白狼

一、  问题的提出
     高压溶出是拜耳法生产氧化铝的主要工艺过程，而拜耳法氧化铝的生产量占我厂氧化铝产量的70%，所以高压溶出环节在氧化铝生产过程中占有非常重要的地位，是我厂氧化铝生产的关键环节。
高压溶出环节的部分生产流程为：将合格的原矿浆通过喂料泵送至高压溶出器，在高压溶出器中，在一定的外部条件作用下，溶出铝土矿中的氧化铝得到铝酸钠（NaAl(OH)4）溶液。
当溶出时间一定时，溶出速度越快，氧化铝的溶出率就越高，产能越大。
我们知道，溶出反应需在一定条件下进行，要保证氧化铝的高溶出率，就要保证各种物料的相对平衡，在其他条件相对变化的情况下，要求料浆泵的喂料量也发生相应的调整，这样才能优化生产工艺指标，进而优化氧化铝生产的技术经济指标。
原电气传动控制系统的组成及存在的问题
高压溶出喂料泵系统共有六套机组,其拖动电动机为:JR137-10四台，JR138-10两台。其喂料量为每台机组85m3/h，电动机为绕线异步电动机，功率分别为155Kw和180Kw,采用电动机转子回路串电阻的方法进行调速，属有级调速，共分五个档位，用于不同工艺条件下进行调速来实现调整喂料泵的喂料量。自动停泵，泵的转速通过转换开关1TSK进行调节。
    根据绕线式异步电动机转子回路串电阻进行调速的特点，此种调速方法的本质是利用改变消耗于转子外串电阻中的转差功率来改变转差率，从而达到调速的目的，属于一种耗能调速方法。故其：
① 耗能大，效率低，关于这一点，可通过下面分析得出。在调速过程中，电磁功率Pdc、机械功率Pj和转子铜耗pcu2之间的比例关系为：
Pdc:Pj:pcu2=1:( 1-s):s
Pdc不变，在调速时只改变了Pdc在Pj和pcu2之间的分配，转速越低，S越大，输出的机械功率越少，转子的铜耗越大。电动机转子效率：
ηR={Pj/(pj+pcu2)}×100%=（1-S）100%
可以看出，转速越低，S越大，转子的效率ηR越低。
   ② 由于外串电阻的级数不能太多，使得调速范围、静差度、平滑性等技术指标也较低。转速越低，特性越软，负载转矩变化时，转速的变化大，低速运行时稳定性差。
    ③ 通过分段切除电阻进行调速，属有级调速，不能满足喂料量的连续调整，严重制约着氧化铝溶出率的提高。
    ④ 耗能大，导致单位产品成本增高。
⑤ 系统复杂，所用的调速电阻，调速开关，炭刷等很容易因为过热而烧坏，系统故障率高，维护检修工作量大，维护费用高，影响设备的运转率和生产过程的连续进行。
二、        生产工艺对电气系统的要求
    鉴于采用绕线式异步电动机转子回路串电阻调速系统存在的 缺陷，为实现生产工艺过程的优化进行，对电气传动系统提出以下要求：
　　①　电动机和泵组等机械设备在使用原设备的基础上,通过改变电气控制系统的控制方法,使电动机转速在10~583 rpm之间连续可调，且具有带载启动喂料泵的启动转矩。
② 设备启动平缓，运行稳定可靠。电气设备可运行率达97%以上。
③ 设置完善的保护装置，包括管道超压自动保护和常规电气故障保护。
④ 对泵采用三地操作，分别设置在机旁、变频器控制室、仪表室。泵组的开、停在机旁和变频器控制室进行，仪表室只有在管道超压或其他紧急情况下进行设备紧急停车。
⑤ 当进料量给定值确定后，系统能够自动跟踪给定值。
⑥ 喂料泵每小时喂料量最大可达85m3。
提高电动机设备效率，实现节能25%以上。
三、        控制系统方案的比较选择
根据生产工艺对电气系统的要求,关键环节是解决如下问题,不改变原系统电动机和其它机械设备,通过改变电气传动的控制方法,来调节电动机的转速,并且转速在10~583rpm之间连续可调,能够带载启动。还要求启动平缓，运行稳定，可运行率在97%以上。通过分析只要电动机的转速能达到583rpm，就能保证喂料泵每小时喂料85m3。根据工艺要求实现的调速的方法可采用绕线式异步电动机串级调速或变频调速。但由于串级调速系统的总功率因数低，需要采用功率因数补偿装置。串级调速系统的总效率比转子回路串电阻系统高的多，节能,但系统复杂投资费用高，维护工作量大。
    变频调速系统的特点
随着现代电力电子技术的发展和计算机在工业控制设备的广泛应用，变频调速技术以获得了飞速的发展，以广泛应用于工业电气电力拖动领域，现正处于普及使用阶段。
    变频调速适用于工业生产的任何需要调速的电力拖动设备，可应用于任何三相感应电动机。具有从高速到低速都保持有限的转差率，具高效率、宽范围和高精度的调速性能。应用于工业现场有如下优点：
