CN112684772B - 一种氧化铝溶出的热平衡控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化铝溶出的热平衡控制系统及方法，用于控制末级套管加热器的新蒸汽输入量，所述控制系统包括：数据获取单元、知识库、智能处理模块和操作系统，末级套管加热器输入端分别连接蒸汽支管，蒸汽支管上分别设置调节阀，所述调节阀分别连接操作系统。本设计通过知识库建立末级套管加热器之间的温度变化与新蒸汽输入量的相关模型，经过数据获取单元获得温度值后反馈至操作系统，再与知识库模型比对，通过智能处理模块模糊推理出新蒸汽调节输入量，经操作系统控制调节阀开度，实时精确调节各级套管加热器的温度，提升热平衡的稳定性，从而提高氧化铝溶出率，提高最终氧化铝产品质量。

Description

一种氧化铝溶出的热平衡控制系统及方法

技术领域

本发明属于氧化铝生产技术领域，具体涉及一种氧化铝溶出的热平衡控制系统及方法。

背景技术

拜耳法生产氧化铝过程中溶出是关键的一道工序，不仅铝矿浆溶出的效果会影响整个氧化铝生产的质量，而且溶出工序的特点是高温高压，是氧化铝厂生产安全的重点防护对象，如果控制不当对设备安全和人身安全都存在很高的安全隐患。而整个溶出工序的热平衡建立，是其生产过程控制的关键。

现三水铝石矿的溶出工序工艺技术，经过8级套管加热器加热铝矿浆，加热加压至达到满足生产的高温高压指标参数后进入保温停留进行溶出反应，之后铝矿浆经过4级闪蒸器降温降压后进入溶出后续生产工艺流程。其中末级5-8级套管加热器由其他工序提供的新蒸汽进行加热，4级套管加热器由给末级加热后新蒸汽的二次汽加热，1-3级套管加热器由上级产生的冷凝水并经过闪蒸器闪蒸加热后的二次汽加热。

以上描述的相关设备、仪表现均已接入溶出的DCS控制系统。新蒸汽、二次汽、套管加热器、闪蒸器等相关设备仪表已实现自动化控制。每级的参数由溶出工序的操作工在DCS工作站上进行设定和调整，实现生产控制。但是在溶出DCS控制系统中，整体溶出工序的热平衡仍由人工凭借工序的生产经验，人工手动调节各级的温度，以实现整体热平衡。

因工艺生产要求，若对某一级进行参数调整，调整后需由人工观察其他各级的参数变化，再决策其他各级的参数调整，从而对整体热平衡调整，这种调整方式存在滞后性；此外，在人工调整期间，整体热平衡存在扰动，导致控制精度不高。

发明内容

本发明的目的是，提供一种氧化铝溶出的热平衡控制系统及方法，通过使用溶出热平衡APC系统代替人工调整参数，解决在热平衡调整中存在滞后性的问题，减少扰动，提高控制精度，提升整体热平衡稳定性。

