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氧化铝管道化高压溶出生产智能分析与决策系统的研究

时间 2011-07-11 点击 1250
氧化铝管道化高压溶出生产智能分析与决策系统的研究
辛鹏辉1   谢维宜2    李晋鸿3
(1郑州中实赛尔科技有限公司,河南 郑州 450001)
                                                       (2河南中美铝业有限公司,3北方工业大学)
 
     摘要:国内高压溶出控制系统绝大部分主要靠人工进行干预调节,对人员依赖性强,需要高素质、经验丰富的操作员工。为了更好的控制整个高压溶出生产过程,开发出一套氧化铝高压溶出生产智能分析与决策系统,收集现场工艺人员与技术人员多年的工作经验,建立模糊专家系统规则库,根据目前各子系统及整个系统的运行状况,进行分析与推理,为工作人员提供部分子系统的系统参数的修改建议,对模糊控制系统参数进行自修改,进行系统故障报警与预测,系统结疤情况预测分析等,彻底解决高压溶出系统中在高温高压环境下系统调节结果的预知能力。
     关键词:拜耳法;管道化高压溶出;智能分析与决策;模糊专家系统;管道结疤预测
 
1、前言
    拜耳法生产氧化铝是目前氧化铝生产的主要方法,在整个氧化铝生产方法中占比例最大。
高压溶出是拜耳法生产氧化铝的主要工序之一。溶出的目的在于将铝土矿中的氧化铝水合物溶解成铝酸钠溶液,溶出效果的好坏直接影响生产氧化铝的技术经济指标。实际生产中影响溶出过程的主要因素有:溶出温度、溶出时间、Al2O3溶出率、碱耗、热耗等。
目前氧化铝高压溶出生产方法多为计算机系统监控结合人工手动调节模式。由于高压溶出工艺中是高温高压过程,存在一定的危险性,操作人员必须高度认真负责,合理操控才能实现顺利达标达产。因此,在计算机技术蓬勃发展的今天,开发出一套适合氧化铝高压溶出工序的智能化控制系统势在必行。
2、管道化高压溶出基本工艺过程
    原料制备工序制取的原料矿浆经脱硅槽进行预脱硅处理后,送至矿浆高位槽,根据矿浆实际密度可加入循环母液调配矿浆密度,然后经高压隔膜泵送入1~8级套管预加热器进行预热,随后在第九级预加热器通过熔盐加热将温度控制在260~270℃左右送入停留罐进行溶出,溶出时间大约60分钟;溶出后的矿浆进入8级自蒸发器中降温降压,降温降压过程中产生的二次蒸汽返回到1~8级预热器加热矿浆。降温到140℃的矿浆进入稀释槽稀释后送往赤泥处理工段。
 

图1  管道化高压溶出流程简图

3、管道化高压溶出工艺过程中控制要点及联锁关系
  3.1、控制要点
    在高压溶出过程中,高压隔膜泵是整个系统中的核心设备,是整个溶出过程的动力源,因此,高压隔膜泵的控制是溶出系统的控制要点。
    要保证溶出系统最终的溶出效果,必须保证合格的溶出温度,为9级预热器提供热源的熔盐炉也是溶出系统的控制要点。
     1~8级矿浆自蒸发器中料浆液面的控制,实际是溶出矿浆的一个降温降压过程,该过程控制的好坏直接影响矿浆的溶出效果,因此也是溶出控制系统的要点。
1~8级冷凝水罐自蒸发器液面的控制,直接关系到1~8级矿浆预热器的预热效果,间接影响矿浆的溶出效果,因此也是溶出控制系统的要点。
3.2联锁关系
隔膜泵出口总管压力
隔膜泵出口总管压力与隔膜泵之间联锁控制,当隔膜泵出口压力〉10MPa时系统报警,当隔膜泵出口压力〉10.5MPa时跳停高压隔膜泵。
1~6级停留罐压力
1~6级停留罐压力正常值应该为5MPa左右,当任一级停留罐压力超过6.5MPa时,系统报警,超过7.0MPa时跳停高压隔膜泵。
停留罐出口总管压力
停留罐出口总管压力正常值为5MPa左右,当停留罐出口总管压力超过6.5MPa时,系统报警,超过7.0MPa时跳停高压隔膜泵。
1~6级停留罐温度
1~6级停留罐温度正常值为260~270℃,当任一级停留罐温度超过300℃时,系统报警,并调整熔盐炉温度。
1~8级矿浆自蒸发器液面
1~8级矿浆自蒸发器液面正常时应控制在60%,当液面高于80%时系统报警,等于100%时停止高压隔膜泵供料。
4、当前高压溶出工艺过程中的控制现状
目前国内高压溶出过程控制方式没有固定模式。自成体系的控制系统,都在自身小范围内调整。比如高压隔膜泵及熔盐加热系统,作为较独立的大型设备,设备厂商自带控制系统,系统自行调节自身范围内的相关参数,没有与主流程紧密结合起来构成一个有机的整体型控制系统。主流程控制系统大部分功能是监视和报警,自动调节方面仅限于简单的过程单回路调节,比如自蒸发器的液面调节、自蒸发冷凝水罐液面调节等。单纯的调整液位只是解决参数的稳定化问题,并不能达到整个系统预期的控制目标,因为在整个高压溶出过程中要想达到预期的溶出效果,各种关联因素较多,一个受控对象可能有几个因素同时影响(非线性、非最小相位特征、不稳定性、时滞和负荷干扰等),常规控制仅仅是将单变量、强耦合的复杂过程化为多个单回路的跟踪调节, 只是解决参数的稳定化问题。例如矿浆自蒸发器液位的调整,液位调整的是否合理不止是影响到矿浆自蒸发器的液位,同时影响矿浆自蒸发器的温度以及压力,进而影响预热器的预热温度,最终导致矿浆的溶出温度的变化而影响溶出效果。因此国内高压溶出控制系统绝大部分主要靠人工进行干预调节,对人员依赖性强,需要高素质、经验丰富的操作员工。为了更好的控制整个高压溶出生产过程,解决现有生产过程的弊病势在必行。
5、氧化铝高压溶出生产智能分析与决策系统
根据目前国内高压溶出过程控制方式及现状,开发出一套氧化铝高压溶出生产智能分析与决策系统。
5.1、   高压溶出系统设计原则
l         安全可靠;
l         稳定、实用;
l         智能化;
基于以上的设计原则,我们保留了传统的成熟的控制部分,如熔盐炉控制系统、隔膜泵控制系统,以及矿浆自蒸发系统等各泵的PI调节控制器,将设计重点放在智能化分析与决策上,引入人工智能的新技术、新方法,充分吸收多年来工艺人员的经验,从而提升系统管理与控制水平,系统框图见图2。

