煤直接液化油渣成型机纠偏系统改造

【摘要】为解决因跑偏导致的生产负荷降低，钢带损坏严重，成型机运行不平稳等问题，在原有的纠偏系统上增加了FISHER的位置检测装置；同时，把原有的foxboro定位器更换为山武智能型电气阀门定位器，以及引入了PID与钳位控制，实施后一年多的时间里，成型机运行平稳，基本满足了工艺控制需要，达到了满足工艺生产的目标，解决了上述问题。

【关键词】油渣成型机；纠偏系统；位置检测；定位器；改造

Transform correction system for diesel?molding?machine for coal direct liquefaction

ZHANG Hai-long

（China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Company Ordos Coal Liquefaction Corporation）

Abstract：In order to solving?the?production load?to?reduce which is due to deviation，strip?damage?is?serious，molding machine is not running smoothly，increasing?position detection?device of fisher in?the?original?corrected system；At the same time?to replace?the?original?foxboro?locator?Yamatake smart?electrical?valve positioner，and the introduction of?a?PID and?clamp control；After the implementation of?more than a year，molding machine?running smoothly，meeting?the?needs?of?process control basically，reaching?the?target?to?meet?the?production process，solving the above problem.

Key words：diesel?molding?machine；correction system；position detection；locator；transform

1.引言

煤直接液化项目是世界首套煤直接液化百万吨级示范工程，被列为国家重点战略工程，有助于我国摆脱对进口原油和石油产品的过度依赖，完成能源消费结构的转变，确保我国中长期能源战略安全。油渣成型机在煤液化工程中起着举足轻重的作用，位于整个煤直接液化过程工艺的末端，如果该环节不稳定，上游工艺便会被迫降量操作甚至发生非计划停工事故，经济损失惨重。成型机采用钢带式输送机构，由于钢带传输距离长（带长115米，跨距近60米），传输物料温度高达320℃，钢带的下方喷淋冷却，当生产不稳、物料与冷却水分布不匀时很容易发生钢带变形，引起钢带发生跑偏，当钢带跑偏量过大而无法有效纠偏时，整个渣成型机便会发生联锁停机，甚至损坏钢带，严重时会导致成型机上游煤直接液化核心装置工艺降量生产，大大增加了生产和设备检维修成本，降低了企业的经济效益和市场竞争力。因此，如何有效解决困扰安全生产的钢带跑偏问题、开展煤液化油渣成型机纠偏系统改造，具有重大的科学研究意义及工程实用价值。

2.油渣成型机概述

2.1 结构组成

驱动轮毂（主动轮毂）、从动轮毂（被动轮毂）、钢带、电机、纠偏气缸、破碎机。

油渣成型机侧视图如图1。

2.2 工作原理

电机上电，电机转动，带动主动轮转动，主动轮带动钢带转动，钢带带动从动轮转动，油渣通过输送管线送到皮带上，钢带输送油渣过程中，把油渣冷却为燃烧煤块，且输送到破碎机口，把燃烧煤块破碎成小煤块以后，自由落到下料口，从而把小煤块送出去。

3.改造前油渣成型机纠偏系统概述

改造前成型机纠偏系统仅仅采用了FOXBORO公司SRP981单作用气动定位器作为核心部件，气动定位器有气源、输出、控制信号三个接口和反馈杆。控制信号强制于气动信号中间值60Kpa（20-100Kpa），通过反馈杆跟踪钢带位移的变化而使定位器输出气压信号改变，去推动气缸进行纠偏；纠偏系统控制示意图如图2。

4.存在问题

煤直接液化油渣成型机是山特维克为煤直接液化装置专门生产的，是世界上最长的成型机；该成型机运行条件恶劣，物料温度高、粘度大，自2008年底试车开始即发现严重影响煤直接液化正常运行；已经不能满足生产需要，常常因成型机纠偏系统不能及时、有效地对钢带进行纠偏，同时纠偏系统本身的稳定性不是很好，对钢带没有很好的钳位控制，导致钢带频繁跑偏，经常性的撕裂钢带，从而使得煤直接液化核心装置不得不降低负荷或者外甩油渣，给公司造成了很大的损失，成型机纠偏系统改造势在必行。

