大數(shù)據(jù)在電解槽管理中的應(yīng)用

劉昌盛

(新疆中泰化學(xué)(集團)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830009)

【電 解】

大數(shù)據(jù)在電解槽管理中的應(yīng)用

劉昌盛*

(新疆中泰化學(xué)(集團)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830009)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；電壓；電解槽管理；計算點

介紹了利用大數(shù)據(jù)概念自主開發(fā)的電解槽數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。該管理系統(tǒng)具備電解槽運行數(shù)據(jù)異常預(yù)警、DCS數(shù)據(jù)集成平臺應(yīng)用、長周期電解槽運行數(shù)據(jù)對比分析、異常工況原因快速分析等功能，實現(xiàn)了對電解的全面管控。對管理系統(tǒng)的具體應(yīng)用進行了簡要介紹。

1 電解槽信息管理庫開發(fā)背景

2014年，新疆中泰化學(xué)(集團)股份有限公司阜康能源有限公司(以下簡稱“阜康能源”)響應(yīng)國家信息化工業(yè)化兩化融合號召，投資引進實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，成功將DCS、PLC、手工點、計算點、質(zhì)檢分析等數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)DCS、PLC等數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)同步記錄。

在數(shù)據(jù)庫使用初期，生產(chǎn)技術(shù)管理人員并未能深刻理解數(shù)據(jù)庫對生產(chǎn)管理工作帶來的改變，僅是數(shù)據(jù)的初級采集、生產(chǎn)原始記錄自動生成、運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計及再次計算等簡單工作，未能真正發(fā)揮實時數(shù)據(jù)庫應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)結(jié)合的真正能力。

為實現(xiàn)離子膜電解裝置長周期穩(wěn)定運行，阜康能源氯堿廠電解車間成立電解槽管理小組，對電解槽的運行進行持續(xù)性監(jiān)控及周期性分析，及早發(fā)現(xiàn)電解槽運行過程中出現(xiàn)的異常，并控制異常，最終為電解槽的長周期運行提出行之有效的管理辦法。

電解槽管理主要數(shù)據(jù)有：電解槽電壓、電流效率、電耗、鹽水質(zhì)量、出槽鹽水質(zhì)量、成品堿質(zhì)量等[1]。電流效率、電耗等直關(guān)生產(chǎn)成本的日常數(shù)據(jù)，基本靠現(xiàn)場實測后進行人工記錄或DCS采集后進行計算得出，通常每12 h內(nèi)記錄一次上述電解槽主要性能的數(shù)據(jù)，而對電解槽運行數(shù)據(jù)在短時間出現(xiàn)的微小異常不能及時發(fā)現(xiàn)，從而只能對電解槽長周期運行數(shù)據(jù)進行粗略分析，并不能準(zhǔn)確快速查找電壓短時間內(nèi)上漲、電流效率突然下降等原因，使電解槽精細化管理不能有效實施。

2 數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用介紹

PI(Plant Information System)是由美國OSIsoft公司開發(fā)的一套基于Client/Server結(jié)構(gòu)的商品化軟件應(yīng)用平臺，是過程工業(yè)全廠信息集成的必然選擇。作為工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)與上層管理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接的橋梁，PI在工廠信息集成中扮演著特殊和重要的角色[2]。

電解槽管理小組成員利用PI-processbook軟件的功能和現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)自動同步采集的特點，將所有電解槽運行相關(guān)數(shù)據(jù)進行集合、計算、程序設(shè)定，形成了一個用于訪問數(shù)據(jù)庫的固定程序，組成了電解槽數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[3]。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在開發(fā)過程中共設(shè)計顯示界面45個，基層數(shù)據(jù)點1 342個，數(shù)據(jù)計算點289個，對標(biāo)曲線圖302張，“一鍵巡檢”界面4個。

那么電解槽數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基本功能是如何實現(xiàn)呢？

數(shù)據(jù)庫后臺計算配置設(shè)置舉例介紹如下。

例1 電流效率公式配置為：

(TAGVAL('FLDJ1-CJIANA-SUM','*')-TAGVAL('FLDJ1-CJIANA-SUM','*-1m'))/((TAGAVG('FLDJ1-IINO1REC-PV','*-1m','*')+TAGAVG('FLDJ1-IINO2REC-PV','*-1m','*')+TAGAVG('FLDJ1-IINO3REC-PV','*-1m','*')+TAGAVG('FLDJ1-IINO4REC-PV','*-1m','*')+TAGAVG('FLDJ1-IINO5REC-PV','*-1m','*')+TAGAVG('FLDJ1-IINO6REC-PV','*-1m','*'))*130*1.4923*1)*100000

