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摘 要 本文以沈阳鑫博工业技术股份有限公司氧化铝悬浮焙烧炉烟气脱硝改造工程为背景，结合生产过程，着重介绍氧化铝悬浮焙烧炉烟气脱硝系统中的配液喷液系统的组成及其过程控制的构成和具体实现步骤方法，此系统及过程控制方法已经成功应用于现场生产，取得显著的控制效果。
关键词 氧化铝悬浮焙烧炉 烟气脱硝 DCS 模糊控制PID
中图分类号：TF821 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2021）07-0033-02
在氧化铝制备工业，氢氧化铝在焙烧过程中所需的热源由燃料燃烧提供，燃料燃烧时，燃料中的N2和空气中的N2在高温下氧化产生NOx，NOx主要是指NO、NO2及N2O3等氮氧化物。NOx的危害性不仅在于它是酸性气体，而且NO会显著破坏臭氧层，NO和NO2同时也是温室气体，NO和烃在阳光作用下反应造成光化学污染，对人体有毒害作用。
目前的焙烧炉产生的烟气中NOx含量300～400mg/Nm3，随着国家对环境治理的迫切要求，其中铝行业特别排放限值参照《铝工业污染物排放标准及修改单》（GB25465-2010），粉尘排放小于5mg/Nm3、氮氧化物排放小于50mg/Nm3，因此有必要开发一种脱硝装置，在不影响氧化铝质量的前提下，对NOx进行有效的治理，本文阐述的是氧化铝悬浮焙烧炉脱硝系统中的配液喷液系统及其过程控制。
1 配液喷液系统工艺设备构成
配液喷液系统由如下16部分组成：
1—溶解槽A、2—溶解槽B、3—溶解槽A液位计、4—溶解槽B液位计、5—溶解槽A搅拌电机、6—溶解槽B搅拌电机、7—溶解槽A进水调节阀门、8—溶解槽B进水调节阀门、9—总进水流量计、10—尿素加料控制阀门、11—溶解槽A出水阀门、12—溶解槽B出水阀门、13—计量泵A、14—计量泵B、15—计量泵出口溶液流量计、16—尿素仓
其中，为满足工业生产需要，溶解槽A、B，计量泵A、B为一备一用配置。
2 配液喷液系统过程控制
2.1 控制系统硬件组成
本控制系统采用和利时K系列DCS控制系统，其中主要包括CPU冗余模块、IO-BUS模块、AI模块、AO模块、DI模块、DO模块等。
其中CPU采用K-CU01，K-CU01是K系列硬件的控制器模块，是系统的核心控制部件，主要工作是收集I/O模块上报的现场数据，根据组态的控制方案完成对现场设备的控制，同时负责提供数据到上层操作员站显示。控制器基本功能块主要包括：系统网通讯模块、核心处理器、协处理器（IO-BUS主站MCU）、现场通讯数据链路层、现场通讯物理层以及外围一些辅助功能模块。本控制系统K-CU01控制器模块采用两路冗余IO-BUS和从站I/O模块进行通讯。
其中IO-BUS模块采用冗余K-BUS02，K-BUS02模块是K系列8通道星形IO-BUS模块，同时作为IO-BUS从站，将直流电源状态、IO-BUS链路故障、机柜温度等信息上报给控制器。
其中AI模块采用K-AI01，AI01为K系列8通道模拟量通道隔离输入模块，测量范围0～22.7mA模拟信号（默认出厂量程4～20mA），可以接二线制仪表或四线制仪表。
其中AO模块采用K-AO01，K-AO01为K系列硬件8通道模拟量通道隔离输出模块，最大输出范围0～22.7mA模拟信号（默认出厂量程4～20mA）。
其中DI模块采用K-DI01，K-DI01为K系列硬件16通道24VDC数字量输入模块，既可以接有源触点，也可以接无源触点。
其中DO模块采用K-DO01，K-K-DO01为K系列硬件16通道24VDC数字量输出模块，支持多种输出类型：常开或常闭，干触点或湿触点。模块不直接驱动现场设备与继电器端子板配套使用。
上述模块支持带点热插拔、支持冗余配置，具备完善断线、短路、超量程诊断功能，面板设计有丰富的LED指示灯，除指示模块电源、故障、通讯信息外，每个通道也有指示灯，可以方便指示各通道的断线、短路、超量程等信息。
本氧化铝悬浮焙烧烟气脱硝项目使用两块冗余K- CU01、两块冗余K-BUS02模块、2块K-AI01模块、1块K-AO01模块、3块K-DI01模块、2块K-DO01模块，用以采集现场设备及仪表信号使用。
