先進控制系統(tǒng)在發(fā)投堿業(yè)碳化工序中的應(yīng)用

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(青海發(fā)投堿業(yè)有限公司，青海德令哈 817099)

1 項目概述

青海發(fā)投堿業(yè)有限公司(以下簡稱發(fā)投堿業(yè))位于青海省西北部，平均海拔2980 m，目前生產(chǎn)能力為120萬t/a，碳化工序已采用和利時的MACSV6.5.2 DCS系統(tǒng)，實現(xiàn)了主要工藝參數(shù)如溫度、流量和壓力等參數(shù)的顯示、調(diào)節(jié)、報警和聯(lián)鎖等功能，并能夠?qū)φ麄€碳化工序的生產(chǎn)過程進行操作和控制。但碳化工序是一個多變量耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，從目前過程控制情況來看，簡單的PID控制已經(jīng)無法滿足如今的生產(chǎn)控制需求。而且裝置目前的生產(chǎn)操作很多(如塔底壓力、出堿溫度和17圈溫度等的控制)都要靠人工去手動操作，操作人員不能做到對所有指標的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，因此很有必要采用先進控制系統(tǒng)來提升裝置的控制效果。

本項目是由發(fā)投堿業(yè)和浙江中控軟件技術(shù)有限公司(以下簡稱中控軟件)合作，在現(xiàn)有的DCS控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用中控的APC-Suite高級多變量預(yù)測控制軟件包對碳化工序的生產(chǎn)過程實施了先進控制，碳化工序的自動化控制水平由此得到了大幅度的提高，而且操作人員每天的操作頻次得到了大幅度的減少，控制效果也有了明顯的提高，常規(guī)控制中存在的問題在這里得到了有效的解決。

2 發(fā)投堿業(yè)碳化工序的現(xiàn)狀

發(fā)投堿業(yè)的碳化工段目前有18個碳化塔，均為笠帽塔，分四組運行(有兩組為4個塔一組，另兩組為5個塔一組)，其中每一組里面有一個清洗塔，其他為制堿塔。由于堿廠投產(chǎn)時間較長，設(shè)備運行情況一般，目前碳化工序在工藝和控制上存在如下幾個方面的問題：

1) 塔底壓力控制效果差，波動大，尾氣壓力沒有自調(diào)閥，控制指標偏低。尾氣由塔頂出來后進入總管，然后分配到3個凈氨塔，去被精鹽水吸收。尾氣總管壓力對碳化塔塔底壓力的影響很大，一旦其發(fā)生波動，各個塔的塔底壓力也會產(chǎn)生相應(yīng)幅度的波動。由于碳化塔塔數(shù)較多，操作人員無法做到精細化操作，存在操作不及時的現(xiàn)象，而且為了及時看到調(diào)節(jié)效果，操作人員的調(diào)節(jié)幅度都比較大，這種操作方式使塔底壓力的控制效果偏差。

2) 中段氣、下段氣和清洗氣流量計不準，不僅影響這些控制回路的自控率，而且使操作人員無法掌握其分配比例及氣量與生產(chǎn)負荷的匹配性，導(dǎo)致中部溫度的波動較大。

3) 中部溫度、出堿溫度、中和水溫度等均由操作人員手動調(diào)節(jié)來控制，由于塔數(shù)較多，司塔操作強度大，無法做到精細化操作，導(dǎo)致各關(guān)鍵工藝指標波動較大。

3 碳化過程先進控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 總體結(jié)構(gòu)

發(fā)投堿業(yè)碳化工序先進控制項目是在結(jié)合了裝置工藝現(xiàn)狀和過程控制需求的基礎(chǔ)上，將多變量模型預(yù)測控制和專家智能控制有機結(jié)合，有效地解決裝置運行過程中的多變量協(xié)調(diào)優(yōu)化過程控制問題，有效地抑制生產(chǎn)中的干擾因素。

先進控制系統(tǒng)由制堿過程控制器、清洗過程控制器及專家智能控制器組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 碳化工序先進控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 控制器的功能

利用中控的APC-Suite先進控制軟件包，建立的碳化工序的先進控制系統(tǒng)。分別對碳化塔的制堿過程和清洗過程實施了有效地控制。

其中制堿過程控制器包括：制堿塔壓控制器、中部溫度-總出堿量控制器、出堿溫度控制器；清洗過程控制器包括：清洗塔壓-中和水槽液位控制器、中和水溫度控制器。每個控制器既相互獨立，也存在一定的聯(lián)系，相輔相成。

3.2.1 碳化塔制堿過程控制器的功能

1)塔底壓力控制器：以進塔中和水調(diào)節(jié)閥開度為操作變量，以碳化尾氣總管壓力和出堿流量為干擾變量，以制堿塔壓為被控變量，建立多變量模型預(yù)測控制器，實現(xiàn)對制堿塔壓的平穩(wěn)控制，穩(wěn)定塔內(nèi)凈液位，從而使下段氣和中段氣的進塔流量保持相對穩(wěn)定。

2)中部溫度-總出堿量控制器：以中段氣流量、出堿流量及下段氣流量為操作變量，以中段氣和下段氣總管壓力為干擾變量，以17圈溫度、23圈溫度和出堿總量為被控變量，建立多變量模型預(yù)測控制器，保證17圈溫度達標的前提下，使出堿總量最大化，并且各塔的出堿流量會根據(jù)塔的運行情況來進行智能分配(塔況好的塔多放量，塔況差的塔少放量)。

