輕灰煅燒爐的優(yōu)化控制

李敬輝

（南化集團(tuán)連云港堿廠，江蘇連云港 222042）

輕灰煅燒爐的優(yōu)化控制

李敬輝

（南化集團(tuán)連云港堿廠，江蘇連云港 222042）

我廠煅燒車間輕灰優(yōu)化控制系統(tǒng)采用浙江中控軟件技術(shù)有限公司的APC－Adcon高級(jí)多變量魯棒預(yù)測(cè)控制軟件，在浙大中控的SUPCON－JX300X DCS集散控制系統(tǒng)及其上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)化過(guò)程；預(yù)測(cè)控制；集散控制系統(tǒng)；煅燒爐

連云港堿廠采用氨堿法制堿，裝置原生產(chǎn)能力為60萬(wàn)t／a，經(jīng)過(guò)不斷擴(kuò)容改造，目前生產(chǎn)能力已達(dá)120萬(wàn)t／a。連云港堿廠在擴(kuò)大純堿生產(chǎn)規(guī)模的同時(shí)，加強(qiáng)技術(shù)改造，不斷提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平。2003年煅燒車間生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行了DCS控制改造，改造后生產(chǎn)效率明顯提高，產(chǎn)品次品率大大降低。但面臨當(dāng)前激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，簡(jiǎn)單的DCS單回路控制已不能滿足企業(yè)的需求，因此為進(jìn)一步提高裝置的自動(dòng)化水平，借鑒中控軟件在山東?；儔A廠輕灰煅燒爐先進(jìn)控制和優(yōu)化方面取得的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合連云港堿廠輕灰煅燒爐生產(chǎn)過(guò)程控制的現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)和實(shí)施適合裝置特點(diǎn)的先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)，在現(xiàn)有DCS控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高輕灰煅燒爐裝置的操作平穩(wěn)性，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低消耗。

1 工藝流程簡(jiǎn)述

來(lái)自重堿車間4＃皮帶運(yùn)輸機(jī)經(jīng)離心分離后的濕重堿，通過(guò)重堿大皮帶運(yùn)輸機(jī)由電動(dòng)犁料器分配到1＃、2＃、3＃下堿溜管，經(jīng)汽封轉(zhuǎn)動(dòng)閥送預(yù)混器；0＃及4＃系統(tǒng)直接從重堿車間4＃皮帶運(yùn)輸機(jī)通過(guò)重堿小皮帶運(yùn)輸機(jī)經(jīng)汽封轉(zhuǎn)動(dòng)閥送預(yù)混器；在預(yù)混器內(nèi)與返堿加料器、輕灰分離器分離的堿塵通過(guò)預(yù)混器攪拌軸攪拌，充分混合，降低重堿水分，經(jīng)進(jìn)料螺旋運(yùn)輸機(jī)進(jìn)入輕灰煅燒爐，重堿在煅燒爐內(nèi)被中壓蒸汽間接加熱。

由電廠來(lái)的中壓蒸汽，從旋轉(zhuǎn)接頭中心套筒進(jìn)入汽室，由汽室進(jìn)入4排加熱管，蒸汽冷凝水則由旋轉(zhuǎn)接頭處套筒進(jìn)入貯水槽到閃發(fā)器，進(jìn)行二次閃發(fā)。濕重堿在輕灰煅燒爐中加熱分解生成輕質(zhì)純堿和爐氣。從煅燒爐出來(lái)的輕質(zhì)純堿，經(jīng)出料螺旋輸運(yùn)機(jī)、0＃爐出料閥、返堿刮板運(yùn)輸機(jī)，一部分作為返堿進(jìn)入返堿加料器，另一部分進(jìn)入輕灰刮板運(yùn)輸機(jī)，經(jīng)輕灰斗式提升機(jī)輸送到輕灰分配刮板機(jī)，通過(guò)溜管分配到回收配制堿液，同時(shí)分配到重灰、涼堿及低鹽重灰崗位。

