制氧区域循环水液位控制方案的优化与设计

夏挺

江西铜业集团公司贵溪冶炼厂 江西 贵溪 335424

引言

贵溪冶炼厂近几年通过用水改造后主要的生产车间最少都有1-2套循环水处理系统。循环水处理系统通过对生产用水回收处理再利用，大大节约了水资源。制氧区域循环水系统主要由净化水补水、回水、冷却塔、溶解槽、循环水池、纤维球过滤器、出水泵、出水管等部分构成。循环水池通过泵打出水，一部分去用户，一部分经过纤维球过滤器过滤后回到循环水池。少量的净化水通过溶解池添加药剂（杀菌剂、阻垢剂）通入循环水池。回水因温度较高，需通过冷却塔进行风冷后回到循环水池。循环水在使用过程中会有蒸发等损耗，因此需从外部补充净化水。

在日常生产中，循环水系统因蒸发等原因会有损耗。因此需要根据情况进行补水。补水控制依据是循环水液位。通过液位的设定，进行PID控制，控制补水阀开度。当液位达到设定值，阀门全关[1]。当液位低于设定值，阀门给出一定开度，进行补水。因此，液位指示准确性尤为重要。如果指示比实际液位低，进水阀不断进水，导致实际液位溢出。如果指示比实际液位高，进水阀一直处于全关，导致无法进水，最终循环水干涸，设备无法冷却造成停产。

总结循环水液位的相关故障及液位控制方案，并对这些故障进行分析，找出循环水液位控制故障的关键问题所在，逐步地减少或解决这些故障，是保障循环水液位控制准确最直接、有效的办法，也是下文的主要论述方向。

1 原有的液位控制方案

制氧区域循环水液位控制主要分两部分。一部分是一台液位指示，另一部分是一台补水阀门。通过液位的设定，进行PID控制，控制补水阀开度。当液位计指示故障，补水阀门会根据虚假液位给出开度。工艺人员通常无法判断液位真实性而采取相关措施。当液位指示真实，而补水阀故障。工艺可关闭前后截止阀。并根据液位指示手动开关旁通管的手动阀进行补水操作。因此可以看出，液位真实准确才是液位控制的关键所在。

原有液位计为超声波液位计。其工作原理为[2]：利用超声波在气体、液体或固体中的衰减、穿透能力和声阻抗不同的性质来测量两种介质的界面。它是由探头发射超声波并接受回波，变换器对回波信号进行处理并转换成4～20mA信号输出。超声波液位计存在一些缺点：声波下面不宜有障碍物；有水雾、易产生大量泡沫性的介质、易挥发性介质的场合，容易吸收声波或干扰声波发射，使得信号丢失、精度下降。

通过对原有液位计故障的统计，主要有以下一些原因：①受大型电机（如泵）的干扰。②液位计探头处有蜘蛛网，结垢等。③液位计探头下方水面产生雾气。④液位计探头下方水面产生泡沫、漂浮物。⑤液位计开路。

通过超声波液位计的缺点及故障统计不难看出，主要的故障原因很多都是因为超声波液位计自身工作特性导致的，无法避免。

2 液位指示优化

实现循环水液位控制仅使用一台超声波液位计明显无法做到稳定可靠。使用“二选一”显示要比单点显示可靠的多。因此需再安装一台液位计实现冗余。

加装的液位计需满足以下条件：①安装方便简单。②测量精度高，稳定可靠。③适用于循环水的液位测量。④不同于超声波液位计工作原理，合理避开超声波液位计工作特性的缺陷。

最终通过筛选，选择使用投入式液位计。

投入式液位计的工作原理：投入式液位计基于所测液体静压与该液的液位高度成正比例的原理P=ρgh（其中P=压力，ρ=介质密度，g=重力加速度，h=测量点的深度），采用扩散硅或陶瓷敏感元件的压阻效应，将静压转换成电信号。

投入式液位计的优点[3]：①稳定性好，精度高，性价比高。②直接投入到被测介质中，安装使用方便。③无可动部件，可靠性高，使用寿命长。④不受被测介质起泡、沉积、电气性的影响。

通过两类液位计的对比，投入式液位计满足要求且可以弥补超声波液位计的缺陷。两液位计均在线显示，且互为冗余。

3 控制方案的优化

实际生产中，循环水液位控制只选用一台液位计作为控制目标。因此必须体现液位异常情况及提供切换控制功能。以便于工艺人员判断及切换。

根据液位计主要故障：波动、假值、开路。如果作为控制目标的那台液位计出现这些故障，自动控制状态下必然会导致补水阀处于一种非正常开、关的调节，或者不调节。长时间必然导致实际液位与该台液位计指示偏差较大。咨询工艺人员，认为如果两台液位偏差超过0.5m以上就可以认定液位指示不正常。通过更改控制程序，可以实现。具体如图1：

图1 循环水液位报警逻辑示意图

如图1所示：当两液位偏差绝对值大于0.5m时触发循环水液位偏差报警；当液位1开路或液位2开路或循环水液位偏差报警中的任意一条满足，触发循环水液位异常报警。与此同时，制作一个 “液位切换”按钮。当循环水液位异常被触发，在流程图画面弹出“液位异常”文字提醒和“液位切换”按钮。

液位正常时显示画面如图2：

如图2所示，在正常显示状态下可以看到两液位计的实时值，并且数值偏差很小。

液位故障状态时显示如图3：

图3 循环水液位故障显示状态

如图3所示，当液位计故障时触发“循环水液位异常”报警，此时会在操作画面弹出“液位异常”文字提醒及“液位切换”按钮。可对液位计选择进行切换。

至此，循环水液位控制方案的优化与设计已全部完成。

4 结束语

优化控制方案的目的是为了更好地服务生产，弥补存在的漏洞。首要条件就是要查找出漏洞的关键所在。在不影响工艺流程及正常生产的前提下寻找出有效、严密的方案。本方案自2019年2月在动力车间制氧区域各循环水实施以来至今，所辖区域的循环水液位未出现过液位控制失控的情况。此方案对其他的重要液位点的控制也可以起到借鉴、推广作用。