5.原因分析

造成跑偏的原因主要有以下几点：

5.1 下料不均造成钢带受热伸长不均匀，造成跑偏。

5.2 山特维特设计时对钢带长度导致钢带跑偏的严重程度估计不足。

5.3 跑偏控制只有一个气动定位器，反应速度慢，滞后大，造成成型机钢带跑偏严重。

5.4 纠偏控制系统中，因定位器无PID参数调整，定位器总是工作于开关状态，输出气压信号变化忽大忽小，气缸动作幅度大，使钢带摆动大，纠偏出现超调，容易出现跑偏故障。

6.改造后油渣成型机纠偏系统

6.1 概述

改造后的成型机纠偏系统设有机头/机尾钢带位置检测部件（反馈轮、位置传感器）、DCS控制器集中PID调节、定位器控制气缸气压执行纠偏动作；成型机四角设有4个跑偏报警开关，在纠偏系统不能及时消除钢带跑偏时进行联锁保护，防止钢带损坏；在成型机两侧及机头控制箱内设置有3个紧急停车开关，机尾设置有破碎机锁停开关一个。在成型机西侧机头3号位处主动轮轮毂固定；设置有一个跑偏开关；在成型机西侧机头1号位从动轮轮毂由手动可控气缸（气压0.4-0.6Mpa）驱动；设置有一个跑偏开关；在成型机东侧机头2号从动轮轮毂和机尾4号主动轮轮毂实行浮动，都设有自动可控气缸，纠编定位器对气缸进行动作定位，通过气缸伸缩驱动轮毂移动，使钢带张紧或放松，从而达到纠编目的；2号位及4号位各设置一个跑偏开关。

6.2 工作原理

当钢带稳定运行的过程中，由于某种因素导致钢带向2号位发生位移后，钢带位置传感器将L，转化为线性电阻的阻值变化R，通过检测阻值变化转化为电流变化（减小），DCS控制系统将位置信号与给定值比较后得到一个偏差值e，经过PID运算及输出钳位控制后，输出调节电流到阀门定位器，阀门定位器输出气压上升，通过调节气缸驱动轮毂发生位移，钢带在电机拖动且单边受力的情况下，向1号位漂移，直到到达一个新的平衡位置（见图3）。

6.3 纠偏系统改造后的方案以及使用情况报告

6.3.1 原foxboro定位器换为山武的智能电气阀门定位器（见图4）

（1）原foxboro定位器是弹簧式的，纠偏响应滞后，调零和量程都是手动调试，非常不方便，同时，定位器内部有一个小喷嘴与挡板，定位器通过喷嘴与挡板的压紧与恢复来控制气源的通断，从而达到控制成型机气缸，由于喷嘴小，没有过滤设施，而气体也有杂质，从而导致喷嘴堵塞，失去了控制成型机气缸的效果，因而也失去了定位器本身的作用，即定位器故障率高；并且因为是气动控制，不能直接把信号反馈到DCS操作室中，不方便去操作。