輕灰煅燒爐分解產(chǎn)生的爐氣經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后，產(chǎn)生的堿塵通過(guò)堿塵絞龍進(jìn)入預(yù)混器，產(chǎn)生的爐氣進(jìn)入熱堿液塔，被熱堿液洗滌堿塵后進(jìn)入熱母液洗滌塔，與冷母液逆流直接接觸進(jìn)一步洗滌堿塵，同時(shí)冷母液被預(yù)熱為熱母液，并蒸出部分氨和二氧化碳，然后爐氣進(jìn)入螺旋板換熱器（0＃、4＃為波紋管換熱器），被循環(huán)水間接冷卻，產(chǎn)生的冷凝液流入冷凝液槽，用冷凝液泵送往蒸餾崗位；從螺旋板換熱器出來(lái)的爐氣進(jìn)入爐氣洗滌塔，爐氣在塔內(nèi)被凈氨洗水直接逆流洗滌后由壓縮送往碳化制堿；凈氨洗水來(lái)自濾過(guò)崗位，洗滌爐氣后洗滌液由洗滌液泵送往濾過(guò)。熱堿液槽內(nèi)的堿液用熱堿液泵打到熱堿液塔內(nèi)，在塔內(nèi)熱堿液直接逆流洗滌爐氣后一部分回流到熱堿液槽繼續(xù)循環(huán)（熱堿液不夠時(shí)，補(bǔ)充脫鹽水或重灰洗水），另一部分回流到配堿槽，在配堿槽內(nèi)加入從輕灰分配刮板機(jī)來(lái)的純堿，配制合格的純堿液用純堿液泵送往鹽水苛化崗位，鹽水車間配堿時(shí)直接將熱堿液送往鹽水化堿崗位。

來(lái)自濾過(guò)崗位的冷母液進(jìn)入冷母液桶，由冷母液泵送到熱母液洗滌塔與爐氣換熱變成熱母液，由熱母液泵送到熱母液桶，爐氣管“U”型水封管內(nèi)的冷凝液回收至地槽，由壓縮空氣送往冷母液桶。

2 裝置運(yùn)行情況及控制現(xiàn)狀

輕灰煅燒爐裝置的特點(diǎn)是爐體長(zhǎng)，出堿溫度響應(yīng)時(shí)間滯后，控制難度大；影響因素多，其中重堿進(jìn)料量、含水量、返堿量、中壓蒸汽壓力等參數(shù)對(duì)出堿溫度、爐頭壓力均有影響；各煅燒爐存在物料流（濕重堿量分配）和能量流（蒸汽壓力分配）相互聯(lián)系，相互干擾，調(diào)整一臺(tái)煅燒爐，會(huì)影響到其它煅燒爐的工況。

目前連云港堿廠共有5臺(tái)輕灰煅燒爐，其中4＃煅燒爐為2007年增加，全工段已采用了中控· SUPCON－JX300X DCS集散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)集中管理，大幅提高了裝置的控制水平。然而，輕灰煅燒爐的主要被控參數(shù)（如：出堿溫度、出氣溫度、爐頭壓力等）仍停留在人工手動(dòng)控制或單回路控制狀態(tài)，不能很好地解決生產(chǎn)過(guò)程中存在的大滯后和相互耦合的工藝特性。當(dāng)過(guò)程出現(xiàn)大的負(fù)荷變化或者物料、能量等方面的擾動(dòng)時(shí)，主要依賴操作員憑經(jīng)驗(yàn)操作，這不僅增大操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且給輕灰煅燒爐的生產(chǎn)平穩(wěn)性和產(chǎn)品質(zhì)量、裝置處理量帶來(lái)較大影響。同時(shí)由于手動(dòng)控制易出現(xiàn)超調(diào)或調(diào)整不及時(shí)等情況，出堿溫度和爐頭壓力波動(dòng)幅度較大，難以將裝置控制于最優(yōu)操作狀態(tài)，平均出堿溫度偏高，裝置蒸汽消耗較大，產(chǎn)品質(zhì)量難以得到保證。

在基礎(chǔ)控制儀表方面，目前除了有一個(gè)總的皮帶秤之外，單爐沒(méi)有皮帶秤，計(jì)劃在0＃爐和4＃爐各上一個(gè)皮帶秤（2010年11月13日完成）；儀表顯示方面，爐頭壓力顯示震蕩幅度大，波動(dòng)頻繁；犁料器的問(wèn)題，由于從重堿車間過(guò)來(lái)的濕重堿進(jìn)爐順序?yàn)椋?＃爐→0＃爐→1＃爐→2＃爐→3＃爐，4＃爐和0＃爐在相同的繼電時(shí)間內(nèi)，調(diào)節(jié)的進(jìn)料幅度比后面的爐要多，特別是0＃爐犁料器，由于本身定位不準(zhǔn)確，每一次調(diào)節(jié)的量過(guò)大；單回路自調(diào)閥方面，爐頭壓力調(diào)節(jié)閥嚴(yán)重偏離線性特征，并且閥門有“死區(qū)”，具體“死區(qū)范圍”，如表1：

