒸汽會從礦漿中逸出。 其產(chǎn)生的蒸汽稱為乏氣。不同壓力的乏氣被送至雙程預(yù)熱器用作加熱礦漿。圖3.2 自蒸發(fā)器高壓罐#自蒸發(fā)器 4#雙程預(yù)熱器#自蒸發(fā)器 3#雙程預(yù)熱器#自蒸發(fā)器 2#雙程預(yù)熱器#自蒸發(fā)器 1#雙程預(yù)熱器為了既充分利用乏汽又保證自蒸發(fā)器正常工況，選擇自蒸發(fā)器壓力作為監(jiān)測量。自蒸發(fā)器需要監(jiān)測的量有：自蒸發(fā)器各級的壓力PT501PT505；同時(shí)還有就地顯示儀表PI501PI505。需要控制的壓力PC ,不能過高亦不能過低。在此次控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，自蒸發(fā)器部分

23、包括#，#，#自蒸發(fā)器壓力控制三部分。氧化鋁高壓溶出工序蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)分為#自蒸發(fā)器的分步控制，通過這五步的控制使壓力由降到。礦漿由#自蒸發(fā)器進(jìn)入，通過調(diào)節(jié)蒸汽流量來控制自蒸發(fā)器的壓力。給定的礦漿流量值經(jīng)過調(diào)節(jié)蒸汽來達(dá)到所要求的#自蒸發(fā)器的出口壓力值。之后礦漿進(jìn)入到#自蒸發(fā)器，經(jīng)調(diào)節(jié)最后由#自蒸發(fā)器流出，此時(shí)壓力為所需要的值。自蒸發(fā)器的壓力控制可以通過控制蒸汽的流量來調(diào)節(jié)壓力的變化，用壓力變送器來檢測壓力并返回控制。3.4 蒸汽緩沖器蒸汽緩沖器用于存儲高壓蒸汽，給1#溶出器和2#溶出器提供加熱蒸汽。其高壓蒸汽一般為。它有穩(wěn)定加熱蒸汽壓力的作用。在此次控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，蒸汽緩沖器部分包括蒸汽

24、緩沖器壓力控制。為了防止蒸汽緩沖器的礦漿倒流，其進(jìn)口壓力必須為3.3MPa,出口壓力為，若蒸汽緩沖器的進(jìn)出口壓力降低了，則給出報(bào)警信號。圖3.3 蒸汽緩沖器高壓罐蒸汽緩沖器需要監(jiān)視的量有：TT301和PT301；就地顯示的量有：TI301和PI301。蒸汽緩沖器中的蒸汽來自鍋爐房（熱電廠）。有新蒸汽Z2、Z3加入。此處需要監(jiān)測蒸汽的流量FT101和FT102（此處監(jiān)測蒸汽流量主要是為了與鍋爐房輸出的流量作比較，用作蒸汽費(fèi)用憑證）。新蒸汽的壓力是由電動閥門的開度來調(diào)節(jié)。氧化鋁高壓溶出3#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)4.1 總體方案論證4.1.1 單回路控制系統(tǒng)方案P（t）Pr單回路控制系統(tǒng)作為過程控制系

25、統(tǒng)中最簡單，最基礎(chǔ)，應(yīng)用最廣泛的形式，可解決工業(yè)生產(chǎn)過程中大量參數(shù)定值控制問題。其壓力控制基本形式如下圖：調(diào)節(jié)器閥門自蒸發(fā)器壓力變送器-圖4.1 單回路系統(tǒng)壓力控制基本形式其運(yùn)用到3#自蒸發(fā)器上，控制系統(tǒng)構(gòu)造如下圖：乏氣III#料漿PTPC圖4.2 單回路系統(tǒng)3#自蒸發(fā)器壓力控制確定被控變量內(nèi)。確定操縱變量影響3#自蒸發(fā)器罐內(nèi)壓強(qiáng)的有乏氣放出量和料漿進(jìn)入量，料漿進(jìn)入量不可控，故選擇乏氣放出量為操縱變量?？刂破髡醋饔玫倪x擇出現(xiàn)故障是應(yīng)選擇閥門全開以保證安全，故選擇氣關(guān)閥，Kv為為負(fù)；乏氣出口開度增加，罐內(nèi)壓強(qiáng)減小，故對象增益Kp為負(fù)；檢測變送環(huán)節(jié)Km為正；為保證為負(fù)反饋K開=KcKpKmKv大