主要检测仪表有：差压液位计、电磁流量计、压力变送器、NOx分析仪、PT100热电阻、氨气分析仪等。
2.2 控制系统过程控制
根据生产状况和业主的需求，控制系统结构体系划分为两层，第一层为过程监控层，第二层为过程控制层。
过程监控层由上位机组态监控、故障诊断、运行管理组成。首先由DCS完成系统所需数据的采集，通过通讯方式传给上位机组态进行监控，操作员根据组态画面显示进行生产操作;故障诊断是对生产过程中将要发生的事故和故障进行预报，给操作员提供报警信息，使得生产能够顺利进行;运行管理包括设备管理、生产安全管理、报表生成与打印等功能，辅助生产管理者对生产情况进行有效的分析，促进更好的调整生产状态。
过程控制层包括设备控制回路程序和逻辑联锁程序组成。其中设备控制回路分为两大块，一为尿素溶液配制，二为喷液系统自动控制。
2.2.1 尿素溶液配制
尿素溶液配制程序主要涉及到溶解槽搅拌电机、溶解槽液位、溶解槽进水阀门、溶解槽进水流量计、尿素下料量等组成。本脱硝项目使用的是尿素溶液，需将溶液配制成浓度为15%-20%的尿素溶液，此浓度为质量比。
本项目尿素使用吨包袋包装，一袋重量为1t，故加入尿素质量可以根据加入袋数得到。例如此次配液计划加入2袋尿素，则尿素质量为2t，如果需要配置的尿素溶液浓度为20%，则需要加入8t的工业软水，此加入尿素和水的量公式已经在DCS程序里编写，操作员只需在上位机组态画面輸入加入的尿素袋数控制程序会根据加入尿素量自动计数出加入工业软水的量，工业软水加入量是由两种方法计数得知：一为根据进水流量计进行流量累计得知;二为根据溶解槽的尺寸可以得知溶解槽底面积，溶解槽底面积x溶解槽液位（进水高度）可以得到进水体积，根据软水的密度近似换算出进水质量。 以A侧溶解槽配液为例，具体控制程序如下：操作员关闭溶解槽出水阀门，在上位机组态画面输入配液使用尿素袋数，点击组态画面上的配液按钮，则DCS的配液程序开始工作，首先DCS发出指令打开溶解槽进水阀门V401，进水流量计FT402开始进行进水流量累计，溶解槽液位计也同时进行差值运算，根据现场溶解槽侧壁安装的PT100铂热电阻的测量的软水温度值和当地大气压值进行工业软水温度和压力补偿计算，得出当时的工业软水密度，计算出所需水的体积，当进水流量计FT402进水流量累计值或者溶解槽液位差值x溶解槽底面积得到的进水量达到所需体积的99%时，DCS关闭进水阀门V401，根据生产观测，当V401完全关闭时正好达到所需进水量。
2.2.2 喷液系统自动控制
喷液系统主要涉及到计量泵A、计量泵B、泵出口溶液流量计、安装在烟气检测点的NOx分析仪和氨气分析仪。
喷液系统控制方式采用模糊控制PID调节。基本模糊PID控制，即利用模糊逻辑并根据一定的模糊规则对PID的参数进行实时的优化，以克服传统PID参数无法实时调整PID参数的缺点[1]。模糊PID控制包括模糊化、确定模糊规则、解模糊等组成部分。本控制系统根据装在烟气检测点的NOx分析仪和氨气分析仪反馈到DCS的数据，根据给定的模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制参数，通过调节计量泵变频器的输出大小控制出口流量，以达到控制NOx及氨气排放要求，模糊PID控制系统组成如图1所示。
2.2.3逻辑联锁程序
首先以单个设备为主體，从启动、安全、操作和停车等方面考虑设备的联锁要求并建立相应的联锁关系，建立联锁模型，逻辑联锁程序包括单体设备安全联锁、溶解槽液位低限联锁、溶解槽液位高限联锁、尿素仓进料选择联锁、溶解槽AB配液选择联锁、计量泵AB使用选择联锁等。逻辑联锁程序可以保证操作人员及生产设备的安全[2]。
3 结语
本文针对氧化铝悬浮焙烧炉烟气脱硝系统中的配液喷液系统特点和控制要求，提出了过程监控与过程控制的系统架构，并进行了系统的设计与开发。
自2017年以来公司已先后完成近40台氧化铝悬浮焙烧炉烟气脱硝改造，取得了良好的减排效果。本过程控制系统的自动运行也提高了氧化铝悬浮焙烧炉的生产效率，安全逻辑联锁功能给操作人员和生产设备提供了安装保障。
参考文献：
[1] 苏明.模糊PID及其MATLAB仿真[J].现代机械，2004， 04（06）：52-55.
