先进控制及优化在海化纯碱生产工艺中的应用

发布时间：2007-03-05 作者：王立国，山东海化股份有限公司纯碱厂

　　在介绍基于模型预测控制策略的先进控制软件包APC-Adcon的实现原理、基本框架和特点的基础上，给出了该先进控制软件在山东海化股份有限公司纯碱厂的实际应用情况。
　　先进控制是现代流程工业生产过程中最重要的自动化技术之一。采用先进控制，可以解决常规控制中不能解决的各种难题，以满足人们对生产过程的安全、高效、优质、低耗的要求，使用户以较小的投入获得较大的经济效益。据有关资料统计，先进控制软件包在全球范围内已有6000套以上的应用，国外的著名供应商正在加紧抢占国内的先进控制市场。国内的许多高校、研究机构和大型石化企业自上世纪80年末开始研究并实践先进控制技术，在一些复杂工业过程上取得了应用成果并积累相关技术经验。浙江中控软件技术有限公司所研发的高级多变量鲁棒预测控制软件APC-Adcon是国内具有较大影响力的先进控制软件包，已在大型炼油、石化和化工装置中成功应用40多套。

图1：APC-Adcon 先进控制软件结构原理

　　纯碱即碳酸钠（Na₂CO₃），是重要的基本工业原料，被称为“化工之母”，其产量和消费量通常被作为衡量一个国家工业发展水平的标志之一。山东海化股份有限公司纯碱厂是目前国内最大的纯碱生产企业，生产岗位全部实现了DCS控制。由于纯碱生产过程工艺流程长，连续性强，而且处理的物料为气、液、固三相物质，部分装置如碳化塔、石灰窑等具有较强的变量关联和耦合特性，常规的单变量控制难以有效地解决这类复杂工业过程控制问题。
　　我厂于2004年6月通过招标，在国内外众多供应商中选择“浙大中控”的APC-Adcon先进控制产品，双方共同合作在国内纯碱装置上实施了第一个先进控制项目，经过近1年的努力，项目组结合纯碱生产装置的生产工艺特点和实际的工艺操作经验，开发了纯碱装置先进控制系统，提高了装置操作平稳性和控制性能，降低了能耗，减少了操作人员的劳动强度。先进控制技术极大地提升了纯碱生产过程控制效果，引起了纯碱行业和社会各界的广泛关注。
　　先进控制软件包体系结构
　　高级多变量预测控制软件包APC-Adcon是浙江中控软件技术有限公司开发的面向工业过程的多变量预测控制软件包，特别适合于需要采用多种控制策略和控制结构的复杂多变量过程。它可以方便的集成到任何DCS或PLC控制系统中工作。其基本功能是：在被控变量和操纵变量满足位置和速度硬约束的前提下，每个被控变量可以按照指定的闭环性能达到设定值；对可测扰动实现前馈控制；可完成局部优化等。APC-Adcon还充分考虑了实际控制系统中的各种要求，可以集成各种专家智能控制策略，进一步保证了控制性能和控制系统鲁棒性。
　　APC-Adcon在结构体系上采用先进的分布式多层组件化应用体系，提供分布式软件结构和分布式应用结构，基于COM的组件化先进控制软件的结构如图1所示。
　　从图1可以看出，先进控制器的每一个功能模块作为控制器的标准件，分别包装不同的先进控制算法和功能，且与程序设计语言无关，可以实现即插即用。组件化框架不仅简化了编程，而且极大增加了软件的稳定性。
　　APC-Adcon采用的控制结构具有较强的可操作性，可以是固定的，也可以由用户在线修改。APC-Adcon控制器结构如图2所示。

图2：APC-Adcon 控制器结构

　　控制器结构中包括如下描述：
　　1）操纵变量
　　■约束：最小、最大和速度
　　■理想滞留值（IRV）：数值和趋向IRV值的速率
　　■最大化（或最小化）：数值和趋向最大（或最小）值的速率
　　2）被控变量（辅助变量）
　　■约束：最小、最大和速度
　　■设定值控制：闭环时间响应
　　■区域设定值控制：设定值区域边界，边界内及边界外闭环时间响应
　　■理想滞留值（IRV）：数值和趋向IRV值的速率
　　■最大化（或最小化）：数值和趋向最大（或最小）值的速率
　　3）容错控制功能
　　不同的工作条件及操作模式下控制目标可能不同，各种变量的具体要求也可能不同。当传感器或执行器失效，控制对象将发生改变。对于这种意外情况，APC-Adcon提供安全的解决方案，包括：改变被控变量和操纵变量集，实时调度控制结构等。