26、于零，因此應(yīng)選擇控制器增益Kc為正，即為反作用控制器。4.1.2 串級控制系統(tǒng)方案由于使用單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間偏大，運(yùn)行時(shí)有較大的時(shí)間延遲，無法達(dá)到較好的控制質(zhì)量。而串級控制系統(tǒng)可以用一般常規(guī)儀表來實(shí)現(xiàn)，成本也增加不大，卻可以起到明顯的提高控制質(zhì)量的效果。在此設(shè)計(jì)任務(wù)中，乏氣出口的流量是影響壓強(qiáng)的主要因素，其時(shí)間常數(shù)較小，故可以把它納入負(fù)回路進(jìn)行控制，不僅有效克服了乏氣流量對壓強(qiáng)造成的干擾，而且使系統(tǒng)的工作頻率提高，能夠?qū)簭?qiáng)實(shí)行較快的控制。當(dāng)然還有一些其他的復(fù)雜控制方法，例如前饋控制等，但這些方案難以用一般常規(guī)儀表來實(shí)現(xiàn)，在經(jīng)濟(jì)和便捷性上不如串級控制。故綜上考慮，決定使用串級控制方案，其框

27、圖如下：圖4.3 3#自蒸發(fā)器壓力串級控制系統(tǒng)框圖其運(yùn)用到3#自蒸發(fā)器上，結(jié)構(gòu)如下：III#乏氣料漿PTPCFTFC圖4.4 3#自蒸發(fā)器壓力串級控制系統(tǒng)原理圖4.2 硬件設(shè)計(jì) 硬件連接由上面的所采用的控制方案可以得到，該控制系統(tǒng)硬件應(yīng)該有四部分組成：壓力檢測變送裝置，流量檢測變送裝置，控制閥，控制器?？刂破鞑捎脝纹瑱C(jī)實(shí)現(xiàn)。III#流量檢測變送器流量調(diào)節(jié)器壓力檢測變送器壓力調(diào)節(jié)器乏氣料漿圖4.5 硬件連接圖4.2.2 控制器 在此采用兩片單片機(jī)構(gòu)成其控制器部分。一片負(fù)責(zé)對壓力傳感器所得到的壓力進(jìn)行判斷，一片為主控制器，負(fù)責(zé)接收1#單片機(jī)與壓力傳感器所發(fā)送的信息，并作出判斷，并對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。

28、圖4.6 控制器結(jié)構(gòu)示意圖 壓力變送器依據(jù)操控變量，我們選取壓力變送器（當(dāng)壓力傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)電壓電流時(shí)，稱為壓力變送器）。依據(jù)被測壓力的大小，確定儀表量程。在測量穩(wěn)定壓力時(shí)，爭成操作壓力值應(yīng)在儀表測量范圍上限值的1/32/3。在脈動壓力測量（如泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)等出口處壓力）時(shí)，正常操作壓力值應(yīng)在儀表測量范圍上限值的1/31/2。在測量高、中壓力（大于4MPa）時(shí)，正常操作壓力不應(yīng)超過儀表測量范圍上限值的1/2?？紤]到工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，溫度、測量范圍要求高，安全性能高，故做如下選擇： 圖4.7 3351/1151壓力變送器技術(shù)參數(shù)如下：生產(chǎn)廠商： 杭州紐盛股份測量范圍： 00.05kPa到025

29、MPa 應(yīng)用范圍： 高可靠、高穩(wěn)定性，高靜壓，抗過壓強(qiáng)，可滿足各種惡劣工業(yè)環(huán)境 典型運(yùn)用： 工業(yè)流程控制量程范圍： 表壓：00.05kPa到025MPa，可約定過載范圍： 與測量范圍相關(guān)，最低1MPa，最高32MPa-具體參數(shù)可索取工作電壓： 1230VDC，24VDC輸出信號： 420mA，15VDC，HART,可約定補(bǔ)償溫度： -1080，可約定介質(zhì)溫度： -2585 環(huán)境溫度： -3085儲存溫度： -40125溫度影響： 0.02%F.S./(典型值)具體參數(shù)可索取電氣連接： 接線端子：防護(hù)等級： IP67螺紋接口： M20*1.5外螺紋，1/2NPT內(nèi)螺紋，1/4NPT內(nèi)螺紋，可約定

