鹽水在線分析系統(tǒng)及自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用

羅 強(qiáng)，曾兆欽，于文杰

（1.宜賓海豐和銳有限公司，四川 宜賓644002；2.江蘇一脈科技有限公司 江蘇 泰興225400）

1 裝置背景

宜賓海豐和銳有限公司現(xiàn)有兩套鹽水生產(chǎn)裝置，分別供應(yīng)兩條離子膜電解槽生產(chǎn)線，鹽水工序一次鹽水過濾器出口關(guān)鍵檢測(cè)項(xiàng)目Ca2++Mg2+，前反應(yīng)桶粗鹽水檢測(cè)關(guān)鍵項(xiàng)目為密度、燒堿、純堿和濁度，是整個(gè)鹽水制備的關(guān)鍵指標(biāo)。生產(chǎn)過程間斷性加鹽與制鹽過程影響一次鹽水制備質(zhì)量，同時(shí)，公司水合肼、鈦白粉裝置廢鹽水資源綜合利用需要，導(dǎo)致鹽水制備系統(tǒng)指標(biāo)波動(dòng)較大，最終影響離子膜電解槽電流效率和槽電壓，也給離子膜造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷。

公司鹽水精制采用過堿量法：在鹽水折流槽中加入精制劑碳酸鈉和氫氧化鈉。碳酸鈉溶液和鹽水中的Ca2＋反應(yīng)，生成不溶性的碳酸鈣沉淀，經(jīng)氣浮槽和過濾器除去；氫氧化鈉和鹽水中的Mg2＋反應(yīng)，生成不溶性的Mg（OH）2沉淀，經(jīng)氣浮槽上排泥去除。為了將Ca2＋+Mg2＋除凈，精制劑碳酸鈉和氫氧化鈉的加入量必須稍超過反應(yīng)式的理論需要量。

鹽水的質(zhì)量是離子膜電解的關(guān)鍵因素，鹽水質(zhì)量的優(yōu)劣不僅關(guān)系到燒堿產(chǎn)品的電耗高低，而且影響到電解槽離子膜的使用壽命，提高鹽水質(zhì)量是氯堿行業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。鹽水中的金屬離子容易與碳酸根和氫氧根反應(yīng)生成顆粒以鹽泥形式沉淀，生產(chǎn)中要精確控制過堿量的加入量，加入量過少會(huì)使鹽水鈣鎂超標(biāo)，增加二次鹽水單元樹脂塔的工作負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成二次鹽水樹脂塔中的樹脂結(jié)塊，失去吸附能力和交換能力，樹脂塔的再生頻率高，增加運(yùn)行成本；更嚴(yán)重時(shí)不合格的鹽水進(jìn)入電解槽，造成離子膜的不可逆損傷，電流效率下降，槽電壓上漲，制堿成本升高；加入量過多則會(huì)造成精制劑消耗增加。

一次鹽水中過堿量、Ca2++Mg2+的檢測(cè)采用人工滴定法。人工分析取樣和檢測(cè)繁瑣，監(jiān)控頻率受到限制，人為因素對(duì)分析結(jié)果影響較大，存在檢測(cè)頻次少，分析結(jié)果滯后且誤差大，不能及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控到生產(chǎn)過程中的鹽水品質(zhì)的變化，不能對(duì)生產(chǎn)異常起到及時(shí)預(yù)警和調(diào)整的作用，離子膜電解生產(chǎn)存在不可控性；崗位需配置1名分析員，生產(chǎn)效率低下；滴定分析需消耗大量標(biāo)液，分析廢液的收集、處置也較困難。

根據(jù)現(xiàn)有在線技術(shù)結(jié)合公司裝置實(shí)際情況，通過技術(shù)論證及同行交流學(xué)習(xí)，在現(xiàn)有兩條鹽水生產(chǎn)裝置使用1套在線分析的理念，采用在線分析鈣鎂-兩堿-濁度整體鹽水系統(tǒng)解決方案平臺(tái)，打破了裝置十余年較為被動(dòng)的生產(chǎn)控制局面。