规则组选择
高压溶出
模糊专家系统
高位槽
模糊控制系统
矿浆自蒸发器
模糊控制系统
规则组1
规则组n
参数修改
参数修改
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 

图2    氧化铝高压溶出生产智能分析与决策系统框图
5.2、   高压溶出模糊专家系统
高压溶出模糊专家系统采用人工智能技术,收集现场工艺人员与技术人员多年的工作经验,建立模糊专家系统规则库,根据目前各子系统及整个系统的运行状况,进行分析与推理,为工作人员提供部分子系统的系统参数的修改建议,对模糊控制系统参数进行自修改,进行系统故障报警与预测等,主要完成以下几项内容:
l         分析、决策熔盐炉控制系统参数的修改,并提供给工作人员参考;
l         分析、决策隔膜泵控制系统参数的修改,并提供给工作人员参考;
l         系统故障报警;
l         系统故障分析、预测;
l         安排检修计划;
l         高位槽模糊控制系统参数的自修正;
l         分析并决策矿浆自蒸发系统模糊控制规则组的选择;
l         矿浆自蒸发系统模糊控制系统参数的自修正;
5.3、   高位槽模糊控制系统
采用模糊控制技术,依据实时检测的连接密度,每隔一定时间调整一次泵的开度,上层模糊专家系统会根据人工化验的密度自动修正模糊控制系统的参数,如输入、输出各因素的论域值的大小、标准/设定值等,提高模糊控制系统的控制精度与效果。
5.4、   矿浆自蒸发系统模糊控制系统
采用模糊控制技术,依据实时检测的电导率及压力,每隔一定时间决策一次各自蒸发器的液位设定值,上层模糊专家系统会根据系统的状况自动修正模糊控制系统的参数,如输入、输出各因素的论域值的大小、标准/设定值等,提高模糊控制系统的控制精度与效果,并且会依据整个系统的运行状况,如原矿浆的质量、管道结疤等现状,自动决策矿浆自蒸发系统将采用n套规则中的第几套作为目前系统运行的规则,从而较好地模拟了氧化铝高压溶出车间各班组的决策理念。
6、氧化铝高压溶出生产系统难点
氧化铝生产管道化溶出中控制的难点在于自蒸发系统和冷凝水系统的液位控制。自蒸发系统共有8 个自蒸发器用于完成反应后的矿浆的减温减压, 延长矿浆反应时间,提高溶出率, 其减温减压过程中所产生的蒸气用于对原矿浆进行预热, 自蒸发系统液位的控制直接关系到溶出指标的好坏和系统的节能降耗。但由于8 个自蒸发器依次相通,液位相互影响, 因此, 实现液位自动控制难度比较大, 采用传统的控制方法难以达到满意的效果。而人工调节不仅劳动强度大, 也不容易实现系统平衡。
系统管道结疤情况预测也是管道化溶出系统的难点问题,传统处理系统结疤的方法只是根据经验判断,或者根据系统运行的时间来决定是否进行系统停车来清理结疤,没有一个科学的结疤预测系统,所以可能造成溶出生产力率的下降。
7、氧化铝高压溶出生产智能分析与决策系统的创新点
新型的管道化高压溶出生产智能分析与决策系统引入人工智能的新技术,在原有DCS控制方式中融入模糊专家系统,收集现场工艺人员与技术人员多年的工作经验,建立模糊专家系统规则库,根据目前各子系统及整个系统的运行状况,进行分析与推理,为工作人员提供部分子系统的系统参数的修改建议,对模糊控制系统参数进行自修改,进行系统故障报警与预测,系统结疤情况预测分析等,彻底解决高压溶出系统中在高温高压环境下系统调节结果的预知能力。
8、氧化铝高压溶出生产智能分析与决策系统的效果
采用智能分析与决策系统可以实现:
1、  合理指导管道化生产过程
2、  协调工艺参数
3、  系统故障预报警
4、  管道结疤情况预测分析
5、  智能模糊控制,减少人员失误
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