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(青海發(fā)投堿業(yè)有限公司，青海德令哈 817099)

1 項(xiàng)目概述

青海發(fā)投堿業(yè)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(wàn)t/a，碳化工序已采用和利時(shí)的MACSV6.5.2 DCS系統(tǒng)，實(shí)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(bào)警和聯(lián)鎖等功能，并能夠?qū)φ麄€(gè)碳化工序的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行操作和控制。但碳化工序是一個(gè)多變量耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，從目前過(guò)程控制情況來(lái)看，簡(jiǎn)單的PID控制已經(jīng)無(wú)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(dòng)操作，操作人員不能做到對(duì)所有指標(biāo)的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，因此很有必要采用先進(jìn)控制系統(tǒng)來(lái)提升裝置的控制效果。

本項(xiàng)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(jiǎn)稱(chēng)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(jí)多變量預(yù)測(cè)控制軟件包對(duì)碳化工序的生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施了先進(jìn)控制，碳化工序的自動(dòng)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(wèn)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(gè)碳化塔，均為笠帽塔，分四組運(yùn)行(有兩組為4個(gè)塔一組，另兩組為5個(gè)塔一組)，其中每一組里面有一個(gè)清洗塔，其他為制堿塔。由于堿廠投產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)備運(yùn)行情況一般，目前碳化工序在工藝和控制上存在如下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1) 塔底壓力控制效果差，波動(dòng)大，尾氣壓力沒(méi)有自調(diào)閥，控制指標(biāo)偏低。尾氣由塔頂出來(lái)后進(jìn)入總管，然后分配到3個(gè)凈氨塔，去被精鹽水吸收。尾氣總管壓力對(duì)碳化塔塔底壓力的影響很大，一旦其發(fā)生波動(dòng)，各個(gè)塔的塔底壓力也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)幅度的波動(dòng)。由于碳化塔塔數(shù)較多，操作人員無(wú)法做到精細(xì)化操作，存在操作不及時(shí)的現(xiàn)象，而且為了及時(shí)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(jì)不準(zhǔn)，不僅影響這些控制回路的自控率，而且使操作人員無(wú)法掌握其分配比例及氣量與生產(chǎn)負(fù)荷的匹配性，導(dǎo)致中部溫度的波動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)控制，由于塔數(shù)較多，司塔操作強(qiáng)度大，無(wú)法做到精細(xì)化操作，導(dǎo)致各關(guān)鍵工藝指標(biāo)波動(dòng)較大。

3 碳化過(guò)程先進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

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

先進(jìn)控制系統(tǒng)由制堿過(guò)程控制器、清洗過(guò)程控制器及專(zhuān)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(jìn)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(jìn)控制軟件包，建立的碳化工序的先進(jìn)控制系統(tǒng)。分別對(duì)碳化塔的制堿過(guò)程和清洗過(guò)程實(shí)施了有效地控制。

其中制堿過(guò)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(guò)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(gè)控制器既相互獨(dú)立，也存在一定的聯(lián)系，相輔相成。

3.2.1 碳化塔制堿過(guò)程控制器的功能

1)塔底壓力控制器：以進(jìn)塔中和水調(diào)節(jié)閥開(kāi)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(cè)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)塔流量保持相對(duì)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(cè)控制器，保證17圈溫度達(dá)標(biāo)的前提下，使出堿總量最大化，并且各塔的出堿流量會(huì)根據(jù)塔的運(yùn)行情況來(lái)進(jìn)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(cè)控制器，保證出堿溫度的穩(wěn)定。

3.2.2 碳化塔清洗過(guò)程控制器的功能

1)清洗塔壓-中和水槽液位控制器：以進(jìn)清洗塔氨鹽水流量(流量的調(diào)節(jié)范圍可以在先控畫(huà)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(cè)控制器，保證清洗塔壓穩(wěn)定的同時(shí)，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(cè)控制器，保證中和水溫度的穩(wěn)定。

3.2.3 碳化塔專(zhuān)家智能控制器的功能

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

1)塔底壓力專(zhuān)家控制會(huì)根據(jù)中和水泵總管壓力的高低，智能調(diào)節(jié)進(jìn)塔中和水閥值。當(dāng)中和水泵總管壓力過(guò)高時(shí)，先控系統(tǒng)會(huì)停止減小各塔進(jìn)塔中和水閥值，以防憋壓現(xiàn)象的發(fā)生；當(dāng)中和水泵總管壓力次高時(shí)，先控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)塔底壓力的實(shí)際值與先控設(shè)定值之差來(lái)判斷是否繼續(xù)減小該塔進(jìn)塔中和水閥值；當(dāng)中和水泵總管壓力次低時(shí)，先控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)塔底壓力的實(shí)際值與先控設(shè)定值之差及塔底壓力實(shí)際值的斜率來(lái)判斷是否繼續(xù)開(kāi)大該塔進(jìn)塔中和水閥值；當(dāng)中和水泵總管壓力過(guò)低時(shí)，先控系統(tǒng)會(huì)停止開(kāi)大各塔進(jìn)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(jìn)不了液的問(wèn)題出現(xiàn)。

2)中部溫度專(zhuān)家控制器的功能有三個(gè)：首先，專(zhuān)家控制會(huì)根據(jù)中段氣總管壓力或下段氣總管壓力的高低來(lái)判斷是否繼續(xù)增加或減小中段氣或下段氣流量，當(dāng)總管壓力超過(guò)先控上限時(shí)，先控系統(tǒng)會(huì)增加各塔進(jìn)氣量(中溫低的塔會(huì)多進(jìn)氣)，當(dāng)總管壓力低于先控下限時(shí)，先控系統(tǒng)會(huì)減小各塔進(jìn)氣量(中溫高的塔會(huì)多減氣)，以保證總管壓力在合適范圍內(nèi)；其次，當(dāng)中段氣氣量不足時(shí)，專(zhuān)家控制會(huì)根據(jù)各組塔內(nèi)中部溫度的高低來(lái)改變各塔進(jìn)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(zhuān)家控制對(duì)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(dāng)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(shí)，會(huì)停止一段時(shí)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(jìn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果

先進(jìn)控制系統(tǒng)投用前后的對(duì)比如下。

圖2 投用前4#塔塔底壓力PV值趨勢(shì)圖

圖3 投用后4#塔塔底壓力PV值趨勢(shì)圖

采樣時(shí)間位號(hào)名最大值最小值平均值方差標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)減小幅度投運(yùn)前2018.8.2PI_401D331.7308.8318.719.394.40 投運(yùn)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(duì)比

表3 投用前后6#塔出堿溫度PV值對(duì)比

表5 投用前后2組清洗塔壓力PV值對(duì)比

表6 投運(yùn)前后碳化轉(zhuǎn)化率對(duì)比

從以上圖表的對(duì)比情況來(lái)看，先進(jìn)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(gè)方面。

1)在關(guān)鍵參數(shù)的指標(biāo)優(yōu)化方面，經(jīng)過(guò)對(duì)控制方案的不斷討論和改進(jìn)，碳化塔的各項(xiàng)工藝指標(biāo)的平穩(wěn)性得到了大幅地提高。

2)在生產(chǎn)自動(dòng)化方面，除了改塔及非計(jì)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(biāo)方面，經(jīng)過(guò)對(duì)工藝條件不斷地摸索與改進(jìn)，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(shí)踐也表明：利用先進(jìn)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(duì)于現(xiàn)如今智能化生產(chǎn)大潮流的響應(yīng)，從而達(dá)到小投入換大產(chǎn)出的目的。