公式顯示：1#裝置A線電解槽電流效率通過每小時產(chǎn)堿量的實時變化和電流負荷的實時平均值，進行陽極效率的計算，實現(xiàn)電流效率的實時監(jiān)控，通過PI-processbook軟件曲線的自動生成功能完成對電解槽運行效率的監(jiān)控。

5天內(nèi)1#裝置A線電流效率的實時曲線如圖1所示。

圖1 5天內(nèi)1#裝置A線電流效率的實時曲線圖

例2 氯氣總管閥門開度變化率公式配置為：

abs(TAGVAL('FLDJ1-PIC2001A-MV','*')-TAGVAL('FLDJ1-PIC2001A-MV','*-5H'))

公式顯示：1#裝置A線目前氯氣總管調(diào)節(jié)閥PV2001A閥門開度顯示值較5 h前顯示的差值。利用PI-processbook軟件對該差值的大小進行監(jiān)控，在生產(chǎn)平穩(wěn)情況下，該差值會在一定范圍內(nèi)波動，根據(jù)對該值一年內(nèi)穩(wěn)定負荷下運行的波動范圍，設(shè)定一個波動的上下限，超過該波動值預(yù)示氯氣系統(tǒng)發(fā)生異常變化，系統(tǒng)將異常情況進行報警。該設(shè)置的方法可以推廣至每一個可以DCS監(jiān)控數(shù)據(jù)，從而可以實現(xiàn)電解槽運行數(shù)據(jù)微小變化的智能提醒功能。

例3 小組電壓變化率監(jiān)控公式配置為：

abs(TAGVAL('FLDJ1-EI20010101-PV','*')-TAGVAL('FLDJ1-EI20010101-PV','*-12H'))

公式顯示：1#裝置A線1#電解槽第一組小組電壓顯示值較12 h前變化量的差值。根據(jù)負荷穩(wěn)定情況，正常波動范圍設(shè)置上下限報警值，起到異常狀態(tài)下的提前預(yù)警，減少了DCS中的報警泛濫和誤報造成的連鎖單槽停車。

小組電壓變化率在30天內(nèi)的實時曲線如圖2所示。

利用PI-processbook軟件強大的功能與數(shù)據(jù)庫匹配后，實現(xiàn)了電解工藝DCS數(shù)據(jù)，質(zhì)檢分析數(shù)據(jù)，電解槽相關(guān)電壓、電耗、電流效率的實時集成顯示，并根據(jù)后臺程序設(shè)定，實現(xiàn)每個數(shù)據(jù)在微小異常情況下自動預(yù)警的功能，大大縮減了操作監(jiān)控人員的勞動強度，實現(xiàn)了電解槽的精細化管理。

電解槽信息管理系統(tǒng)集成平臺如圖3所示。

通過對類似以上范例中各種公式的配置，以及結(jié)合電解槽設(shè)備的運行特點，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具備了以下3個區(qū)別于其他電解槽管理軟件的特點。

通過大數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用，電解槽管理實現(xiàn)了以下功能。

圖2 小組電壓變化率在30天內(nèi)的實時曲線

圖3 電解槽信息管理系統(tǒng)集成平臺

2.1 智能巡檢功能

(1)通過對電解工藝運行數(shù)據(jù)進行整合，形成4條線數(shù)據(jù)對標(biāo)，異常數(shù)據(jù)自動閃爍和變色報警，無須逐條翻看曲線以及填寫紙板記錄發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，規(guī)避了人為判斷異常數(shù)據(jù)的缺點。

在DCS操作畫面中，60萬t/a離子膜法燒堿生產(chǎn)線的日常巡檢任務(wù)為每次巡檢需要8個儀表工，點擊鼠標(biāo)至少1 200次，記錄數(shù)據(jù)240個，每班次每人都須重復(fù)巡檢12次，并同時進行紙板記錄的填寫，來發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)異常數(shù)據(jù)。一線主控操作人員的壓力和操作繁瑣性導(dǎo)致工作效率普遍不高，僅是配合性完成巡檢工作，并不能每次都能及時發(fā)現(xiàn)問題。自2012年開車以來，因生產(chǎn)異常數(shù)據(jù)不能及時發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致的停車多達6次。

