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

2019-04-17 06:58:06，，，，

純堿工業(yè) 2019年2期

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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。