（2）山武的智能电气阀门定位器功能明显优于foxboro定位器，功能如下：

1）采用大口径的继动器，结构简单从而消除了气源通道堵塞故障，大大提高了调节成型机气缸的动作速度。

2）灵敏度高，定位及时准确，大大降低了成型机跑偏频率。

3）结构简单，坚固，自动调零、调量程，操作方便。

4）定位器有PID参数调整的功能，可以很方便的把信号引入DCS，通过对DCS中PID参数调整，非常方便地对成型机跑偏进行集中控制和调整。

5）定位器的部件采用了防腐蚀性材料，从而增强了耐环境性，适用于工作条件比较恶劣的场合。

总之，山武的智能电气阀门定位器大大提高了调节成型机跑偏的及时和准确性。

6.3.2 新增了一个Fisher的位置检测装置

如图5，原foxboro定位器是通过自己本身带的反馈杆来跟踪钢带位移的变化而使定位器输出气压信号改变，去推动气缸进行纠偏，由于没有专门的位置检测装置，且是机械弹簧式的，又是气动控制，反馈杆即使检测到钢带有位移变化，foxboro定位器也需要十几秒的时间去驱动气缸执行纠偏动作，同时反馈杆本身检测到的位移变量不太精确，因此使得定位器总是工作于开关状态，从而大大降低了定位器的稳定性；然而，新增的上图中的Fisher的位置检测装置，它是与定位器分开，是将转角或直线位移转换成标准的电流信号，从而可以把信号引入到DCS中，可以很方便的对定位器进行控制，同时变送器有一个外露的顶杆，受压时产生位移，变送器内有一个位移放大装置，使极板的移动放大若干倍，可对10mm以内的小行程进行高精度测量，同时又是电流信号传递，响应速度快，检测到位置有变化以后，会马上准确、及时的驱动定位器去控制气缸执行纠偏动作，这样也提高了纠偏系统的及时性和稳定性；总而言之，新增了位置检测装置后，它大大的提高了纠偏系统的精确度和稳定性。运行一段时间后，纠偏效果及时、稳定，比起改造前通过反馈杆检测位置变化有很大的改善。

6.3.3 引入了PID控制及钳位控制

改造前与改造后的控制回路示意图如图6、图7。

改造前的简单控制回路相当于一个比例控制回路，它适用于控制系统滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统；而改造后的串级控制回路的特点是：

1）克服被控过程较大的容量滞后

2）克服被控过程的纯滞后

3）抑制变化剧烈幅度较大的扰动

4）克服被控过程的非线性

由于改造前的油渣成型机纠偏系统滞后大，负荷变化大，钢带跑偏严重，即被控量变化大；因此，简单控制回路对于滞后较大，时间常数较长，干扰多而变化剧烈的对象控制质量差，稳定性差；而由于PID控制器适用于负荷变化大，容量滞后较大，控制质量要求又很高的控制系统；所以，由两者的特点和油渣成型机本身的特点可以看出串级控制回路明显优于简单回路控制，故改造后纠偏系统效果非常好。

同时，PID及钳位控制器的输出和输入的关系如图8。

纠偏控制系统中，引入了PID控制与钳位控制后，定位器不会经常工作于开关状态，故输出气压信号变化很小，因此气缸动作幅度明显变小，使钢带摆动变小，纠偏很难再出现超调现象，从而也很难出现跑偏故障，也就达到了纠偏的实际效果。

7.改造后的经济效益

煤制油分公司共有油渣成型机生产线14条，按钢带损坏一条为182万元计算，已经更换10条钢带，加上降量生产或停工检维修酿成的直接经济损失和间接经济损失之和达3000余万元。对纠偏系统进行改造之后显著提高成型机纠偏系统的实时性和纠偏能力，提高钢带运行平稳性，使用寿命延长2倍以上，带来了巨大的经济效益。

8.结束语

纠偏系统改造创新成果的应用，不仅可显著提高成型机的安全稳定运行周期，整体上提升煤直接液化关键流程的长周期运行管理经验，具有显著的工程实用价值。改造创新成果在煤直接液化油渣成型机钢带传输系统示范应用的基础上，也可以推广应用于煤间接液化等相关装置，应用前景广阔，社会效益显著。

参考文献

[1]胡寿松.自动控制原理[M].科学出版社，2005.

[2]张毅，张宝芬，曹丽，彭黎辉.自动检测技术及仪表控制系统（第二版）[M].化学工业出版社，2004.

[3]北京起重运输机械研究所.带式输送机设计手册[M].冶金工业出版社，2003.

[4]杨献勇.热工过程自动控制[M].清华大学出版社，2000.

作者简介：张海龙（1989—），男，大学本科，毕业于内蒙古工业大学信息工程学院自动化专业，工学学士，助理工程师。