過堿量在線分析儀的使用可以更加準(zhǔn)確、有效地監(jiān)控過堿量變化，結(jié)合在線鈣鎂分析儀分析結(jié)果，將分析數(shù)值遠(yuǎn)傳至DCS畫面，DCS通過對(duì)在線分析儀數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正偏離控制的軌跡，優(yōu)化一次鹽水生產(chǎn)過程指標(biāo)控制、節(jié)約精制劑的使用，降低生產(chǎn)成本的同時(shí)有效保障鹽水Ca2+、Mg2+指標(biāo)穩(wěn)定，最大限度減輕二次鹽水精制螯合樹脂塔的處理量。

2 工藝裝置

來自電解的脫氯淡鹽水、水合肼和鈦白粉裝置廢鹽水（統(tǒng)稱稀鹽水）進(jìn)入稀鹽水貯桶，粗鹽水貯桶貯存鹵水，稀鹽水桶的鹽水經(jīng)稀鹽水泵進(jìn)入地下化鹽池中溶解固體鹽形成飽和粗鹽水，溢流到中轉(zhuǎn)池，在中轉(zhuǎn)池用稀鹽水調(diào)節(jié)粗鹽水比重，經(jīng)虹吸罐和中轉(zhuǎn)泵輸送到前反應(yīng)折流槽中加入鹵水，并加入純堿溶液和燒堿溶液作為精制劑去除鈣鎂離子，混合液進(jìn)入1#前反應(yīng)桶，溢流到2#前反應(yīng)桶，再溢流到3#反應(yīng)桶，充分反應(yīng)后由強(qiáng)制循環(huán)泵強(qiáng)制抽取到1#反應(yīng)桶構(gòu)成循環(huán)混合，在3#反應(yīng)桶上部則溢流到折流槽，之后溢流到一線折流槽和二線3個(gè)前反應(yīng)桶，之后用加壓泵輸送到加壓溶氣罐，經(jīng)溶氣后進(jìn)入浮槽進(jìn)行分離，碳酸鈣等重質(zhì)雜質(zhì)沉入氣浮槽底部，氫氧化鎂及有機(jī)物等懸浮物上浮于氣浮槽表層，上下部定時(shí)排泥，鹽泥進(jìn)入鹽泥池，鹽泥經(jīng)鹽泥泵進(jìn)入一期板框壓濾機(jī)壓濾處理。清液溢流到U型反應(yīng)器，再加入純堿溶液充分反應(yīng)后進(jìn)入進(jìn)料緩沖罐，再進(jìn)入過濾器過濾除去固體雜質(zhì)，制得合格精鹽水，進(jìn)入精鹽水貯桶，經(jīng)過二線一次鹽水泵輸送供電解使用，裝置工藝流程簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 裝置工藝流程簡(jiǎn)圖

3 原生產(chǎn)工藝的控制瓶頸

裝置大量回用水合肼和鈦白粉生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的回收鹽，鹽水質(zhì)量指標(biāo)波動(dòng)較大，過程控制以班組運(yùn)行人員自檢分析和人為干預(yù)調(diào)整為主，導(dǎo)致生產(chǎn)控制調(diào)整滯后，控制指標(biāo)長(zhǎng)期脫標(biāo)，原輔料消耗居高不下，生產(chǎn)系統(tǒng)問題層出不窮。

（1）分析指標(biāo)較多、勞動(dòng)強(qiáng)度大。

（2）間隔時(shí)間長(zhǎng)不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)指標(biāo)波動(dòng)。

（3）分析人員責(zé)任心不強(qiáng)，導(dǎo)致分析精準(zhǔn)度不高。

（4）分析頻次及數(shù)據(jù)不能快速反饋及時(shí)響應(yīng)并調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)。

（5）裝置自動(dòng)化較低，無法精準(zhǔn)控制，造成原輔料的浪費(fèi)。

（6）沒有全面在線過程數(shù)據(jù)無死角支撐，鹽水質(zhì)量控制沒有方向。

（7）裝置長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行無法得到保障，設(shè)備檢修頻率高。

4 雙系統(tǒng)裝置在線取樣分析系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 一次鹽水高鈣鎂采樣系統(tǒng)