[2] 杭州和利时.和利时HOLLiASMACSK系列硬件手册[M].杭州：杭州和利时自动化有限公司，2017.
关键词 氧化铝悬浮焙烧炉 烟气脱硝 DCS 模糊控制PID
中图分类号：TF821 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2021）07-0033-02
在氧化铝制备工业，氢氧化铝在焙烧过程中所需的热源由燃料燃烧提供，燃料燃烧时，燃料中的N2和空气中的N2在高温下氧化产生NOx，NOx主要是指NO、NO2及N2O3等氮氧化物。NOx的危害性不仅在于它是酸性气体，而且NO会显著破坏臭氧层，NO和NO2同时也是温室气体，NO和烃在阳光作用下反应造成光化学污染，对人体有毒害作用。
目前的焙烧炉产生的烟气中NOx含量300～400mg/Nm3，随着国家对环境治理的迫切要求，其中铝行业特别排放限值参照《铝工业污染物排放标准及修改单》（GB25465-2010），粉尘排放小于5mg/Nm3、氮氧化物排放小于50mg/Nm3，因此有必要开发一种脱硝装置，在不影响氧化铝质量的前提下，对NOx进行有效的治理，本文阐述的是氧化铝悬浮焙烧炉脱硝系统中的配液喷液系统及其过程控制。
1 配液喷液系统工艺设备构成
配液喷液系统由如下16部分组成：
1—溶解槽A、2—溶解槽B、3—溶解槽A液位计、4—溶解槽B液位计、5—溶解槽A搅拌电机、6—溶解槽B搅拌电机、7—溶解槽A进水调节阀门、8—溶解槽B进水调节阀门、9—总进水流量计、10—尿素加料控制阀门、11—溶解槽A出水阀门、12—溶解槽B出水阀门、13—计量泵A、14—计量泵B、15—计量泵出口溶液流量计、16—尿素仓
其中，为满足工业生产需要，溶解槽A、B，计量泵A、B为一备一用配置。
2 配液喷液系统过程控制
2.1 控制系统硬件组成
本控制系统采用和利时K系列DCS控制系统，其中主要包括CPU冗余模块、IO-BUS模块、AI模块、AO模块、DI模块、DO模块等。
其中CPU采用K-CU01，K-CU01是K系列硬件的控制器模块，是系统的核心控制部件，主要工作是收集I/O模块上报的现场数据，根据组态的控制方案完成对现场设备的控制，同时负责提供数据到上层操作员站显示。控制器基本功能块主要包括：系统网通讯模块、核心处理器、协处理器（IO-BUS主站MCU）、现场通讯数据链路层、现场通讯物理层以及外围一些辅助功能模块。本控制系统K-CU01控制器模块采用两路冗余IO-BUS和从站I/O模块进行通讯。
其中IO-BUS模块采用冗余K-BUS02，K-BUS02模块是K系列8通道星形IO-BUS模块，同时作为IO-BUS从站，将直流电源状态、IO-BUS链路故障、机柜温度等信息上报给控制器。
其中AI模块采用K-AI01，AI01为K系列8通道模拟量通道隔离输入模块，测量范围0～22.7mA模拟信号（默认出厂量程4～20mA），可以接二线制仪表或四线制仪表。
其中AO模块采用K-AO01，K-AO01为K系列硬件8通道模拟量通道隔离输出模块，最大输出范围0～22.7mA模拟信号（默认出厂量程4～20mA）。
其中DI模块采用K-DI01，K-DI01为K系列硬件16通道24VDC数字量输入模块，既可以接有源触点，也可以接无源触点。
其中DO模块采用K-DO01，K-K-DO01为K系列硬件16通道24VDC数字量输出模块，支持多种输出类型：常开或常闭，干触点或湿触点。模块不直接驱动现场设备与继电器端子板配套使用。
上述模块支持带点热插拔、支持冗余配置，具备完善断线、短路、超量程诊断功能，面板设计有丰富的LED指示灯，除指示模块电源、故障、通讯信息外，每个通道也有指示灯，可以方便指示各通道的断线、短路、超量程等信息。
本氧化铝悬浮焙烧烟气脱硝项目使用两块冗余K- CU01、两块冗余K-BUS02模块、2块K-AI01模块、1块K-AO01模块、3块K-DI01模块、2块K-DO01模块，用以采集现场设备及仪表信号使用。
主要检测仪表有：差压液位计、电磁流量计、压力变送器、NOx分析仪、PT100热电阻、氨气分析仪等。
2.2 控制系统过程控制
