糖厂均匀进榨控制理念及流体恒流量控制逻辑

2019-09-04陆继波罗扬雄王焰伟闵亚光

甘蔗糖业 2019年4期

郭凯，陆继波，罗扬雄，王焰伟，闵亚光*

(1昆明克林轻工机械有限责任公司，云南昆明650102；2孟连昌裕糖业有限责任公司，云南孟连665800)

0 引言

均衡稳定生产对甘蔗制糖来说至关重要，这不仅是因为甘蔗汁的化学处理需要保持物料的均衡流动，而且稳定的甘蔗入料也是保证产汽发电和水电汽平衡的基础，同时可以减缓生产过程动力消耗的负荷波动。实现甘蔗制糖均衡生产的第一要素是甘蔗的均匀入榨；第二要素是生产过程各关键控制点的流量稳定。

均匀进榨有2种理念，一是像国内糖厂普遍采用的基于核子秤信号自动调节入蔗带速度，以保证进入第一座榨机甘蔗的平均重量基本恒定。核子秤调节了入蔗带速度，为保持高位槽的稳定料位，料位计只能调节本座榨机的转速。另一种是国外糖厂普遍采用的以高位槽料位计前馈调节入蔗带速度，第一座榨机不再调速，设定一个恒定转速。在很长的一个时间周期内，一个恒定的转速以及恒定的高位槽料位对应了一个恒定的榨量，而且恒定榨机转速对应的榨量不再是甘蔗的重量，而是其中纤维分的处理量。

1 基于核子秤信号的均匀进榨控制理念

国内甘蔗糖厂采用核子秤自动调节一二级入蔗带的速度起源于20年前，至今仍作为糖厂均匀进榨的控制方式。在开发核子秤应用的初期，国内还没有引入榨机高位槽以及利用高位槽料位作为预处理和压榨工段的控制参数起点；另是因为当时没有引入DCS控制手段，仅用核子秤无法实现预处理和压榨全工段的集成控制。在相当长的一段时间里，核子秤对于糖厂均衡稳定生产起了很大作用。

近10年来，国内糖厂的甘蔗压榨工段相继采用了高位槽和DCS控制。但由于长期的固化思维，核子秤仍然作为单独的均匀进榨，自成系统，独立控制预处理工段；而高位槽料位控制榨机转速则作为DCS控制的起点，独立控制压榨机列。大多数糖厂2个控制系统并行，互不接口，或接口数据不准确或不兼容，而且2个自控系统往往是由不同公司提供，较难协作或维护，具体体现如下：

其一，核子秤控制了一二级入蔗带速度，但入蔗带本身的电流和上面刀机的电流信号是需要压榨工段的DCS监控、保护或连锁。于是核子秤追求的是榨量稳定，DCS要控制负荷及连锁，整个控制系统并不顺畅，需要人工在2个控制系统之间频繁照顾和操作。

其二，以核子秤信号送进压榨机的是累计平均甘蔗重量，为保证甘蔗平均重量恒定，一二级入蔗带必须处在频繁调速中，则进入第一座高位槽的甘蔗量也是波动的。为保证高位槽的恒定料位，料位计也必须频繁调节第一座榨机的转速，于是第一座榨机的驱动电机负荷一直处在较大的波动中。由于入榨甘蔗的波动和第一座榨机的负荷波动，在随后的几座榨机也采用高位槽料位调节本座榨机转速的控制逻辑中，也就不可避免的发生较大的负荷波动。

其三，以核子秤信号送入的甘蔗是平均重量，而榨机的压榨能力和负荷是与纤维分含量相关，纤维分含量的变化导致榨机处理同等重量的甘蔗其负荷和转速是不同的。即使人工下蔗的水平很高，或核子秤信号送入的甘蔗重量能尽量保持平稳，但来自于每个地块的每车甘蔗纤维分的变化仍会导致压榨机入榨能力和负荷的变化，所以压榨机频繁调速在所难免。