30、抗振動性： 20g，205000HZ抗沖擊性： 100g，11ms外殼材質(zhì)： SUS304不銹鋼、低銅鋁合金使用壽命： 1108壓力循環(huán) 流量變送器圖4.8 圖渦輪流量傳感器LWGY-10B產(chǎn)品介紹LWGY型渦輪流量傳感器（以下簡稱傳感器）與相應(yīng)的流量顯示儀表（如XSF-40A、XSF-39系列流量積算儀）配套，可用于測量液體的瞬時(shí)流量或總流量。廣泛用于石油、化工、冶金、科研等領(lǐng)域的計(jì)量、控制系統(tǒng)。根據(jù)需要，傳感器可分為普通型和高精度耐磨型兩種；放大器分為普通型和隔爆型兩種。 技術(shù)數(shù)據(jù) 公稱通徑mm 流量范圍(m3/h) 公稱壓力(MPa) 最大壓損 (MPa) 基本誤差0.2 基本誤差0.5

31、 基本誤差1.0。4.2.5 壓力控制閥產(chǎn)品型號：D73H對夾式硬密封蝶閥產(chǎn)品概述： 我廠引進(jìn)能夠國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用精密的J形彈性密封圈和三偏心多層次金屬硬密封結(jié)構(gòu)，被廣泛用于介質(zhì)溫度425的治金 、電力、石油化工、以及給排水和市政建設(shè)等工業(yè)管道上，作調(diào)節(jié)流量和載斷流體使用。該閥采用三偏心結(jié)構(gòu)，閥座與碟板密封面均采用不同硬度和不銹鋼制作，具有良好的耐腐蝕性，使用壽命長，本閥具有雙向密封功能，產(chǎn)品符合國家GB/T13927-92閥門壓力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1、本閥采用三偏心密封結(jié)構(gòu)，閥座與蝶板幾乎無磨損，具有越觀越緊的密封功能。2、密封圈選用不銹鋼制作，具有金屬硬密封和彈性密封的雙重

32、優(yōu)點(diǎn)，無論在低溫和高溫的情況下，均具有優(yōu)良的密封性能，具有耐腐蝕,使用壽命長等特點(diǎn)。3、碟板密封面采用堆焊鈷基硬質(zhì)合金，密封面耐磨損，使用壽命長4、大規(guī)格蝶板采用絎架結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，過流面積大，流阻小。5、本閥具有雙向密封功能，安裝時(shí)不受介質(zhì)流向的限制，也不受空間位置的影響，可在任何方向安裝。6、驅(qū)動裝置可以多工位（旋轉(zhuǎn)90或180）安裝，便于用戶使用。 圖4.9 D73H對夾式硬密封蝶閥4.3 控制算法一般來說，對于串級控制系統(tǒng)，主變量不允許有余差。對于副變量的要求一般都不是很嚴(yán)格，允許它有波動和余差。為了主變量的穩(wěn)定，主調(diào)節(jié)器必須具有積分總用。因此，主調(diào)節(jié)器通常都選用比例積分規(guī)律。有時(shí)，對象

33、控制通道滯后比較大，應(yīng)選擇比例積分微分作用的調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器。副調(diào)節(jié)器的給定值隨主調(diào)節(jié)器的變化而變化，為了能快速跟蹤，副調(diào)節(jié)器一般不設(shè)置積分作用，微分作用也不需要，因?yàn)楫?dāng)副調(diào)節(jié)器有微分作用時(shí)，一旦主調(diào)節(jié)器的輸出稍有變化，執(zhí)行機(jī)構(gòu)就將大幅度地變化。但副調(diào)節(jié)器容量之后比較大時(shí)，可以適當(dāng)加一點(diǎn)微分作用，一般情況下，副調(diào)節(jié)器只需要比例作用就可以了。本系統(tǒng)壓力控制時(shí)間常數(shù)較小，故主調(diào)節(jié)器不需要微分作用，選用比例積分調(diào)節(jié)作用。而流量對象時(shí)間常數(shù)很小，副調(diào)節(jié)器只用比例作用。4.4 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件主要由主程序、采樣程序、PID算法程序和一些子程序組成。主程序的主要功能是完成51單片機(jī)的初始化，設(shè)置壓力給定

34、值等。增量式PID算式為：uk=Kce(k)-e(k-1)+Kie(k)+Kde(k)-2e(k-1)-e(k-2)主程序流程圖如下：開始CPU初始化參數(shù)設(shè)定采樣子程序是否等于是否過高或過低調(diào)節(jié)閥門PID算法子程序報(bào)警YYNN圖4.10 主程序流程圖3#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)調(diào)試比例、積分和微分的分析5.1.1 比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）比例控制是一種簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成正比關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減小偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性

