先進(jìn)控制系統(tǒng)在純堿生產(chǎn)碳化裝置的應(yīng)用

摘要：

    文章介紹了應(yīng)用在線優(yōu)化手段解決多變量、大擾動(dòng)、大滯后的流程工業(yè)控制策略。通過預(yù)測模型控制、專家規(guī)則控制、模糊控制，相互協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)碳化裝置的工藝指標(biāo)優(yōu)化，達(dá)到提高轉(zhuǎn)化率、提高產(chǎn)品品質(zhì)及降低勞動(dòng)力的目的。

0引言

    純堿是重要的基礎(chǔ)化工原料，主要通過氨堿法制堿裝置生產(chǎn)而來，其生產(chǎn)工藝復(fù)雜，尤其是碳化單元，參與反應(yīng)介質(zhì)由氣、液、固三相組成，同時(shí)由多組碳化塔并聯(lián)生產(chǎn)，而且同一設(shè)備存在制堿和清洗兩種狀態(tài)，間歇過程與連續(xù)過程同時(shí)存在于整個(gè)生產(chǎn)過程中。由于碳化塔多，同時(shí)對(duì)多座碳化塔操作，操作人員精力有限，碳化塔的轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)品品質(zhì)很難有突破，假如操作人員經(jīng)驗(yàn)不豐富，或是操作不精心，車間對(duì)其所要求的工藝指標(biāo)都很難達(dá)到要求，唐山三友碳化裝置也同樣受限于常規(guī)控制的約束。因此，有必要針對(duì)碳化裝置的特性進(jìn)行生產(chǎn)過程的在線優(yōu)化控制，進(jìn)一步提高碳化塔的控制水平，優(yōu)化工藝指標(biāo)，同時(shí)降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 工藝過程簡述及控制需求

具體工藝流程如下：

    由蒸吸工序送來的成品氨鹽水進(jìn)入各組清洗塔，多余部分經(jīng)自調(diào)系統(tǒng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)返回到氨鹽水儲(chǔ)桶。清洗塔底部通入由壓縮工序送來的清洗氣，氣液在塔內(nèi)逆流接觸進(jìn)行預(yù)碳化，并清洗塔內(nèi)結(jié)疤。從清洗塔底部流出的液體稱為中和水，中和水從塔底中和水管進(jìn)入各組中和水泵，經(jīng)泵加壓后大部分送至各組制堿塔，一小部分作為清洗出堿管用水，其余部分返回中和塔內(nèi)。在制堿塔內(nèi)中和水與壓縮工序送來的下段氣和中段氣逆流接觸進(jìn)行化學(xué)吸收反應(yīng)，生成碳酸氫鈉結(jié)晶懸浮液，從制堿塔底流出的懸浮液稱為出堿液。出堿液經(jīng)塔底出堿管自壓至出堿槽，然后送到濾過工序進(jìn)行固液分離。

    清洗過程為放熱過程，因此，在清洗塔水箱部分通入循環(huán)水以移走放出的熱量。制堿過程放熱更多，為了提高NaCl利用率需要換熱降溫，在塔的水箱部分通入≤22℃的直流水，控制出堿溫度在 28℃ ~32℃之間。冷卻水從碳化塔冷卻段分 3 段取出，用以改變碳化塔水箱冷卻面積。

各塔的尾氣從塔頂排出，進(jìn)入尾氣總管，尾氣中夾帶的液體經(jīng)氣液分離器分離，分離出的液體稱為回鹵，用管道引入各中和水泵入口以回收利用。尾氣經(jīng)壓力調(diào)節(jié)后進(jìn)入各凈氨塔底圈再經(jīng)與上部進(jìn)來的精鹽水逆流接觸，吸收尾氣的 NH 3 和 CO 2 。凈 NH 3 后的尾氣經(jīng)加高 8cm 的放空管放空。從凈氨塔底部出來的液體稱為淡氨鹽水，經(jīng) U 型液封自壓到吸收工序的淡氨鹽水貯桶內(nèi)。