综上，以核子秤信号作为预处理工段均匀入榨控制的起点，虽然起到了稳定生产的作用，但却带来了榨机列的频繁调速和较大负荷波动。

2 基于高位槽料位信号的均匀进榨控制理念

国外糖厂的预处理压榨工段很早就采用了DCS控制系统，从开发和使用之初就没有核子秤或皮带秤之类的基于甘蔗重量的均匀进榨理念，而是全部采用第一座榨机高位槽料位前馈调节带速，并顺级按比例前调。预处理和压榨工段采用整体集成控制，一套DCS系统。由于高位槽料位信号用于调节前面入蔗带速度，则第一座榨机不必调速，设定一个恒定转速。在高位槽保持料位的前提下，榨机的每一个恒定转速就代表一个榨量，经过短时摸索，比如电机设定500 r/min代表榨量300 t/h，510 r/min代表榨量320 t/h，以此类推。

值得关注的是，测试是在很低的SHR条件下（重量比1.02）进行，一般情况下会限制催化剂的活性和选择性。因此，预期测试中副产物生成量会升高，同时为了保持恒定的转化率需要高更高的入口温度。

其一，保持高位槽的稳定料位，维持第一座榨机转数恒定，此时通过榨机的纤维量恒定，入榨的甘蔗重量随纤维分的变化略有波动，但榨机能力的标志就是处理甘蔗纤维的能力，因此恒定的榨机转速其负荷最为稳定，而且可以根据电流负荷情况有效调整或提高当前榨量。

其二，后几座榨机仍然用高位槽料位调节本座榨机，但由于通过各座榨机的纤维分是恒定的，所以各座榨机都保持了很小的调速范围，负荷波动也随之减小，这也是纤维分恒定的优点。

其三，第一座高位槽料位调节前面带速，高位槽信号作为整体DCS控制的起点，将预处理和压榨工段集成控制，方便了设备的操作、监控、连锁和维护。

综上，在没有核子秤或皮带秤参与控制的情况下，采用高位槽设定的稳定料位作为DCS集成控制的基础，不仅操作更为简化、控制系统流畅，也节省了投资和维护成本。当然，在现有核子秤已经使用的糖厂，可以试着转换控制逻辑，以核子秤的榨量信号仅作为重量累计或第一座榨机恒转速设定的参考。广西贵糖集团是国内第一家引入高位槽的应用并采用上述纤维分恒定的DCS控制理念，其效果是：榨机负荷明显平稳，有效提高了榨量和抽出率，而且蔗渣水分稳定[1]。当时也曾购入了一台核子秤，但仅作为榨量累计和榨机恒转速设定的参照，不参与系统控制，也起到了有益的作用。

3 榨机恒转速的初步试验

对于第一座榨机采用恒定转速的控制理念我们在糖厂做了一个简单试验。当时糖厂的第 1至第 5座榨机的负荷波动非常大，驱动电机的电流在950 A保护上限之内以超过200 A的范围快速跳跃。查找原因，部分是由于核子秤均匀进榨控制方式导致DCS系统频繁以高位槽料位调节第一座榨机的转速，并幅度在450～600 r/min之间。也就是预处理工段实现了均匀进榨，但却是以榨机的负荷产生较大波动为代价。我们试验暂停了第一座榨机的调速，从DCS上固定了一个恒定转速，维持了一段时间，观察第一座和各座榨机的负荷，发现电流的波动比较明显的减缓。此时核子秤的均匀进榨控制并没有停止，高位槽的料位因不再指导榨机调速而上下波动，如果能够进入核子秤和DCS系统改变设置，用高位槽料位调节前面的带速并保持本身稳定的料位，实现榨机转速恒定及纤维分恒定的进榨方式，其效果会更好。