本次設(shè)計(jì)高鈣鎂采樣系統(tǒng)將Ⅰ-Ⅱ線裝置，位于戈?duì)柲こ鏊偣苓M(jìn)行樣水取樣布管采用低鈣鎂塑管設(shè)計(jì)高差自留進(jìn)入分析小屋前樣水通道自動(dòng)切換采樣，通過DCS程序邏輯順控程序執(zhí)行，自動(dòng)采集樣水進(jìn)入在線高鈣鎂分析系統(tǒng)，按照分析儀與公司工藝生產(chǎn)定制設(shè)計(jì)雙通道內(nèi)置進(jìn)樣進(jìn)行實(shí)時(shí)在線取樣分析，儀器輸出標(biāo)準(zhǔn)的分析結(jié)果4~20 mA信號(hào)進(jìn)入DCS系統(tǒng)IO模件數(shù)據(jù)狀態(tài)識(shí)別數(shù)據(jù)預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)Ⅰ-Ⅱ線裝置DCS上的生產(chǎn)控制和生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES數(shù)據(jù)共享應(yīng)用。

4.2 一次鹽水兩堿采樣系統(tǒng)

本次設(shè)計(jì)兩堿采樣系統(tǒng)將Ⅰ-Ⅱ線裝置，位于化鹽前反應(yīng)桶出口折流槽出水進(jìn)行樣水取樣布管進(jìn)入分析小屋前樣水通道自動(dòng)切換采樣，實(shí)現(xiàn)DCS程序自動(dòng)采集樣水進(jìn)入在線兩堿分析系統(tǒng)，按照分析系統(tǒng)，定制設(shè)計(jì)雙通道內(nèi)置進(jìn)樣進(jìn)行實(shí)時(shí)在線分析，輸出標(biāo)準(zhǔn)的4~20 mA信號(hào)進(jìn)入DCS進(jìn)行進(jìn)樣狀態(tài)識(shí)別數(shù)據(jù)預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)Ⅰ-Ⅱ線裝置DCS上層的生產(chǎn)控制和生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES數(shù)據(jù)共享應(yīng)用。

4.3 一次鹽水濁度采樣系統(tǒng)

本次濁度采樣系統(tǒng)將Ⅰ-Ⅱ線裝置，直接采用一次鹽水兩堿采樣系統(tǒng)樣水管路將化鹽前反應(yīng)桶出口折流槽出水進(jìn)行樣水取樣管，無需單獨(dú)布管進(jìn)入分析小屋前樣水通道自動(dòng)切換采樣，實(shí)現(xiàn)DCS程序自動(dòng)采集樣水進(jìn)入在線濁度分析系統(tǒng)，按照分析系統(tǒng)，公司定制設(shè)計(jì)雙通道內(nèi)置進(jìn)樣進(jìn)行實(shí)時(shí)在線分析，輸出標(biāo)準(zhǔn)的4~20 mA信號(hào)進(jìn)入DCS進(jìn)行進(jìn)樣狀態(tài)識(shí)別數(shù)據(jù)預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)Ⅰ-Ⅱ線裝置DCS上層的生產(chǎn)控制和生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES數(shù)據(jù)共享應(yīng)用。

5 在線分析儀工作原理

5.1 鈣鎂分析儀工作原理

鈣鎂在線分析儀是利用吸光光度法來進(jìn)行監(jiān)測(cè)的。吸光光度法進(jìn)行定量測(cè)定的理論基礎(chǔ)是比耳定律。一束單色光通過有吸收物質(zhì)的溶液后，溶液的吸光度與溶液中吸光物質(zhì)的濃度成正比，即同一物質(zhì)不同濃度的溶液，在一定波長(zhǎng)處吸光度隨濃度增加而增大。溶液吸光度與吸光物質(zhì)濃度關(guān)系見圖2。

圖2 溶液吸光度與吸光物質(zhì)濃度關(guān)系

鈣鎂在線分析儀適用于氯堿行業(yè)飽和鹽水中鈣鎂的分析?？梢愿鶕?jù)不同檢測(cè)點(diǎn)，選用不同量程，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鹽水質(zhì)量。鈣鎂離子在線分析儀采用610 nm波長(zhǎng)可見光分析鹽水中0～3 000μg/L的鈣鎂離子，分析儀采用濃度為0.1%的Calver-B顯色劑，該顯色劑在pH值大于11的鹽水中顯示藍(lán)色，當(dāng)與鹽水中游離的鈣鎂離子進(jìn)行絡(luò)合后溶液顯示紅色，分析儀自動(dòng)記錄吸光度M1值，在含有Ca-Calver-B絡(luò)合物的鹽水中繼續(xù)加入0.01 mol/L的乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）后，EDTA將鈣鎂離子掩蔽，檢測(cè)鹽水重新恢復(fù)藍(lán)色，此時(shí)分析儀記錄吸光度M2值，M1減去M2的變化值即為鹽水中含有鈣、鎂離子的濃度。依據(jù)朗伯—比爾定律，計(jì)算鈣、鎂離子在鹽水中濃度，反應(yīng)式如下：