綜上，唐山三友化工股份有限公司碳化裝置引進(jìn)浙江中控軟件技術(shù)公司的在線優(yōu)化進(jìn)控制軟件包 APC-Adcon，結(jié)合碳化過程的控制思路和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了“碳化在線優(yōu)化控制系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳化塔上部溫度、中部溫度、出堿溫度的平穩(wěn)控制，同時(shí)根據(jù)生產(chǎn)情況、單塔塔況、生產(chǎn)要求，智能確定單塔放量，解決碳化工況在較大擾動(dòng)下的氣、液不平衡現(xiàn)象。

2 在線優(yōu)化控制系統(tǒng)控制策略 

    碳化塔的在線優(yōu)化控制系統(tǒng)由 3 個(gè)工況狀態(tài)組成，分別為：正常工況狀態(tài)，大擾動(dòng)工況狀態(tài)和安全生產(chǎn)臨界狀態(tài)。

2.1 正常工況狀態(tài)

    在碳化塔工況較平穩(wěn)的生產(chǎn)狀態(tài)下，采用預(yù)測模型控制策略。通過微調(diào)中和水流量、中段氣流量、下段氣流量、出堿流量、循環(huán)水流量，實(shí)現(xiàn)碳化塔塔壓、頂溫、中溫、出堿總量、出堿溫度的平穩(wěn)控制。制堿塔壓、上溫、中溫、出堿溫、總出堿流量預(yù)測模型由浙江中控軟件技術(shù)有限公司的 APC-Adcon 優(yōu)化控制軟件包完成實(shí)現(xiàn)。通過單回路的階躍測試、模型辯識(shí)及仿真、預(yù)測模型組態(tài)、調(diào)試及投運(yùn)，完成預(yù)測模型控制器的運(yùn)行。

另外，對(duì)出堿總量的控制，中溫 - 總出堿量控制器不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)各塔中部溫度的平穩(wěn)控制，還要滿足總出堿量的任務(wù)要求。因此，控制器對(duì)各塔出堿流量的調(diào)節(jié)既要考慮17 圈溫度的變化，還要盡可能達(dá)到總出堿量目標(biāo)值。

    在中溫 - 總出堿量控制器中，總出堿量為第 1 級(jí)優(yōu)先控制目標(biāo)，17 圈溫度為第 2 級(jí)控制目標(biāo)。優(yōu)化控制系統(tǒng)首選滿足優(yōu)先級(jí)別高的指標(biāo)。當(dāng)實(shí)際總出堿量未達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)值時(shí)，各制堿塔根據(jù)中溫的高低動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)出堿流量，盡量滿足總出堿量優(yōu)化目標(biāo)值的要求，中溫偏高的塔放量，中溫偏低的塔適當(dāng)收量，同時(shí)各塔中、下段氣流量也根據(jù)中溫的高低進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，優(yōu)化碳化塔工況。

2.2 非常規(guī)平衡控制模塊

    在碳化工序生產(chǎn)過程中，由于受到前后工序的影響很大，經(jīng)常出現(xiàn)中段氣、下段氣量、中和水不足或者過剩，造成系統(tǒng)大幅波動(dòng)，導(dǎo)致單塔物料和熱量都不平衡，影響制堿塔轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品品質(zhì)?；谝陨显蚩紤]，采用專家規(guī)則控制、模糊控制策略，對(duì)1組（4座）制堿碳化塔的塔壓、上溫進(jìn)行智能判斷比較，得出當(dāng)前碳化塔工況，根據(jù)塔況的好壞，利用塔間的能耗互補(bǔ)性，實(shí)現(xiàn)氣、液平衡，從而保證碳化塔中溫、總放量的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.3 安全生產(chǎn)控制模塊