4 流体的恒液位控制逻辑

近几年，很多糖厂采用了全生产线或澄清蒸发工段的DCS控制系统，其中最主要的控制目标就是各物料箱罐的液位自控。对于大多数箱体采用液位控制无非就是保证出口泵机不会抽空，保护了泵机的叶片减少磨损，或防止箱内物料冒罐。采用液位计恒定液面属于恒液位控制逻辑，这对于大多数小箱罐防止抽空和冒罐是正确的。图1是这种控制逻辑的 P&ID简图，液位计的设定值调节泵机出口控制阀，或调节泵机的变频器，保证了箱体内液位的恒定。

图1 箱体恒液位控制的P&ID示意图

但这种恒液位控制不应该是液位自控的全部初衷，因为液位在箱罐内的稳定就意味着流体输送的波动，毕竟糖厂运行的物料一直处在波动之中。在没有自控的糖厂中，箱体泵机后的出口手动阀门基本不做调节，保持一个合适的开度，让箱体液位上下浮动，反而保证了流体的稳定输送。有些关键点的箱罐容积做的很大，其目的就在于用箱罐内液位的波动换取流体输送的稳定。

我们考察了很多上了DCS控制的糖厂，无论是新建还是老厂，千篇一律地将所有箱罐都做了恒液位控制，而且箱体又做的很大，失去了本来的意义。对一些关键点的大箱罐，如果全部采用恒液位控制，其自控的效果还不如手动操作。

5 流体的恒流量控制逻辑

另一种液位控制逻辑是采用恒流量控制，在箱体出汁管路上安装一个流量计，设一个与当前榨量匹配的初始流量，然后用流量计的设定值控制出口调节阀或泵机变频器，保证一个恒定的出汁流量。恒流量出汁则意味着液位在箱罐内会随着来料量的变化上下窜动，但却保证了出汁流量的稳定，是真正意义的液位控制理念，也体现了大箱罐作为流量缓冲的最原始意义。

在恒流量控制的情况下，箱体液位的上下浮动达到一个液位计信号的限点HH或LL，控制程序会使流量计自动增加或减少一个比例，缓慢修正恒流量对应当前的榨量。箱体越大，缓冲能力越强，恒流量保持的时间就越长，即使自动调节流量的增减，也会非常缓慢，调节后又会在很长一段时间内保持恒流量。图2是这种恒流量控制的P&ID简图，以流量计的设定值为基本控制参数，液位计作为流量计二次修正调节参数。

图2 箱体恒流量控制的P&ID示意图

恒流量控制在某些关键点是完全必要的，糖厂的混合汁箱、中和汁箱、清汁箱就应该采用恒流量的控制逻辑，而且这些箱体都比较大，控制效果会更好。一般来说，所有参与化学反应、加热、蒸发、沉降和上浮等需要控制工艺指标的物料都需要采用这种恒流量控制方式。

混合汁需要泵去加热器，需要控制准确的温度，尤其随后进入硫熏中和操作，稳定的流量才能有效控制硫熏强度和加灰后的化学反应。

中和汁也需要加热，并且对温度的要求更严格，而随后进入沉降器更需要一个稳定的流量。沉降器操作的要素之一就是入料稳定。在澳大利亚SRI开发的快沉器的设计文件中，明确指出了进入沉降器的流体波动范围每分钟不能超过4%，而且要求必须采用恒流量的控制模式。

清汁进入蒸发，参与汽液两相的热交换和全厂用汽平衡，如果入料波动大，不仅难以控制糖浆的锤度，对加热和煮糖用汽以及全厂的热平衡均产生不利的影响。因此，清汁的恒流量控制尤为重要。更进一步，清汁的恒流量需要控制蒸发末效糖浆的锤度，并且还有紧急补水的控制功能，有报道[2]曾详细介绍了这种清汁参与蒸发系统集成控制的逻辑。

其它关键点还包括滤汁小快沉、糖浆上浮或糖浆硫熏等等，都应该采用恒流量的控制理念。