(2)智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)用后，逐步取消紙板記錄，無須逐條查看曲線，只須關(guān)注一個顯示畫面中異常報警的數(shù)據(jù)即能發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)異常。

例如，2015年12月16日00：45，1#裝置4#槽小組電壓波動0.02 V，觸動數(shù)據(jù)庫后臺計算異常預(yù)警，儀表工發(fā)現(xiàn)后通知現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)第63片單元槽槽電壓線脫落，摘除電壓連鎖后人工檢測電壓時，顯示值波動已達到連鎖停車條件，避免了一次電解槽連鎖停車的事故。

60萬t/a燒堿項目電解工藝“一鍵巡檢”畫面一如圖4所示。

2.2 大數(shù)據(jù)的時間縱橫向和數(shù)據(jù)間交叉分析功能

2.2.1 時間縱橫向和數(shù)據(jù)間交叉分析法介紹

利用PI-processbook軟件的多刻度功能和數(shù)據(jù)庫的實時同步采集數(shù)據(jù)的功能，可以實現(xiàn)多個不同數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)在同一個曲線圖中顯示，并能很直觀地發(fā)現(xiàn)在某段時間內(nèi)幾個數(shù)據(jù)的變化趨勢的相關(guān)性。

這對電解槽電壓、電流效率、電耗等數(shù)據(jù)的變化原因的查找非常有用，在及時發(fā)現(xiàn)電解槽電壓異常變化時，可以快速通過將所有影響電壓的數(shù)據(jù)在幾秒鐘制取一個趨勢圖，通過趨勢的相關(guān)性，即可快速判斷影響電解槽電壓異常變化原因。當(dāng)然這種方法在查找氫氯氣氣相壓力波動、其他溫度、液位波動等所有相關(guān)性數(shù)據(jù)時都非常實用，在下文的實例中就具體介紹了一次典型的案例。這種方法打破了專業(yè)的限制，只須了解基本的曲線制作方法，一線生產(chǎn)操作人員、工藝、安全、設(shè)備技術(shù)管理人員都可利用此種方法來查找生產(chǎn)異常數(shù)據(jù)原因、生產(chǎn)隱患、事故調(diào)查、日常案例分享等。

2.2.2 電解槽電壓檢測監(jiān)控

電解槽電壓是檢測電解槽運行狀態(tài)的重要數(shù)據(jù)，阜康能源電解槽電壓檢測監(jiān)控主要有3種。

(1)整流系統(tǒng)傳感器電壓顯示。該值導(dǎo)入DCS顯示，波動幅度較大，在2～20 V之間，不能作為電壓的監(jiān)控。

(2)小組電壓的監(jiān)控。每6片單元槽為一組電壓，該值導(dǎo)入DCS顯示，顯示準(zhǔn)確、有效；但只能檢測一組電解槽電壓的變化，數(shù)據(jù)較多，不易于進行記錄和分析，實現(xiàn)不了檢測整臺電解槽總電壓的變化。

(3)人工檢測。每2 h檢測1次電解槽總電壓。檢測時間不連續(xù)，受手持式檢測設(shè)備和人為因素影響較大，而且很難檢測短時間內(nèi)電解槽電壓的變化。檢測處的數(shù)據(jù)需要按時記錄，通過長時間記錄的數(shù)據(jù)，進行分析電壓的變化，分析和監(jiān)控均較為滯后。

通過軟件功能開發(fā)后，將每臺電解槽的22組小組電壓顯示值進行加和計算，實現(xiàn)了電解槽總電壓的實時在線監(jiān)控。

例4 單槽總電壓監(jiān)控公式配置： ('FLDJ2-EI220010101-PV'+'FLDJ2-EI220010102-PV'+'FLDJ2-EI220010103-PV'+'FLDJ2-EI220010104-PV'+'FLDJ2-EI220010105-PV'+'FLDJ2-EI220010106-PV'+'FLDJ2-EI220010107-PV'+'FLDJ2-EI220010108-PV'+'FLDJ2-EI220010109-PV'+'FLDJ2-EI220010110-PV'+'FLDJ2-EI220010111-PV'+'FLDJ2-EI220010201-PV'+'FLDJ2-EI220010202-PV'+'FLDJ2-EI220010203-PV'+'FLDJ2-EI220010204-PV'+'FLDJ2-EI220010205-PV'+'FLDJ2-EI220010206-PV'+'FLDJ2-EI220010207-PV'+'FLDJ2-EI220010208-PV'+'FLDJ2-EI220010209-PV'+'FLDJ2-EI220010210-PV'+'FLDJ2-EI220010211-PV')

