基于DMC的苛化过程中过灰量控制系统的仿真与研究

DMC在苛化工段过灰量控制中的应用研究与仿真李明辉1孟宪坤2（1,陕西科技大学陕西西安710021；2，国家广播电影电视总局五五四台河南郑州450100）摘要：过灰量的控制是一个大时滞过程，是碱回收苛化工段的控制难点，通过阐述过量灰对苛化过程的影响，得出了过量灰的加入量应控制在3％以内的结论。

为解决过灰量控制中的时滞问题，通过比较一些常规控制方法的特点，采用了DMC应用于苛化工段的过灰量控制中，经仿真得出了DMC阶跃响应超调量小，调节时间短，响应快，鲁棒性强，抗干扰性高，证明了将DMC应用于过灰量控制的方法是切实可行的。

关键词：苛化工段；时滞；过灰量；DMC；PID中图分类号：TP 273 文献标识码：BApplication Study and Simulation of DMC to Lime amountcontrol in Causticizing departmentLi minghui Meng xiankun（Shannxi University of Science &Technology，Xi’an 710021,China）Abstract：The lime amount control in causticizing department of alkali recovery is a large time-delay process,and it is a control difficulty．By describing effects of lime amount on caustic process,Obtained the conclusions that the adding of lime amount should be controlled within 3%.To solve the Time-delay problem in lime amount control,by compared the characteristics of some conventional control methods,DMC is applied by the lime amount control in causticizing department，obtained by the simulation that the step response of DMC have a lower overshoot、a shorter adjust time、a rapider response，And it is strongly robustness、high anti-interference，Proved the method of DMC used lime amount control is feasible.Key words:Causticizing department；Time-delay; Lime amount; DMC; PID1 前言碱回收是造纸工业的一个关键环节，而苛化过程是碱回收工艺中的最后一个环节，它把碱回收炉生产的绿液转变为适合于蒸煮使用的白液，为蒸煮工段得到优质、足量的白液提供了保证，在碱回收中有着重要的作用。

石灰是苛化工段的一个重要原料，是影响苛化反应的最重要因素，石灰加入量的控制即过灰量的控制直接影响浓白液的苛化度，过灰量的控制一定要控制在一个合适的范围之内，才能加速苛化反应，否则，直接影响苛化反应的速率。

实际工业现场中的石灰大部分是块状的，反应不及时，使得过灰量的控制成为一个大时滞过程，因此过灰量的控制就成为碱回收苛化工段的控制难点。

在一些常规控制方案中，因改进型的PID控制存在响应速度慢、控制精度低的缺陷，采样PI控制由于采样间隔不宜过大的特点，二者均不适用于大时滞的系统控制；Smith预估控制，因其对模型的依赖太大，且抗干扰性极低，亦不适于过灰量的控制；自适应、自校正控制技术，虽能在一定程度上解决了大时滞的一些问题，但其要求在线辨识对象模型，算法复杂，计算量大。

而近些年得到快速发展的模型预测控制正是克服了传统控制思想的束缚，通过对象的输入输出特性建立对象的数学模基金项目：陕西省科技计划自然基金项目资助（2011JM8001）；作者简介：李明辉（1972-），男，河南信阳人，副教授，硕士生导师，研究方向智能及高级过程控制，liminghui1972@；型，不必通过复杂的系统辨识来建立过程的模型。

因此本文以预测控制为基础，把预测控制中的动态矩阵控制(Dynamic matrix control简为DMC)应用于具有大时滞过程的碱回收苛化过程中过灰量的控制器中，为这种控制器提供了一种实用的优于PID控制的算法。

2 碱回收苛化工艺介绍苛化工段的主要设备是石灰消化提渣机和苛化器，辅助设备有白液澄清器、乳液澄清器等，其工艺流程如图1所示，由燃烧工段来的绿液经“绿液澄清器”澄清后，送往“绿液贮存槽”，贮存槽设置有液位指示报警、绿液温度指示；然后，由绿液泵泵至“绿液加热器”加热，再进入“消化器”，在次管道上，设置有绿液流量控制点。

石灰加入量由电磁振动给料器控制，由于消化是放热反应，故由温度检测得到的温差，可大致判断石灰的加入量是否合适。

然后在苛化器中进行苛化反应，在第一、二个苛化器中设置温度指示,在第三苛化器中设置温度控制点，苛化后的反应物进入“苛化液缓冲槽”，在此槽中设置有液位指示报警点。

苛化液被泵入“白液澄清器”，白液与白泥在此处被分离，白液被送到“白液贮存槽”，并被泵往蒸煮工段【1】。

苛化工段的黑液燃烧后的熔融物溶于热水或稀白液中，因含有二价铁，颜色是绿色，故称为“绿液”，其主要成分是碳酸钠（Na2CO3）。

苛化是把绿液与石灰进行反应，使碳酸钠转变成可用于蒸煮的氢氧化钠（NaOH）；反应后分离出的清液（主要成分为氢氧化钠）即蒸煮用的白液，反应后生成的沉淀叫白泥[3]。