①．        设备启动平缓，启动对电网和机械设备没有冲击，有效的保护设备避免由于设备的突然启动而造成机械损伤。而且具有启动转矩自动补偿。
②．        调速平滑，连续可调，调速精度高。
③．        系统功率因数高，效率高，在需要调速的场合使用变频器可产生较好的节能效果。
④．        全数字化设备操作使用简单方便。
⑤．        可靠性高，保护功能完善，设备维护工作量小。
从以上分析可知，串级调速和变频调速都可应用于喂料泵的控制系统，但串级调速系统组成复杂，设备投资费用高，而且可靠性差，维护工作量和费用较高，故在控制系统方案选择变频调速。
四、        系统组成和控制方法
变频器是喂料自动控制系统的关键设备，用于驱动电动机，并通过其自身的PID调节控制功能实现料量的自动控制功能。变频器经过性能比较选用三菱FR-F540L系列变频器。它具有高出力、低噪音、多功能控制（PID控制）、高性能的速度和力矩控制，优越的动静态性能指标，完善的保护功能如过电压、过电流、过载、接地等保护功能。
压力传感器用于把泵出口管道压力转换为4~20mA的标准信号送至二次数字显示表，使操作人员能时刻观察管道工作压力情况，为保证管道安全运行，我们还在管道上安装有带电接点的压力指示表，以保证管道超压时立即使系统停车。压力变送器选用E+H公司PMC133，显示仪选用SMZ系列数字显示表，就地压力表选用Y150系列弹簧管压力表。
矿浆流量传感器是控制系统的关键检测元件，它把检测到的矿浆流量转换为4~20mA的标准信号送二次表显示，并参与控制。流量计我们选用日本恒河AE2系列电磁流量计对流量进行检测。
1．        系统工作原理
我们的研究课题就是实现喂料泵的准确自动送料，以克服电动机转速有级调节而造成的送料量偏大或偏小，手动操作调节困难的问题。我们引入喂料流量自动控制环节，送料流量控制的好，单位时间的送料量的控制就越准确，氧化铝的溶出率就越高，其工作原理是：根据生产工艺的要求给定矿浆流量，启动变频器，泵组开始运转，电磁流量计将检测到的矿浆流量转化为4~20mA的标准信号，送数字显示仪显示并参与控制，当管道流量大于给定值时，通过变频器PID作用，自动降低变频器输出频率，使管道流量减小；当管道流量小于给定流量时，通过变频器的PID作用自动增高变频器的输出频率使管道流量自动增大。此调节过程一直进行，直到管道流量和给定流量达到一致。自动控制原理图如图所示。

图中： Kp—比例系数
       Ti—积分时间常数
       Td—微分时间常数
根据系统的动静态性能指标，可灵活选用PI控制、PD控制或PID控制。当偏差x（给定值-反馈值）为正时，增加执行量（输出频率），当偏差为负时，则减小执行量。
关于PID参数的设定，根据系统的运行情况加以调整。
对于比例系数Kp，如果比例范围较窄（参数设定值较小），反馈量的微小变化会引起执行量的很大变化。即比例范围变窄，响应的灵敏性改善，但系统的稳定性变差。
对于积分时间常数Ti，是指由积分作用时达到与比例作用时相同的执行量所需要的时间。积分时间越短，响应越快，但系统越容易发生震荡。
对于微分时间常数Td，微分时间仅要求向微分作用提供一个与比例作用相同的检测值。随着时间的增加，偏差改变会有较大的响应。
2．        关于系统的保护
为保证系统的安全可靠运行，我们除设置了设备的常规电气保护，还设置了保证系统安全运行的检测、动作、报警和操作系统，管道压力检测环节我们选用了E+H公司的高精度PMC133压力变送器，合理地选择其安装位置，保证了检测的可靠性和准确性，当管道压力超限时，发出声光报警，操作人员可根据情况决定停止系统运行；同时在送料管道上我们还安装了Y150带电接点的就地压力表，当管道压力超过允许压力时，电接点断开，变频器停电，系统停止运行，声光报警系统发出声光报警。
五、        结束语
高压溶出自动控制系统自投运以来，运行可靠平稳，控制灵活方便，控制准确，精度高，充分保证了喂料泵准确送料，大大优化了生产指标，提高了矿浆中的氧化铝溶出率和设备台时产能，取得了巨大的经济效益。同时由于系统设置先进，自动化水平高，系统可靠性高，提高了设备的可运转率，为氧化铝的增产提供了设备和控制上的保证。变频调速技术的应用，保证了调速平滑、连续，实现了节能；设备技术水平的提高和优化，使得设备维护工作量和维护费用都大大降低，降低了单位产品的成本，产生了较好的社会经济效益。