本发明采用的技术方案是，一种氧化铝溶出的热平衡控制系统，用于控制末级套管加热器的新蒸汽输入量，所述末级套管加热器包括多级套管加热器，所述控制系统包括：

数据获取单元，获取末级套管加热器中各级套管加热器的温度值；

知识库，利用多组生产参数数据建立末级套管加热器中各级套管加热器之间的蒸汽输入量联系；

智能处理模块，根据各级套管加热器的控制关系，通过与知识库数据模型逐级模糊推理，得出各级套管加热器的新蒸汽调节的输入设定值；

操作系统，执行控制输出由智能处理模块设定的各级套管加热器新蒸汽调节输出设定值；

其中，所述末级套管加热器输入端分别连接蒸汽支管，各级蒸汽支管并联后接入蒸汽总管，所述蒸汽支管上分别设置调节阀，所述调节阀分别电气连接操作系统。

进一步的，所述蒸汽总管连接供汽设备，并且蒸汽总管上设置调节阀，所述调节阀连接操作系统。

进一步的，所述知识库中的生产参数包括：

二次汽加热，各级闪蒸器二次汽温度，各级闪蒸二次汽调节阀开度，以及前级套管加热器换热后的二次汽及冷凝水温度；

前级套管加热，包括前级套管加热器的温度；

末级套管加热，包括末级套管加热器的温度，各级新蒸汽温度；

新蒸汽调节，包括蒸汽总管调节阀开度给定值，蒸汽支管调节阀开度给定值。

进一步的，所述数据获取单元包括数量与末级套管加热器匹配的温度传感器，所述温度传感器对应安装在各级套管加热器内，并且分别连接控制系统。

进一步的，所述知识库和智能处理模块采用APC系统，所述操作系统采用DCS控制系统，所述APC系统通过通信网关适配DCS控制系统匹配的通讯协议进行数据交换。

一种氧化铝溶出的热平衡控制系统的方法，包括以下步骤：

S1：根据生产工艺统计若干氧化铝溶出工序的生产参数数据，将其分成4组，其中前3组为监测观察的输入量，后1组为控制对象的输出量；

S2：将4组生产参数的所有数据，从DCS系统读取进入APC系统形成知识库；

S3：二次汽加热、前级套管加热、末级套管加热，根据其控制关系，通过与知识库数据模型逐级经由三级模糊推理，推理出其期望值，最终得出“新蒸汽调节”的输出设定值；

S4：APC系统将数据发送至DCS系统执行控制输出，控制末级加热套管各级支管上的调节阀开度，调节新蒸汽输入量。

相较现有技术，本发明的有益效果是：

1.本发明通过溶出热平衡APC先进过程控制系统，接入原有溶出DCS分散控制系统，溶出热平衡APC系统采用模糊控制技术，将由人工调整的溶出DCS系统的输入量与人工观察到溶出DCS系统的观测量参数，建立知识库，通过模糊推理机将输入量参数确定，将输入量参数的调整由通过DCS系统人工的调试，改为由APC系统来调整DCS系统的输入量参数，通过使用溶出热平衡APC系统代替人工调整参数，解决在热平衡调整存在滞后性的问题，提高控制精度，提升热平衡的稳定性，从而提高氧化铝溶出率，提高最终氧化铝产品质量；减少在热平衡调整期间的扰动，提高调节效率，降低热交换损耗，降低新蒸汽加入量，节能增效；

2.本发明为精确控制，在原有工艺末级套管加热器的新蒸汽加入调节阀仅为蒸汽总管上1个，改为在每级套管加热器的蒸汽支管上各新增1个调节阀，通过各级套管加热器中的温度传感器反馈，并经过APC系统调整设定各级套管加热器新蒸汽输入量，减小各级套管加热器新蒸汽输入偏差，降低蒸汽能耗，提高换热效率。

附图说明

图1为本发明一种氧化铝溶出的热平衡控制系统的APC系统处理示意图；

图2为图1的一种氧化铝溶出的热平衡控制系统的结构示意图；

图3为本发明末级套管加热器与调节阀连接示意图

图4为一种氧化铝溶出的溶出热平衡工艺结构示意图。

图中标注：1、数据获取单元，2、知识库，3、智能处理模块，4、操作系统，5、末级套管加热器，6、蒸汽总管，61、蒸汽支管。

具体实施方式

以下将结合说明书附图以及实施例对本发明进行详尽的解释说明，以便于本领域专业技术人员更好地理解。

实施例1

请参阅图1-4，一种氧化铝溶出的热平衡控制系统，用于控制末级套管加热器的新蒸汽输入量，所述末级套管加热器5包括多级套管加热器。在本实施例中，所述套管加热器包括1-4级前级套管加热器和5-8级末级套管加热器5，所述各级套管加热器依次连接对矿浆进行加热，使其在高温高压下反应。所述套管加热器中的矿浆达到高温高压的生产要求后进入保温停留罐，经4级闪蒸器依次对其降温降压后，进行后续生产加工。

一种氧化铝溶出的热平衡控制系统，所述控制系统包括：

数据获取单元1，获取末级套管加热器5中各级套管加热器的温度值；

知识库2，利用多组生产参数数据建立末级套管加热器5中各级套管加热器之间的蒸汽输入量联系；

智能处理模块3，根据各级套管加热器的控制关系，通过与知识库2数据模型逐级模糊推理，得出各级套管加热器的新蒸汽调节的输入设定值；

操作系统4，执行控制输出由智能处理模块3设定的各级套管加热器新蒸汽调节输出设定值。

其中，所述5-8级末级套管加热器5输入端分别连接蒸汽支管61，各级蒸汽支管61并联后接入蒸汽总管6，所述蒸汽总管6连接供汽设备，并且蒸汽总管6和蒸汽支管61上分别设置调节阀，所述调节阀分别电气连接操作系统4。