5.2 兩堿分析儀工作原理

過堿量在線分析儀是利用電位滴定的方法來進(jìn)行監(jiān)測(cè)的。電位滴定法是通過向樣品溶液滴加與待測(cè)物質(zhì)起反應(yīng)的滴定劑，在滴定過程中監(jiān)測(cè)指示電極電位的變化并根據(jù)電極電位的“突躍”來確定滴定終點(diǎn)的一種電位分析法。

過堿量在線分析儀是用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液和氫氧化鈉及碳酸鈉反應(yīng)，至第一個(gè)電極電位的“突躍”為第一等當(dāng)點(diǎn)，此時(shí)，氫氧化鈉完全被中和，碳酸鈉轉(zhuǎn)化成碳酸氫鈉，然后繼續(xù)用鹽水標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液反應(yīng)，至第二個(gè)電極電位的“突躍”為第二等當(dāng)點(diǎn)，此時(shí)碳酸鈉完全被中和。

反應(yīng)式如下：

6 雙系統(tǒng)裝置在線取樣分析DCS程序設(shè)計(jì)

本次一次鹽水鈣鎂、兩堿、濁度在線分析采用一套在線分析，實(shí)時(shí)分析公司Ⅰ-Ⅱ線兩套獨(dú)立裝置，并在DCS數(shù)據(jù)處理時(shí)增加邏輯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)初衷并達(dá)到預(yù)期效果，數(shù)據(jù)處理邏輯設(shè)計(jì)圖見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)處理邏輯設(shè)計(jì)圖

7 基于DCS遠(yuǎn)程協(xié)控智能在線分析系統(tǒng)的硬件軟設(shè)計(jì)

本次在線分析硬件系統(tǒng)配置結(jié)合裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，與設(shè)備廠家進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和定制智能提升，為滿足公司DCS協(xié)控需要，在軟件開發(fā)硬件配置上進(jìn)行了提高和智能化理念注入，具備兩種在線分析工作模式：本地在線分析模式和DCS遠(yuǎn)程協(xié)控在線分析模式。

7.1 本地在線分析模式

高鈣鎂分析本地模式運(yùn)行示例，在線分析儀表預(yù)先設(shè)計(jì)程序步驟進(jìn)行順控工作：進(jìn)樣—吸光池置換—再次進(jìn)樣—定量—脈沖泵試劑1進(jìn)—啟磁力攪拌—柱塞泵進(jìn)顯色劑—脈沖泵試劑2進(jìn)—程序計(jì)算吸光度綜合運(yùn)算結(jié)果呈現(xiàn)。

7.2 DCS遠(yuǎn)程協(xié)控在線分析模式

DCS遠(yuǎn)程協(xié)控在線分析模式需要將在線分析儀切換到遠(yuǎn)程控制模式，遠(yuǎn)程控制模式在分析儀器內(nèi)部設(shè)計(jì)了DCS協(xié)控指令優(yōu)先程序，在線分析儀在正常樣水分析循環(huán)前由DCS上位程序發(fā)出進(jìn)樣許可指令，與DCS采樣閥組切換周期，進(jìn)樣Ⅰ-Ⅱ線裝置狀態(tài)校對(duì)完成后，遠(yuǎn)程給在線分析儀運(yùn)行指令后分析儀進(jìn)行預(yù)設(shè)內(nèi)部程序開始工作，實(shí)現(xiàn)DCS與現(xiàn)場(chǎng)的同步協(xié)控聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。

8 在線分析自動(dòng)控制投用應(yīng)用研究

通過在線分析數(shù)據(jù)含量作為主調(diào)，流量作為副控，當(dāng)在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)控制兩堿加入量達(dá)到指標(biāo)控制范圍，NaOH 0.1 g/L，Na2CO30.5 g/L。

NaOH自動(dòng)控制見圖4。

圖4 NaOH自動(dòng)控制

在線分析AE1302監(jiān)測(cè)到濃度變化與DCS預(yù)先設(shè)定的濃度給定值進(jìn)行比較，偏差給濃度控制器進(jìn)行PID運(yùn)算，給NaOH流量控制副控作為外給定實(shí)現(xiàn)濃度精準(zhǔn)控制，Na2CO3流量控制作為加入量的穩(wěn)態(tài)單回路控制。