35、下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。5.1.2 積分調(diào)節(jié)（I調(diào)節(jié)） 單純的比例調(diào)節(jié)是很少使用的，一般只能用在擾動較少的場合。因?yàn)閱渭兊谋壤{(diào)節(jié)有調(diào)節(jié)余差。所謂調(diào)節(jié)余差，就是被調(diào)參數(shù)沒有完全恢復(fù)到給定值，就穩(wěn)定下來，不能再調(diào)節(jié)了。這個(gè)已調(diào)節(jié)的數(shù)值與給定值之間的差值，就稱為調(diào)節(jié)余差。 要改變這種情況，就必須改善調(diào)節(jié)器輸出信號跟偏差之間的關(guān)系，以使只要有偏差存在，那怕偏差極其微小，也會有輸出信號產(chǎn)生；經(jīng)過一段時(shí)間的積累，就會有足夠的輸出去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)以消除偏差。這種調(diào)節(jié)規(guī)律就是所謂的積分調(diào)節(jié)。 如圖所示，突然出現(xiàn)偏差后，調(diào)節(jié)器的輸出會逐漸地變化。偏差越大，輸出信號的變化速度也就越大；偏差信號存在的時(shí)間越長，輸

36、出的信號也就越大。直到偏差為零時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出信號才停止變化。所以，積分調(diào)節(jié)能夠有效地、較為準(zhǔn)確地維持被調(diào)參數(shù)在給定值附近。由此可見，能夠消除余差是積分調(diào)節(jié)的最大的優(yōu)點(diǎn)。 在積分調(diào)節(jié)器中，常以積分時(shí)間的長短來說明積分作用的強(qiáng)弱。積分時(shí)間短，積分作用就愈強(qiáng)，變化也就愈快，就可以在較短的時(shí)間內(nèi)把被測參數(shù)調(diào)整好。積分調(diào)節(jié)器的缺點(diǎn)在于它的滯后作用。也就是說，積分調(diào)節(jié)會使調(diào)節(jié)過程增長，不能立即采取措施。5.1.3 微分調(diào)節(jié)（D調(diào)節(jié)）在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）

37、或有滯后組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。5.2 PID參數(shù)整定方法5.2.1 采樣周期的選擇首先要考慮的因素 香農(nóng)定理給出了采樣周期的上限。根據(jù)采

38、樣定理，采樣周期應(yīng)滿足 其中為被采樣信號的上限角頻率。采樣周期的下限為計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制程序和輸入輸出所耗費(fèi)的時(shí)間，系統(tǒng)的采樣周期智能在和之間選擇。采樣周期既不能太大也不能太小。太小時(shí)，一方面增加了微型計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，不利于發(fā)揮計(jì)算機(jī)的功能；另一方面，兩次采樣間的偏差變化太小，數(shù)字控制器的輸出值變化不大。因此，采樣周期應(yīng)在和之間，即 若選擇采樣周期在和之間，則體統(tǒng)可以穩(wěn)定工作，但控制質(zhì)量較差，因?yàn)檫@時(shí)不能滿足采樣定理，丟失了部分信息。若采樣周期選擇在了和之間，滿足采樣定理，可得到較好的控制質(zhì)量。（2）其次要考慮到一下各方面的因素 給定值的變化頻率 加到被控對象上的給定值變化頻率越高，采樣頻率應(yīng)越高。

39、這樣給定值的改變可以迅速得到反應(yīng)。 被控對象的特征 若被控對象是慢速的熱工或化工對象是，采樣周期一般取得較大；若被控對象是較快速的系統(tǒng)時(shí)，采樣周期應(yīng)取得最小。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作慣性大，采樣周期也應(yīng)大一些，否則執(zhí)行機(jī)構(gòu)來不及反應(yīng)數(shù)字控制器輸出值的變化。 控制算法的類型 當(dāng)采用PID算式時(shí)，積分作用和微分作用與采樣周期的選擇有關(guān)。選擇采樣周期太小，將使微分積分作用不明顯。因?yàn)楫?dāng)小到一定程度后，由于受計(jì)算機(jī)精度的限制，偏差始終為零。另外，各種控制算法也需要計(jì)算時(shí)間。 控制的回路數(shù) 控制的回路數(shù)與采樣周期有下列關(guān)系 式中，指第回路控制程序執(zhí)行時(shí)間和輸入輸出時(shí)間。5.2.1 擴(kuò)充臨界比例度法選擇PID參數(shù) 擴(kuò)充臨界比例度法是以模擬調(diào)節(jié)器中使用的臨界比例度法為基礎(chǔ)的一種PID數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法。整定步驟如下：選擇合適的采樣周期，系統(tǒng)閉環(huán)工作,調(diào)節(jié)器作純比例控制。逐漸加大比例 ，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。選擇控制度?？刂贫染褪且阅M調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，