在实际生产中，由于矿浆温度升高主要阶段位于5-8级套管加热器内，并且温度逐级升高。通过在5-8级套管加热器上分别安装调节阀，可以分别调节各级套管加热器的蒸汽输入量，精确控制温度，减少各级套管加热器的蒸汽输入偏差，提高换热效率，降低蒸汽能耗。

具体地，所述数据获取单元1包括数量与末级套管加热器5匹配的温度传感器，所述温度传感器对应安装在末级套管加热器5的各级套管加热器内，并且分别连接控制系统4。

所述知识库2和智能处理模块3采用APC系统，所述操作系统采用DCS控制系统，所述APC系统通过通信网关适配DCS控制系统匹配的通讯协议进行数据交换，且做到数据隔离，当APC系统及网络出现故障，不影响原有DCS系统使用。

进一步的，所述知识库2中的生产参数具体包括：

二次汽加热，各级闪蒸器二次汽温度，各级闪蒸二次汽调节阀开度，以及前级套管加热器换热后的二次汽及冷凝水温度；

前级套管加热，包括前级套管加热器的温度；

末级套管加热，包括末级套管加热器5的温度，各级新蒸汽温度；

新蒸汽调节，包括蒸汽总管6调节阀开度给定值，蒸汽支管61调节阀开度给定值。

一种氧化铝溶出的热平衡控制系统的方法，包括以下步骤：

S1：根据生产工艺经验统计至少100组氧化铝溶出工序的生产参数数据，将其分成4组，其中前3组为监测观察的输入量，后1组为控制对象的输出量，包括：

二次汽加热，各级闪蒸器二次汽温度TE501-TE504，各级闪蒸二次汽调节阀开度MY501-MY504，以及1-4级前级套管加热器换热后的二次汽及冷凝水温度TE111,TE112,TE113,TE114-TE314,TE115-TE315；

前级套管加热，包括1-4级前级套管加热器的温度TE100-TE300,TE101-TE301,TE102-TE302, TE103-TE303, TE104-TE304；

末级套管加热，包括末级套管加热器5的温度TE105-TE305, TE106-TE306,TE107-TE307, TE107-TE307，各级新蒸汽温度TE001,TE005-TE008；

新蒸汽调节，包括蒸汽总管6调节阀MY001开度给定值，蒸汽支管61调节阀MY005-MY008开度给定值；

S2：将4组生产参数的所有数据，DCS系统由模拟量输入I/O模块采集现场仪表的电流电阻信号经过CPU处理后，再通过通讯网关读取进入APC系统形成知识库；

S3：二次汽加热、前级套管加热、末级套管加热，根据其控制关系，通过与知识库2数据模型逐级经由一级模糊推理—二级模糊推理—三级模糊推理，三级模糊推理出其期望值，最终得出“新蒸汽调节”的输出设定值；例如当“二次汽加热”相关参数数据出现变化时，经由一级模糊推理，对比知识库参数，得到“前级套管加热”相关参数数据的期望值；由“前级套管加热”的期望值对比知识库推理出“末级套管加热”期望值，如此最终得到“新蒸汽调节”的期望值作为输出设定值进行控制输出。

在本实施例中，所述模糊推理为：

设定二次汽加热为参数组A，前级套管加热为参数组B，末级套管加热为参数组C，新蒸汽调节为参数组D；根据知识库2形成“if…then”型式的控制规则，按此可以形成参数组的关联关系“A1→B1”，“B1→C1”，“C1→D1”。通过逐级形成“A1→B1→C1→D1”的知识库2变量集关系，在S2中形成的“A1→B1→C1→D1”的知识库进行推理，其中得出“D1”组参数，在“D1”组参数输出之后，经过一段时间观察发现对实际的调节的生产过程参数并不满意且“C”组参数变化较大（此时数据认为为C2），从新输入了“D2”组参数，此时形成了“A1→B1→C2→D2”的知识库2变量集关系，以此类推，通过推理机的模糊推理不断优化知识库，以此到达控制要求。

S4：APC系统将“新蒸汽调节”设定值发送至DCS系统，DCS系统上设置“自动”和“手动”功能。“手动”由人工输入执行控制输出时，将继续优化知识库，“自动”由APC系统发出的设定值执行控制输出。最终通过经DCS系统的模拟量输出I/O模块输出电信号控制调节阀执行机构，控制5-8级末级加热套管5各级蒸汽支管61上的调节阀开度，同时分别调节新蒸汽输入量，解决热平衡过程人工调整存在滞后性的问题。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种氧化铝溶出的热平衡控制系统，用于控制末级套管加热器的新蒸汽输入量，所述末级套管加热器包括多级套管加热器，其特征在于，所述控制系统包括：