表1 爐頭壓力自調(diào)閥開(kāi)度死區(qū)

3 關(guān)鍵工藝指標(biāo)控制現(xiàn)狀

3.1 出堿溫度指標(biāo)現(xiàn)狀

對(duì)煅燒過(guò)程來(lái)說(shuō)，出堿溫度可以基本表征輕灰產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)煅燒溫度偏低時(shí)，所得產(chǎn)品中會(huì)有少量未分解的重堿，影響產(chǎn)品質(zhì)量；當(dāng)出堿溫度偏高時(shí)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量改善不大，但會(huì)明顯影響到蒸汽消耗和煅燒生產(chǎn)負(fù)荷。出堿溫度變化原因，是重堿投入量和水分的波動(dòng)、返堿配比不足、煅燒爐負(fù)荷過(guò)大、蒸汽壓力波動(dòng)等因素造成。

3.2 爐頭壓力指標(biāo)現(xiàn)狀

爐頭壓力關(guān)系到CO2回收率和濃度，也關(guān)系到重堿的分解和現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)保護(hù)。從重堿分解化學(xué)過(guò)程來(lái)看，壓力狀態(tài)不如真空有利；從設(shè)備結(jié)構(gòu)上看，壓力狀態(tài)會(huì)使?fàn)t氣串入重堿給料通道，使水蒸汽冷凝引起爐頭給堿堵塞；壓力偏高將會(huì)使?fàn)t氣從密封端逸出，造成兩端冒氣，不但造成NH3和CO2損失，還會(huì)惡化現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，而負(fù)壓操作會(huì)導(dǎo)致漏入空氣，降低CO2濃度。爐頭壓力波動(dòng)主要由重堿投入量、排氣蝶閥開(kāi)度、煅燒爐轉(zhuǎn)速變化、壓縮機(jī)抽氣壓力等因素造成。

3.3 總管蒸汽壓力變化情況

蒸汽總管壓力3.08～3.54 MPa之間頻繁波動(dòng)，波動(dòng)幅度無(wú)規(guī)律。

3.4 濕重堿流量變化情況

濕重堿流量主要在180～240 t之間波動(dòng)。

綜合現(xiàn)場(chǎng)操作情況，爐頭壓力波動(dòng)頻繁，并且幅度很大；出堿溫度平均值在185℃左右，波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差在8.6℃左右；蒸汽總管壓力和濕重堿量波動(dòng)也比較頻繁，幅度較大，從而引起爐氣CO2濃度的波動(dòng)，產(chǎn)品品質(zhì)得不到長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定保證；為了少出次品，出堿溫度控制過(guò)高，造成蒸汽消耗高，增加了生產(chǎn)成本。

4 輕灰煅燒工序控制系統(tǒng)組成

4.1 DCS系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

輕灰煅燒工序生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化控制系統(tǒng)是在浙大中控JX－300X DCS系統(tǒng)的上位機(jī)上實(shí)施的。此套DCS系統(tǒng)由3個(gè)控制站、5臺(tái)操作站（其中一臺(tái)兼工程師站）組成，1＃、3＃控制站分別用于儀表、電氣測(cè)量點(diǎn)，2?？刂普緸閮x表、電氣合用。

4.2 優(yōu)化控制系統(tǒng)資源

優(yōu)化控制服務(wù)器通過(guò)兩塊網(wǎng)卡與工業(yè)以太網(wǎng)連接，控制站通過(guò)主控卡UDP協(xié)議向OPC Server發(fā)布數(shù)據(jù)，優(yōu)化控制服務(wù)器再通過(guò)OPC Server實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。連接示意圖如圖1所示：

圖1 優(yōu)化控制服務(wù)器與DCS連接示意圖

結(jié)合生產(chǎn)控制優(yōu)化系統(tǒng)的需求，DCS系統(tǒng)已具備實(shí)施優(yōu)化控制的需求：增加約600個(gè)中間點(diǎn)、操作界面組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通訊監(jiān)控、邏輯切換程序編寫(xiě)、犁料器控制模塊重新設(shè)等內(nèi)容。