3)出堿溫度控制器：以制堿塔冷卻水調(diào)節(jié)閥為操作變量，以冷卻水溫度為干擾變量，以出堿溫度為被控變量，建立多變量模型預(yù)測控制器，保證出堿溫度的穩(wěn)定。

3.2.2 碳化塔清洗過程控制器的功能

1)清洗塔壓-中和水槽液位控制器：以進清洗塔氨鹽水流量(流量的調(diào)節(jié)范圍可以在先控畫面上由操作師傅自行設(shè)置)和出清洗塔中和水調(diào)節(jié)閥為操作變量，以碳化尾氣總管壓力為干擾變量，以清洗塔壓和中和水槽液位為被控變量，建立多變量模型預(yù)測控制器，保證清洗塔壓穩(wěn)定的同時，又將中和水槽液位控制在一定范圍內(nèi)，從而讓清洗氣流量和中和水CO2濃度保持平穩(wěn)。

2)中和水溫度控制器：以清洗塔冷卻水調(diào)節(jié)閥為操作變量，以冷卻水溫度為干擾變量，以中和水溫度為被控變量，建立多變量模型預(yù)測控制器，保證中和水溫度的穩(wěn)定。

3.2.3 碳化塔專家智能控制器的功能

結(jié)合了碳化工序的實際操作經(jīng)驗和控制需求，建立了制堿塔塔底壓力專家控制和中部溫度專家控制。

1)塔底壓力專家控制會根據(jù)中和水泵總管壓力的高低，智能調(diào)節(jié)進塔中和水閥值。當中和水泵總管壓力過高時，先控系統(tǒng)會停止減小各塔進塔中和水閥值，以防憋壓現(xiàn)象的發(fā)生；當中和水泵總管壓力次高時，先控系統(tǒng)會根據(jù)塔底壓力的實際值與先控設(shè)定值之差來判斷是否繼續(xù)減小該塔進塔中和水閥值；當中和水泵總管壓力次低時，先控系統(tǒng)會根據(jù)塔底壓力的實際值與先控設(shè)定值之差及塔底壓力實際值的斜率來判斷是否繼續(xù)開大該塔進塔中和水閥值；當中和水泵總管壓力過低時，先控系統(tǒng)會停止開大各塔進塔中和水閥值，以防因中和水泵總管壓力偏低導(dǎo)致各碳化塔進不了液的問題出現(xiàn)。

2)中部溫度專家控制器的功能有三個：首先，專家控制會根據(jù)中段氣總管壓力或下段氣總管壓力的高低來判斷是否繼續(xù)增加或減小中段氣或下段氣流量，當總管壓力超過先控上限時，先控系統(tǒng)會增加各塔進氣量(中溫低的塔會多進氣)，當總管壓力低于先控下限時，先控系統(tǒng)會減小各塔進氣量(中溫高的塔會多減氣)，以保證總管壓力在合適范圍內(nèi)；其次，當中段氣氣量不足時，專家控制會根據(jù)各組塔內(nèi)中部溫度的高低來改變各塔進氣量(組內(nèi)溫度最高的塔減氣，組內(nèi)溫度最低的塔加氣)，以保證組內(nèi)中部溫度的平衡；最后，專家控制對中段氣流量和出堿流量作了同方向幅度調(diào)節(jié)限制，只要中部溫度不是太高或太低，當中段氣流量或出堿流量向同一方向持續(xù)增加或減小了一定量時，會停止一段時間，判斷中部溫度狀況后再繼續(xù)調(diào)節(jié)，以防因溫度滯后出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象。

4 碳化先進控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果

先進控制系統(tǒng)投用前后的對比如下。

圖2 投用前4#塔塔底壓力PV值趨勢圖

圖3 投用后4#塔塔底壓力PV值趨勢圖

采樣時間位號名最大值最小值平均值方差標準差波動減小幅度投運前2018.8.2PI_401D331.7308.8318.719.394.40 投運后2018.8.24PI_401D326.3315.7320.22.361.5465.0%

表2 投用前后5#塔17圈溫度PV值對比

表3 投用前后6#塔出堿溫度PV值對比

表5 投用前后2組清洗塔壓力PV值對比

表6 投運前后碳化轉(zhuǎn)化率對比

從以上圖表的對比情況來看，先進控制系統(tǒng)投用后有比較明顯的優(yōu)越性，其主要表現(xiàn)在如下三個方面。

1)在關(guān)鍵參數(shù)的指標優(yōu)化方面，經(jīng)過對控制方案的不斷討論和改進，碳化塔的各項工藝指標的平穩(wěn)性得到了大幅地提高。

2)在生產(chǎn)自動化方面，除了改塔及非計劃停爐等異常工況外，先控系統(tǒng)基本能代替人工操作。

3)在質(zhì)量指標方面，經(jīng)過對工藝條件不斷地摸索與改進，碳化轉(zhuǎn)化率有了較大的提高。

先控在發(fā)投堿業(yè)碳化工序的成功實踐也表明：利用先進控制系統(tǒng)，可以解決高海拔地區(qū)純堿裝置(氨堿法)碳化工序的控制難題，更好地滿足企業(yè)對于現(xiàn)如今智能化生產(chǎn)大潮流的響應(yīng)，從而達到小投入換大產(chǎn)出的目的。