公式顯示：2#裝置A線1#電解槽22組小組電壓進行總和計算，得出電解槽總電壓，該值經(jīng)過與現(xiàn)場實測電壓對比，顯示值準(zhǔn)確、有效。該值30 s計算一次，可以實現(xiàn)總電壓的實時在線監(jiān)控，并通過總電壓的變化實現(xiàn)電壓變化率的預(yù)警，完成對電解槽電壓數(shù)據(jù)的智能監(jiān)控。

2015年8月22日，2#裝置儀表工發(fā)現(xiàn)總電壓顯示變化率報警，之后查看曲線，發(fā)現(xiàn)電壓在2 h內(nèi)上升了1.5 V。

利用軟件的快速制取曲線和多刻度功能，快速將影響電壓變化的主要運行參數(shù)進行拉取，曲線顯示槽溫和精鹽水溫度與電壓變化趨勢正好相反，顯示由于鹽水溫度下降4 ℃，造成了槽溫的下降，從而造成電壓上升。處理后，電壓得到恢復(fù)[4]。

鹽水溫度降低造成電壓短時間內(nèi)升高的示意圖如圖5所示。

圖5 鹽水溫度降低造成電壓短時間內(nèi)升高

2.3 協(xié)助技術(shù)管理人員對電解槽運行長周期的分析和總結(jié)功能

大數(shù)據(jù)應(yīng)用前，電解槽管理小組定期召開小組分析會議，針對電解槽運行狀況進行評估，但受限于數(shù)據(jù)少、分析問題的方法少，只能抓住較大的異常問題進行分析，很難做到精細化的分析。

項目實施后，電解槽管理小組通過應(yīng)用電壓總和的實時顯示，以及自主創(chuàng)新的時間縱橫向和數(shù)據(jù)間交叉分析的方法，對電解槽長周期的運行情況進行了分析。

通過分析發(fā)現(xiàn)了以下幾個問題。

(1)利用管理系統(tǒng)對以往電壓情況進行了分析，發(fā)現(xiàn)在2014年10月20—30日，4條生產(chǎn)線的電壓均上漲0.5～0.8 V。

利用縱橫向分析方法發(fā)現(xiàn)這段時間內(nèi)精鹽水中的雜質(zhì)硅離子和鋁離子質(zhì)量濃度同時升高，分別由0.04 mg/L、0.8 mg/L升高至0.08 mg/L、1.3 mg/L；而其他運行數(shù)據(jù)均不具備與電壓上漲的相關(guān)性[5]。經(jīng)過與離子膜開發(fā)單位的溝通與交流，發(fā)現(xiàn)鹽水中這兩種雜質(zhì)雖然沒有超出控制指標(biāo)，但在達到一定值后，通過綜合作用一樣可以造成在離子膜內(nèi)部的富集沉淀，造成離子膜電壓在短時間內(nèi)的上升。針對后期鹽水質(zhì)量的管控提出了要求和控制措施，杜絕此類情況的發(fā)生，這也是歷次電解管理小組會議分析中沒有發(fā)現(xiàn)的問題[6]。

(2)利用管理系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，由于公司所在地理位置原因，每年冬夏季交替時期，電解槽的電流效率均出現(xiàn)小幅起伏，特別是入冬前，外界環(huán)境的急劇降溫，造成鹽水溫度整體偏低2 ℃左右，雖然槽溫變化只有0.2 ℃左右，但電流效率會在短時間內(nèi)下降0.2%～0.3%。經(jīng)過改造和提出控制措施后，實現(xiàn)鹽水溫度的精細化控制，實現(xiàn)了電解槽電耗下降5.8 kW·h/t，每年冬季4個月將為企業(yè)節(jié)約電量達到116萬kW·h。

(3)發(fā)現(xiàn)電流負荷調(diào)整頻次每個月6次以上時，離子膜陽極加酸提升速率，是每個月調(diào)整負荷低于3次時的2倍。調(diào)整頻次超過6次時，15萬t/a燒堿裝置陽極總管加酸量提升可達到約20 L/月。

