先進控制系統(tǒng)在純堿生產(chǎn)碳化裝置的應用

摘要：

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

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)工藝復雜，尤其是碳化單元，參與反應介質(zhì)由氣、液、固三相組成，同時由多組碳化塔并聯(lián)生產(chǎn)，而且同一設備存在制堿和清洗兩種狀態(tài)，間歇過程與連續(xù)過程同時存在于整個生產(chǎn)過程中。由于碳化塔多，同時對多座碳化塔操作，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)驗不豐富，或是操作不精心，車間對其所要求的工藝指標都很難達到要求，唐山三友碳化裝置也同樣受限于常規(guī)控制的約束。因此，有必要針對碳化裝置的特性進行生產(chǎn)過程的在線優(yōu)化控制，進一步提高碳化塔的控制水平，優(yōu)化工藝指標，同時降低操作人員的勞動強度。

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入各組清洗塔，多余部分經(jīng)自調(diào)系統(tǒng)或手動調(diào)節(jié)返回到氨鹽水儲桶。清洗塔底部通入由壓縮工序送來的清洗氣，氣液在塔內(nèi)逆流接觸進行預碳化，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行化學吸收反應，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)后進入各凈氨塔底圈再經(jīng)與上部進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浙江中控軟件技術(shù)公司的在線優(yōu)化進控制軟件包 APC-Adcon，結(jié)合碳化過程的控制思路和實際操作經(jīng)驗，研發(fā)了“碳化在線優(yōu)化控制系統(tǒng)”，實現(xiàn)對碳化塔上部溫度、中部溫度、出堿溫度的平穩(wěn)控制，同時根據(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 個工況狀態(tài)組成，分別為：正常工況狀態(tài)，大擾動工況狀態(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現(xiàn)。通過單回路的階躍測試、模型辯識及仿真、預測模型組態(tài)、調(diào)試及投運，完成預測模型控制器的運行。

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

    在中溫 - 總出堿量控制器中，總出堿量為第 1 級優(yōu)先控制目標，17 圈溫度為第 2 級控制目標。優(yōu)化控制系統(tǒng)首選滿足優(yōu)先級別高的指標。當實際總出堿量未達到優(yōu)化目標值時，各制堿塔根據(jù)中溫的高低動態(tài)調(diào)節(jié)出堿流量，盡量滿足總出堿量優(yōu)化目標值的要求，中溫偏高的塔放量，中溫偏低的塔適當收量，同時各塔中、下段氣流量也根據(jù)中溫的高低進行合理調(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，導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1組（4座）制堿碳化塔的塔壓、上溫進行智能判斷比較，得出當前碳化塔工況，根據(jù)塔況的好壞，利用塔間的能耗互補性，實現(xiàn)氣、液平衡，從而保證碳化塔中溫、總放量的平穩(wěn)運行。

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，導致碳化塔操作時不可預見性增多，為了使設備能長時間安全運行及物料免受大幅度波動沖擊，采用專家控制策略，根據(jù)生產(chǎn)實際情況，給中、下段氣總管壓力及中和水總管壓力設置合理調(diào)節(jié)區(qū)域，從而保證優(yōu)化系統(tǒng)的安全運行。

2.4 通訊監(jiān)控模塊

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

3 優(yōu)化控制系統(tǒng)實現(xiàn)的平臺架構(gòu)

    碳化工序優(yōu)化控制器運行在優(yōu)化控制系統(tǒng)上位機中，OPC Server 通訊接口軟件作為連接先進控制上位機與 DCS數(shù)據(jù)交互的橋梁。先進控制上位機通過 OPC 接口服務器，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，這樣先進控制系統(tǒng)也就與 DCS 控制站實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳送的物理鏈接。先進控制系統(tǒng)與 DCS 控制站兩者的數(shù)據(jù)交換是通過OPC 標準接口來實現(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)運行超過了 5 年時間，應用效果明顯。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化水平，統(tǒng)一了操作人員的操作方法，同時增強了碳化塔的塔底壓力、上溫、中溫、出堿溫度的運行指標的平穩(wěn)性，優(yōu)化了工藝指標參數(shù)，提高了碳化轉(zhuǎn)化率，達到就節(jié)能降耗的目的。同時，優(yōu)化系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)需求，實現(xiàn)碳化塔的產(chǎn)量最大化，品質(zhì)最優(yōu)化。

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