Na2CO3自動(dòng)控制見圖5。

圖5 Na2CO3自動(dòng)控制

在線分析AE1303監(jiān)測(cè)到濃度變化與DCS預(yù)先設(shè)定的濃度給定值進(jìn)行比較，偏差給濃度控制器進(jìn)行PID運(yùn)算，給Na2CO3流量控制副控作為外給定實(shí)現(xiàn)濃度精準(zhǔn)控制，Na2CO3流量控制作為加入量的穩(wěn)態(tài)單回路控制。

目前濁度的控制還在摸索階段，暫未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，屬于開環(huán)控制，現(xiàn)在通過在線分析數(shù)據(jù)含量調(diào)整加鹽量和回流量，同時(shí)補(bǔ)充定量的鹽泥，濁度SS控制在85 NTU左右。

9 基于智慧工廠無線Modbus_RTU平臺(tái)搭建

大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)接公司質(zhì)檢部SMS系統(tǒng)及生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES數(shù)據(jù)共享應(yīng)用，對(duì)接質(zhì)檢SMS系統(tǒng)可有效與ICP分析實(shí)時(shí)同步系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采樣比對(duì)，預(yù)警性進(jìn)行質(zhì)檢抽檢及在線識(shí)別，有效減少質(zhì)檢頻次同時(shí)創(chuàng)造高效勞動(dòng)生產(chǎn)力，接入生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES數(shù)據(jù)共享，充分有效將數(shù)據(jù)建模預(yù)警原料消耗策略管控。

在線分析系統(tǒng)結(jié)合裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，與設(shè)備廠家進(jìn)行定制智能終端設(shè)計(jì)，滿足了公司大數(shù)據(jù)智慧平臺(tái)的接入需要，同步與公司質(zhì)檢部SMS系統(tǒng)及生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES數(shù)據(jù)共享，在線分析硬件增加Modbus_RTU通訊總線接入，采用無線Modbus_RTU 5G技術(shù)應(yīng)用，通過無線5G終端進(jìn)行數(shù)據(jù)平臺(tái)搭建接入質(zhì)檢部SMS系統(tǒng)及生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES，實(shí)現(xiàn)智慧工廠數(shù)據(jù)共享。

10 經(jīng)濟(jì)效益

（1）兩套生產(chǎn)裝置共用一套在線分析系統(tǒng)，過程采樣全系統(tǒng)自流動(dòng)力輸送，高落差坡度式布管保障整個(gè)采樣系統(tǒng)無需增加動(dòng)力輸送裝置，同時(shí)后期設(shè)備易耗備件成本，試劑消耗管理成本也將減少一半，經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算見表1。

表1 經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算表

首次投資成本節(jié)約134.3萬元，后期運(yùn)維成本節(jié)約2.5萬元/a。

（2）在線分析及有效的自控投運(yùn)，減少現(xiàn)場(chǎng)自檢人員1人/班及鹽水工段的現(xiàn)場(chǎng)操作人員1人/班，4班人力成本優(yōu)化8人，按月平均工資5 300元/人測(cè)算，節(jié)約成本50.88萬元/a。

（3）生產(chǎn)運(yùn)行超低能耗控制成本效益

現(xiàn)有工藝指標(biāo)控制：NaOH 0.25 g/L降到0.18 g/L，Na2CO30.5 g/L降到0.4g/L，節(jié)約NaOH 0.029 4萬t，Na2CO30.042萬t。

燒堿、純堿價(jià)格分別按照1 700元/t和1 750元/t計(jì)，燒堿節(jié)約49.98萬元，純堿節(jié)約73.5萬元。

11 結(jié)語

海豐和銳在兩條生產(chǎn)制鹽裝置采取雙線裝置一套在線分析設(shè)計(jì)應(yīng)用方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)調(diào)節(jié)投用研究應(yīng)用及智能智慧理念實(shí)踐探索。有效提升鹽水全分析在線過程精準(zhǔn)低耗控制水平，最大程度挖掘現(xiàn)有氯堿裝置的最大產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行臨界點(diǎn)，有效保障核心設(shè)備離子膜電解槽長(zhǎng)周期運(yùn)行，提升經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益，最終實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)鏈節(jié)能降耗經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。