具体的苛化反应如下：1）石灰消化生石灰中的氧化钙与水发生反应，变成氢氧化钙，并放出热量：CaO+H2O→Ca(OH)2+热量 (1)2）石灰苛化氢氧化钙与绿液中的碳酸钠进行苛化反应，生成碳酸钙沉淀，同时形成氢氧化钠：Na2CO3＋Ca(OH)2=2NaOH+CaCO3↓-热量 (2)绿液贮存槽图1 苛化工段工艺流程图Fig.1 Flow Chart of Caustic Section3 过量灰对苛化过程的影响石灰是苛化工段的一个重要原料，也是影响苛化反应的最重要因素。

苛化一般要求石灰有效氧化钙含量为80％，若有效氧化钙含量过低，不仅增加石灰杂质中未烧透的碳酸钙、砂石等沉积在消化器底部，也加大了消化器的耙渣负荷、设备的磨损及排运渣负荷[2]。

由前文所诉的苛化工艺可知消化反应和苛化反应是连续进行的，大约有80％以上的苛化反应是在消化器中完成，在消化器运行时，石灰和绿液的加入量要配合恰当，绿液的供给应稳定均匀，通常是通过固定绿液流量来调节石灰加入量，以控制石灰与绿液的比率，石灰的供应量应按实际生产需要来计算并均匀加入(理论用灰量+过量灰)。

若石灰加入量过多则会引起沸腾，热碱液从消化器溢出，具有危险性。

因此，过量灰的加入对加速苛化反应有着积极的作用，由（2)式可知，苛化反应是一个可逆反应，石灰用量的增加可以使平衡正向移动，所以石灰的实际用量要比理论用量稍高些较好，但过量灰的增加也影响白泥的沉降速度，而且Ca(OH)2也增加溶液的粘度，影响白泥的澄清，给后续工作带来了不便，所以，过量灰的加入要控制在一个合适的范围之内，笔者根据纸厂碱回收车间苛化工段几年的生产实践经验，过量灰的加入最好不要超过3%[3]。

3.1 过量灰对苛化度的影响由于苛化反应是一个可逆反应，所以该反应进行的不是很充分，而是趋于平衡状态，这种状态可用下式来表示：2322+2()22+233[][][][][][]Ca OH CaCO K OH Ca OH K CO Ca CO K ----=== （3） 式中2()Ca OH K 表示2()Ca OH 可溶性产物，3CaCO K 表示3CaCO 可溶性产物,平衡常数K 可从Ca(OH)2和CaC03的溶解度估算出来，在温度为100o C 时，Ca(OH)2水中的溶解度为10-2mol ／L,CaC03的溶解度为2×10-4mol ／L ，这两种物质的可溶性产物就分别为4x10-6和4×10-8，平衡常数值大约为100，这就意味着平衡转化率相当于90％。

由于绿液中也含有相当数量的Na 2S ，它在水中会产生水解作用,从而会产生抑制碳酸钠苛化作用的倾向，所以平衡状态是受可溶性物质，NaCO 3、Na 2S 和NaOH 的浓度制约的，此时，如果不使用过量灰的话,在达到平衡转化点之前,将使苛化度降低，转化率受到限制。

所以过量灰的加入要恰当，即将过量灰的加入量控制在3％以内，过量灰与苛化率的关系如图2所示[4],由图可知，当过量灰在1-3％之间时苛化度迅速上升，当超过3％时苛化度变化缓慢，但仍有上升趋势，当过量灰大于4％时，苛化度基本上已经不随其值增加而增加，这时白泥的沉降速度降低，所以应尽量把过量灰控制在3％以内。

图2 过量灰和苛化度的关系 图3 过量灰与白泥沉降速度的关系Fig.2 Relations of excessive ash and causticFig.3 Relations of excessive ash and the rate of white-clay settling 3.2 过量灰对白泥沉降速度的影响由上面分析可知当过量灰大于3％时，白泥的沉降速度将会降低，这是因为白泥中夹杂这大量未参加反应的Ca(OH)2细小颗粒，因Ca(OH)2的相对密度(2.1-2.3)比CaC03的相对密度(2.8)小，而且Ca(OH)2粒度大，它们之间的沉降是相互干扰的，这就使沉降速度的变得困难，过量灰与白泥的沉降速度之间的关系如图3所示，由图可知，当过量灰在3％以内时，白泥的沉降速度虽有所下降，可是总体趋于平缓；当过量灰大于4%时，白泥的沉降速度迅速下降，所以，应当将过量灰控制在3%以内。

4 DMC 在过灰量控制系统中的应用与仿真DMC 是一种基于对象阶跃响应的以优化确定控制策略的控制算法, 它在工业实际应用中之所以受到欢迎，并得到成功应用，除了算法简单、响应容易获得外，主要是因为它还具有的预测模型、滚动优化和反馈校正三大优点[5]。

此外，由于它采用了多步预测的方式，扩大了反映过程未来变化趋势的信息量，因而能克服各种不确定性和复杂变化的影响，使DMC 能在各种复杂生产过程控制中获得很好的应用效果，并具有较高的鲁棒性。