5 輕灰優(yōu)化控制系統(tǒng)操作

2011年6月1日連云港堿廠利用系統(tǒng)停車機(jī)會(huì)，配合中控軟件做好DCS端電動(dòng)刮刀運(yùn)行邏輯的完善調(diào)整及常規(guī)控制與先進(jìn)控制邏輯切換程序的下載工作，保證DCS優(yōu)化系統(tǒng)順利實(shí)施投用。先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)置了總開(kāi)關(guān)、分開(kāi)關(guān)，總開(kāi)關(guān)與各分開(kāi)關(guān)之間建立了邏輯關(guān)系，控制回路可根據(jù)工藝條件和需要單獨(dú)投運(yùn)或切出，對(duì)其它回路沒(méi)有任何影響。各控制回路相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)置也相互獨(dú)立，操作方便。先進(jìn)控制系統(tǒng)的操作內(nèi)容主要包括先進(jìn)控制系統(tǒng)的啟／停及各類參數(shù)的設(shè)置。

5.1 各功能塊操作說(shuō)明

“通信狀態(tài)”為通訊狀態(tài)標(biāo)志，指示先控上位機(jī)與DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接情況，通訊正常則顯示“綠色”，通訊中斷則顯示“紅色”，通訊中斷后投用的先控系統(tǒng)開(kāi)關(guān)按鈕隨即自動(dòng)切除，需要聯(lián)系相關(guān)人員進(jìn)行處理。

“總開(kāi)關(guān)”按鈕為輕灰煅燒工序先進(jìn)控制系統(tǒng)總開(kāi)關(guān)，通過(guò)單擊該按鈕執(zhí)行“投運(yùn)”或“切除”先進(jìn)控制?？傞_(kāi)關(guān)處于“開(kāi)”狀態(tài)，則分開(kāi)關(guān)能“開(kāi)”也能“關(guān)”；總開(kāi)關(guān)處于“總開(kāi)關(guān)－關(guān)”狀態(tài)，則分開(kāi)關(guān)自動(dòng)“關(guān)”，不能再打“開(kāi)”。

“開(kāi)關(guān)”為單回路先控開(kāi)關(guān)，單擊按鈕，會(huì)顯示“開(kāi)”和“關(guān)”相互轉(zhuǎn)換，其中顯示亮“綠色”表示回路投用先控，顯示“灰色”表示回路切除先控。

“狀態(tài)”為單回路先控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，呈“綠色”表示該回路先進(jìn)控制運(yùn)行，呈“灰色”表示未運(yùn)行。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的“上限”、“下限”是指先進(jìn)控制系統(tǒng)允許該執(zhí)行機(jī)構(gòu)在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，一旦超出，回路切除先控；被控目標(biāo)值的“上限”、“下限”表示被控變量的約束，當(dāng)被控變量測(cè)量值越出約束時(shí)，先控系統(tǒng)操作變量的調(diào)節(jié)幅度增大，使被控變量盡快回到上下限約束內(nèi)。（注意：在設(shè)定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上下限約束范圍時(shí)，必須使實(shí)際值在上下限范圍內(nèi)，否則該回路不參與先控計(jì)算，在設(shè)定被控變量的上下限約束時(shí)，不允許出現(xiàn)“下限”大于“上限”，否則先控系統(tǒng)會(huì)出錯(cuò)。）

投運(yùn)先控時(shí)調(diào)節(jié)閥的狀態(tài)條件說(shuō)明：如果下面的回路要投運(yùn)先進(jìn)控制系統(tǒng)，回路狀態(tài)見(jiàn)列表：投先控時(shí)打?yàn)樽詣?dòng)的自調(diào)閥：蒸汽調(diào)節(jié)閥；投先控時(shí)打?yàn)槭謩?dòng)的自調(diào)閥：爐頭壓力調(diào)節(jié)閥、循環(huán)水調(diào)節(jié)閥。

5.2 先進(jìn)控制系統(tǒng)的投運(yùn)與切除

5.2.1 先進(jìn)控制系統(tǒng)的投運(yùn)