根据生产状况和业主的需求，控制系统结构体系划分为两层，第一层为过程监控层，第二层为过程控制层。
过程监控层由上位机组态监控、故障诊断、运行管理组成。首先由DCS完成系统所需数据的采集，通过通讯方式传给上位机组态进行监控，操作员根据组态画面显示进行生产操作;故障诊断是对生产过程中将要发生的事故和故障进行预报，给操作员提供报警信息，使得生产能够顺利进行;运行管理包括设备管理、生产安全管理、报表生成与打印等功能，辅助生产管理者对生产情况进行有效的分析，促进更好的调整生产状态。
过程控制层包括设备控制回路程序和逻辑联锁程序组成。其中设备控制回路分为两大块，一为尿素溶液配制，二为喷液系统自动控制。
2.2.1 尿素溶液配制
尿素溶液配制程序主要涉及到溶解槽搅拌电机、溶解槽液位、溶解槽进水阀门、溶解槽进水流量计、尿素下料量等组成。本脱硝项目使用的是尿素溶液，需将溶液配制成浓度为15%-20%的尿素溶液，此浓度为质量比。
本项目尿素使用吨包袋包装，一袋重量为1t，故加入尿素质量可以根据加入袋数得到。例如此次配液计划加入2袋尿素，则尿素质量为2t，如果需要配置的尿素溶液浓度为20%，则需要加入8t的工业软水，此加入尿素和水的量公式已经在DCS程序里编写，操作员只需在上位机组态画面輸入加入的尿素袋数控制程序会根据加入尿素量自动计数出加入工业软水的量，工业软水加入量是由两种方法计数得知：一为根据进水流量计进行流量累计得知;二为根据溶解槽的尺寸可以得知溶解槽底面积，溶解槽底面积x溶解槽液位（进水高度）可以得到进水体积，根据软水的密度近似换算出进水质量。 以A侧溶解槽配液为例，具体控制程序如下：操作员关闭溶解槽出水阀门，在上位机组态画面输入配液使用尿素袋数，点击组态画面上的配液按钮，则DCS的配液程序开始工作，首先DCS发出指令打开溶解槽进水阀门V401，进水流量计FT402开始进行进水流量累计，溶解槽液位计也同时进行差值运算，根据现场溶解槽侧壁安装的PT100铂热电阻的测量的软水温度值和当地大气压值进行工业软水温度和压力补偿计算，得出当时的工业软水密度，计算出所需水的体积，当进水流量计FT402进水流量累计值或者溶解槽液位差值x溶解槽底面积得到的进水量达到所需体积的99%时，DCS关闭进水阀门V401，根据生产观测，当V401完全关闭时正好达到所需进水量。
2.2.2 喷液系统自动控制
喷液系统主要涉及到计量泵A、计量泵B、泵出口溶液流量计、安装在烟气检测点的NOx分析仪和氨气分析仪。
喷液系统控制方式采用模糊控制PID调节。基本模糊PID控制，即利用模糊逻辑并根据一定的模糊规则对PID的参数进行实时的优化，以克服传统PID参数无法实时调整PID参数的缺点[1]。模糊PID控制包括模糊化、确定模糊规则、解模糊等组成部分。本控制系统根据装在烟气检测点的NOx分析仪和氨气分析仪反馈到DCS的数据，根据给定的模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制参数，通过调节计量泵变频器的输出大小控制出口流量，以达到控制NOx及氨气排放要求，模糊PID控制系统组成如图1所示。
2.2.3逻辑联锁程序
首先以单个设备为主體，从启动、安全、操作和停车等方面考虑设备的联锁要求并建立相应的联锁关系，建立联锁模型，逻辑联锁程序包括单体设备安全联锁、溶解槽液位低限联锁、溶解槽液位高限联锁、尿素仓进料选择联锁、溶解槽AB配液选择联锁、计量泵AB使用选择联锁等。逻辑联锁程序可以保证操作人员及生产设备的安全[2]。
3 结语
本文针对氧化铝悬浮焙烧炉烟气脱硝系统中的配液喷液系统特点和控制要求，提出了过程监控与过程控制的系统架构，并进行了系统的设计与开发。
自2017年以来公司已先后完成近40台氧化铝悬浮焙烧炉烟气脱硝改造，取得了良好的减排效果。本过程控制系统的自动运行也提高了氧化铝悬浮焙烧炉的生产效率，安全逻辑联锁功能给操作人员和生产设备提供了安装保障。
参考文献：
[1] 苏明.模糊PID及其MATLAB仿真[J].现代机械，2004， 04（06）：52-55.
[2] 杭州和利时.和利时HOLLiASMACSK系列硬件手册[M].杭州：杭州和利时自动化有限公司，2017.