3 大數(shù)據(jù)對比

電解槽管理小組可利用數(shù)據(jù)分析對比實現(xiàn)如下目的。

系統(tǒng)應(yīng)用前：每年可供分析的電壓、電流效率、電耗等每個數(shù)據(jù)僅有720組。

大數(shù)據(jù)的采集計算后：電壓、電流效率、電耗等數(shù)據(jù)每年分別有近100萬組數(shù)據(jù)可供分析，且能通過分析工具在一個曲線中實時顯示，可以實現(xiàn)隨時對30 s～1年或幾年內(nèi)的電解槽運行情況進行查看和分析。并能針對發(fā)現(xiàn)的每一個異常數(shù)據(jù)變化，將相關(guān)數(shù)據(jù)利用交叉分析法進行及時分析和查找問題，實現(xiàn)電解槽運行全方位全天候的監(jiān)控。

電解槽管理小組通過后期的開發(fā)實現(xiàn)了手持智能電子設(shè)備的在線顯示，實現(xiàn)了在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方可以實時監(jiān)控和分析電解槽運行。

4 取得的效益

電解槽管理系統(tǒng)投入使用1年，整體電流效率下降0.6%～0.7%，而在使用之前電流效率平均每年下降1%～1.2%，按照目前本公司離子膜運行42個月的離子膜周期，可延長離子膜使用周期達到30%以上。按照整體更換一批離子膜投資預(yù)算，每延長1年將節(jié)約成本至少600萬元。

5 后期研究方向和改善

針對單元槽的電壓檢測仍然缺少。后期如能改造完成對單片單元槽電壓監(jiān)控，可通過對單片單元槽電壓開停車時間變化，以及投送極化電流的電壓變化速率等數(shù)據(jù)進行收集，配置模型后，進行大數(shù)據(jù)的分析，預(yù)期可以實現(xiàn)對單片單元槽的針孔、電流效率以及涂層含量的測算。

后期如能實現(xiàn)對每片電解槽的精細化監(jiān)控，可提前發(fā)現(xiàn)運行效果不好的離子膜或單元槽，并逐步更換，替換目前整體更換電解槽或離子膜的模式，保持電解槽電流效率在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。

6 結(jié)語

通過大數(shù)據(jù)的計算，準(zhǔn)確判斷電解槽運行的實時狀態(tài)，精確計算電解槽電流效率、電耗、電壓等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了以往常規(guī)模式不能取得的效果。大數(shù)據(jù)管理運用是電解槽精細化管控中的一個探索方向，也是提高企業(yè)核心競爭力的重要措施。

[1] 曹亞格.膜極距改造的降耗效果和經(jīng)濟分析[J].氯堿工業(yè)，2015，51(1):20-21.

[2] Stephen Chin， Janes L Weaver. 物聯(lián)網(wǎng)編程實戰(zhàn)應(yīng)用Raspberry Pi 和Java[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014：17-19.

[3] Abraham Silberschat， Henry F. 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概念[M].范紅杰，譯.6版.北京：高等教育出版社，2002：17-19.

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[5] 張伏華，徐建博，許生峰，等.膜極距電解運行的相關(guān)要求[J].氯堿工業(yè)，2015，51(5):21-23.

[6] 田中良修.離子膜交換膜基本原理及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：344-346.

[編輯：蔡春艷]

Application of big data in management of electrolyzers

LIUChangsheng,WANGShigang,LIYongquan,HUANGXiaohu,SONGWei,WANGLin

(Xinjiang Zhongtai Chemical (Group) Co., Ltd., Urumqi 830009, China)

database management system; voltage; electrolyzer management; calculation point

A self-developed database management system using big data concept for chlor-alkali electrolyzers was introduced. The management system had the functions such as alarm of electrolyzers’ abnormal operation data, application of DCS data integration platform, comparative analysis of electrolyzers' long-period operation data, and fast analysis of causes of abnormal conditions, and thus realizing the overall management and control of the electrolysis. The practical use of the management system was introduced briefly.

*[作者簡介] 劉昌盛(1988—)，男，工藝技術(shù)員，2010年畢業(yè)于河南省焦作大學(xué)，2011年進入新疆中泰化學(xué)(集團)股份有限公司工作。參與新疆中泰化學(xué)(集團)股份有限公司阜康能源有限公司第1期80萬t/a聚氯乙烯樹脂、60萬t/a離子膜燒堿循環(huán)經(jīng)濟項目建設(shè)，2012年至今在電解車間從事工藝技術(shù)管理工作。

2016-06-22，王世剛，李永全，黃小虎，宋偉，王林

TQ114.262

B

1008-133X(2017)01-0014-07