控制回路投運(yùn)先控開(kāi)關(guān)后才使得系統(tǒng)對(duì)裝置起控制作用。具體投用順序如下：

啟動(dòng)系統(tǒng)“總開(kāi)關(guān)”→啟動(dòng)“單爐總開(kāi)關(guān)”→ 啟動(dòng)“單爐各控制回路分開(kāi)關(guān)”，當(dāng)被控變量的狀態(tài)圖標(biāo)由“灰色”變?yōu)?“綠色”時(shí)，先進(jìn)控制系統(tǒng)才起控制作用。

當(dāng)需要切除全部先進(jìn)控制，則只需單擊關(guān)閉系統(tǒng)“總開(kāi)關(guān)”，其它下層開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)閉，恢復(fù)至DCS常規(guī)控制。

如果需要停止某個(gè)控制回路的先進(jìn)控制，則只需在控制回路參數(shù)設(shè)置界面上單擊相應(yīng)控制回路的開(kāi)關(guān)按鈕即可。

5.2.2 先進(jìn)控制系統(tǒng)的切除

5.2.3 注意事項(xiàng)

1）先進(jìn)控制系統(tǒng)投用前應(yīng)預(yù)先設(shè)定好各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上下限、目標(biāo)設(shè)定值，并注意檢查，防止出現(xiàn)誤設(shè)定或所設(shè)參數(shù)不符合當(dāng)前裝置運(yùn)行負(fù)荷。動(dòng)狀態(tài)時(shí)才能投用先進(jìn)控制；控制爐頭壓力、爐氣冷凝塔出氣溫度的自調(diào)閥，要投用手動(dòng)時(shí)才能投用先控。

2）控制進(jìn)爐中壓蒸汽壓力的自調(diào)閥，要處于自

6 輕灰優(yōu)化控制的效果

輕灰煅燒工序?qū)嵤┫冗M(jìn)控制后，確保輕灰煅燒爐的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，提高關(guān)鍵工藝參數(shù)的控制質(zhì)量，平穩(wěn)裝置的生產(chǎn)操作；穩(wěn)定和優(yōu)化不同生產(chǎn)階段輕灰煅燒爐的運(yùn)行負(fù)荷和蒸汽量分配，維持各煅燒蒸汽壓力的一致性，減少對(duì)蒸汽管網(wǎng)高壓力需求；對(duì)輕灰煅燒爐生產(chǎn)運(yùn)行的相關(guān)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)煅燒爐生產(chǎn)的約束控制，避免單臺(tái)設(shè)備負(fù)荷過(guò)大情況出現(xiàn)。

具體技術(shù)指標(biāo)如下：

1）出堿溫度最大波動(dòng)幅度減少50%（最高值與最低值之差），平均波動(dòng)幅度減少40%以上，并進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整出堿溫度，降低蒸汽消耗；高裝置運(yùn)行的安全性，保持爐氣濃度穩(wěn)定；

2）爐頭壓力平均波動(dòng)幅度減少40%以上，以提

3）確保先控系統(tǒng)投運(yùn)率平均大于90%，以保持生產(chǎn)操作的一致性，減少人為干擾，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；

4）合理分配各煅燒爐的生產(chǎn)負(fù)荷，在處理同等進(jìn)料負(fù)荷時(shí)，對(duì)蒸汽管網(wǎng)壓力需求較常規(guī)控制降低5%以上。

7 結(jié) 語(yǔ)

輕灰煅燒爐優(yōu)化控制的應(yīng)用是成功的，提高了輕灰煅燒爐裝置的操作平穩(wěn)性，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低消耗。但由于輕灰煅燒生產(chǎn)的特點(diǎn)及常規(guī)控制的局限性，產(chǎn)品質(zhì)量的控制及蒸汽消耗控制回路受其它干擾因素的影響，如爐頭壓力控制，爐頭蝶閥受重堿量波動(dòng)大，離心機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行性不強(qiáng)，螺旋板出氣溫度低在蝶閥處結(jié)晶卡住蝶閥，造成蝶閥無(wú)法正常開(kāi)關(guān)調(diào)控，使壓縮波動(dòng)較大等，對(duì)存在的問(wèn)題需進(jìn)一步探索。

TP 273.5

B

1005－8370（2012）03－11－04

2011－11－17

（1976—），1997年畢業(yè)于連云港化工高等專科學(xué)?；すに噷I(yè)，連云港堿廠煅燒車間工藝組組長(zhǎng)。