数据获取单元，获取末级套管加热器中各级套管加热器的温度值；

知识库，利用多组生产参数数据建立末级套管加热器中各级套管加热器之间的蒸汽输入量联系；

智能处理模块，根据各级套管加热器的控制关系，通过与知识库数据模型逐级模糊推理，得出各级套管加热器的新蒸汽调节的输入设定值；

操作系统，执行控制输出由智能处理模块设定的各级套管加热器新蒸汽调节输出设定值；

其中，所述末级套管加热器输入端分别连接蒸汽支管，各级蒸汽支管并联后接入蒸汽总管，所述蒸汽支管上分别设置调节阀，所述调节阀分别电气连接操作系统；

所述知识库中的生产参数包括：

二次汽加热，各级闪蒸器二次汽温度，各级闪蒸二次汽调节阀开度，以及前级套管加热器换热后的二次汽及冷凝水温度；

前级套管加热，包括前级套管加热器的温度；

末级套管加热，包括末级套管加热器的温度，各级新蒸汽温度；

新蒸汽调节，包括蒸汽总管调节阀开度给定值，蒸汽支管调节阀开度给定值；

所述数据获取单元包括数量与末级套管加热器匹配的温度传感器，所述温度传感器对应安装在各级套管加热器内，并且分别连接控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种氧化铝溶出的热平衡控制系统，其特征在于：所述蒸汽总管连接供汽设备，并且蒸汽总管上设置调节阀，所述调节阀连接操作系统。

3.根据权利要求1所述的一种氧化铝溶出的热平衡控制系统，其特征在于：所述知识库和智能处理模块采用APC系统，所述操作系统采用DCS控制系统，所述APC系统通过通信网关适配DCS控制系统匹配的通讯协议进行数据交换。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种氧化铝溶出的热平衡控制系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据生产工艺统计若干氧化铝溶出工序的生产参数数据，将其分成4组，其中前3组为监测观察的输入量，后1组为控制对象的输出量，包括：

二次汽加热，各级闪蒸器二次汽温度TE501-TE504，各级闪蒸二次汽调节阀开度MY501-MY504，以及1-4级前级套管加热器换热后的二次汽及冷凝水温度TE111,TE112,TE113,TE114-TE314,TE115-TE315；

前级套管加热，包括1-4级前级套管加热器的温度TE100-TE300,TE101-TE301, TE102-TE302, TE103-TE303, TE104-TE304；

末级套管加热，包括末级套管加热器5的温度TE105-TE305, TE106-TE306, TE107-TE307，各级新蒸汽温度TE001,TE005-TE008；

新蒸汽调节，包括蒸汽总管6调节阀MY001开度给定值，蒸汽支管61调节阀MY005-MY008开度给定值；

S2：将4组生产参数的所有数据，从DCS系统读取进入APC系统形成知识库；

S3：二次汽加热、前级套管加热、末级套管加热，根据其控制关系，通过与知识库数据模型逐级经由三级模糊推理，推理出其期望值，最终得出“新蒸汽调节”的输出设定值，具体方法为：当“二次汽加热”相关参数数据出现变化时，经由一级模糊推理，对比知识库参数，得到“前级套管加热”相关参数数据的期望值；由“前级套管加热”的期望值对比知识库推理出“末级套管加热”期望值，如此最终得到“新蒸汽调节”的期望值作为输出设定值进行控制输出；

模糊推理方法为：设定二次汽加热为参数组A，前级套管加热为参数组B，末级套管加热为参数组C，新蒸汽调节为参数组D；根据知识库形成“if…then”型式的控制规则，按此形成参数组的关联关系“A1→B1”，“B1→C1”，“C1→D1”，通过逐级形成“A1→B1→C1→D1”的知识库变量集关系，在S2中形成的“A1→B1→C1→D1”的知识库进行推理，其中得出“D1”组参数，在“D1”组参数输出之后，经过一段时间观察发现对实际的调节的生产过程参数并不满意且“C”组参数变化较大，此时数据认为为C2，重新输入了“D2”组参数，此时形成了“A1→B1→C2→D2”的知识库变量集关系，以此类推，通过推理机的模糊推理不断优化知识库，以此到达控制要求；

S4：APC系统将数据发送至DCS系统执行控制输出，控制末级加热套管各级支管上的调节阀开度，调节新蒸汽输入量。