    由于碳化工序與石灰、鹽水、蒸吸、輕灰、重灰、壓縮工序有著直接的關(guān)聯(lián)性，導(dǎo)致碳化塔操作時(shí)不可預(yù)見性增多，為了使設(shè)備能長時(shí)間安全運(yùn)行及物料免受大幅度波動(dòng)沖擊，采用專家控制策略，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，給中、下段氣總管壓力及中和水總管壓力設(shè)置合理調(diào)節(jié)區(qū)域，從而保證優(yōu)化系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.4 通訊監(jiān)控模塊

    為保障系統(tǒng)安全，在先進(jìn)控制上位機(jī)和 DCS 之間的通訊中斷、先進(jìn)控制上位機(jī)發(fā)生死機(jī)等異常狀況時(shí)，需要切除先進(jìn)控制和優(yōu)化系統(tǒng)，并給出報(bào)警提示便于操作人員進(jìn)行處理。這些功能通過在 DCS 上建立通訊監(jiān)控程序來實(shí)現(xiàn)的。

3 優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)架構(gòu)

    碳化工序優(yōu)化控制器運(yùn)行在優(yōu)化控制系統(tǒng)上位機(jī)中，OPC Server 通訊接口軟件作為連接先進(jìn)控制上位機(jī)與 DCS數(shù)據(jù)交互的橋梁。先進(jìn)控制上位機(jī)通過 OPC 接口服務(wù)器，與安裝有 OPC Server 的 DCS 操作站聯(lián)接，由于該操作站與DCS 控制站通過內(nèi)部協(xié)議建立了數(shù)據(jù)傳送的物理鏈接，這樣先進(jìn)控制系統(tǒng)也就與 DCS 控制站實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳送的物理鏈接。先進(jìn)控制系統(tǒng)與 DCS 控制站兩者的數(shù)據(jù)交換是通過OPC 標(biāo)準(zhǔn)接口來實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)束語

    目前，碳化工序優(yōu)化控制系統(tǒng)在三友化工股份有限公司已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行超過了 5 年時(shí)間，應(yīng)用效果明顯。在正常工況下，優(yōu)化控制系統(tǒng)基本可以代替操作人員，大大提高了裝置的自動(dòng)化水平，統(tǒng)一了操作人員的操作方法，同時(shí)增強(qiáng)了碳化塔的塔底壓力、上溫、中溫、出堿溫度的運(yùn)行指標(biāo)的平穩(wěn)性，優(yōu)化了工藝指標(biāo)參數(shù)，提高了碳化轉(zhuǎn)化率，達(dá)到就節(jié)能降耗的目的。同時(shí)，優(yōu)化系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)碳化塔的產(chǎn)量最大化，品質(zhì)最優(yōu)化。

    沈陽卡斯特科技發(fā)展有限公司是專業(yè)從事智慧工廠和智能化生產(chǎn)軟件產(chǎn)品研發(fā)的企業(yè)。我們成功的案例遍及水泥、軍工、石化、冶金、電力、城市污水等各種工業(yè)領(lǐng)域，這些驕人的成績不僅源于我們成功的控制解決方案和豐富的現(xiàn)場工程經(jīng)驗(yàn)，更得益于“高效、誠信、合作、創(chuàng)新”的企業(yè)文化。在水泥熟料生產(chǎn)過程的智慧工廠軟件產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用方面，公司產(chǎn)品覆蓋了包括原料磨、煤磨、燒成、脫銷加藥和余熱發(fā)電全部水泥熟料生產(chǎn)過程，并以項(xiàng)目實(shí)施周期短、可廣泛適用各種復(fù)雜工況、可提供基于互聯(lián)網(wǎng)的在線遠(yuǎn)程服務(wù)等特點(diǎn)在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位；與國外產(chǎn)品相比較，除了明顯的價(jià)格優(yōu)勢外，更能適應(yīng)中國水泥行業(yè)的裝備和工藝情況，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性、更高的投用率。

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