　　APC-Adcon在山东海化纯碱生产过程中的应用
　　工艺流程简介
　　山东海化纯碱厂采用氨碱法制碱，其工艺原理是将原盐精制成饱和盐水后，吸氨形成氨盐水，氨盐水与煅烧石灰石产生的二氧化碳气在清洗塔内反应生成预碳化液，预碳化液在碳化塔内与高浓度的CO2气进行碳酸化反应（俗称碳化）生成的碳酸氢钠悬浮液，经过滤得到的碳酸氢钠结晶在煅烧炉内煅烧获得纯碱产品和高浓度CO2气，CO2气经冷却、压缩后通入碳化塔参与碳化反应。把滤去碳酸氢钠的制碱母液加热蒸馏回收其中的氨。氨碱法生产工艺的主要工序有：化盐和盐水精制、氨盐水的制备、碳化和重碱过滤、重碱的煅烧、氨的回收以及石灰石的煅烧等。
　　目前，我厂纯碱装置的各生产工序已全部实现了DCS控制，因此生产效率明显提高，产品次品率大大降低。但常规的单回路控制不能很好的适应纯碱生产过程的一些复杂特性，例如：纯碱生产的核心单元——碳化工序，该工序包括多个碳化塔组，每个碳化塔不仅具有“制碱”和“清洗”两种运行状态，而且随制碱周期的不同具有时变性，存在着大纯滞后、多变量关联和耦合特性，塔底压力、出碱液温度、中部温度分布等重要工艺过程参数需要操作人员手动控制。另外，碳化生产所需的下段气、中段气、清洗气总流量和压力主要依靠人工联系调整，存在调节不及时、调节幅度不合适等问题，因此碳化生产过程的运行参数和产品质量得不到保证，劳动强度大，消耗高。
　　为进一步提高自动化控制水平，山东海化纯碱厂选择纯碱装置的重要工序——石灰窑工序、碳化工序、压缩工序实施了先进控制与优化。
　　先进控制与优化方案
　　先进控制系统的总体框架如图3所示。

图3：先进控制系统总体框架

　　先进控制系统首先针对上述三个工序分别设计了独立的APC-Adcon子控制器以满足这些工序平稳控制的要求，其中，碳化工序子控制器以预测控制策略为核心，用APC-Adcon的标准算法实现整个工序2组14座碳化塔两种工作模式“制碱”和“清洗”过程的平稳控制以及产量与质量的协调优化；石灰工序子控制器将预测控制策略和智能控制策略相结合，在APC-Adcon标准算法的基础上增加自定义控制算法实现了过程控制和机电控制有效结合，既稳定了石灰窑出灰温度，又实现石灰窑自动出灰、自动配料等功能；压缩工序子控制器则在压缩机转速自动控制的基础上，按照碳化工序实际生产对清洗气、中段气、下段气总流量的需求实时改变压缩机转速，从而实现压缩工序的优化。各个子控制器之间的联系通过物料平衡、工艺计算等来体现。针对装置的特殊要求，基于智能控制技术为石灰窑、碳化塔和压缩机装置制定了特殊的控制和优化策略。
　　通过先进控制技术的应用，碳化塔中部温度、碳化塔塔底压力、碳化塔出碱温度和石灰窑出灰温度等主要工艺参数得到了有效控制，提高工艺操作的平稳性；在此基础上，进一步实现了石灰窑、碳化塔和压缩机的生产负荷分配和工况平衡等优化控制。
　　先进控制系统通讯实现
　　山东海化纯碱厂纯碱生产装置先进控制系统是在Siemens PCS7集散控制系统平台上实施的，先进控制软件APC-Adcon运行于DCS系统的上位机上，并以配套的先进控制软件平台ESP-iSYS-A作为支撑。ESP-iSYS-A可以以客户端方式与DCS系统WinCC软件的OPC Server实现数据双向通讯，从而保证先进控制系统的数据集成和实时控制。

　　应用效果
　　下面简要说明纯碱生产过程三个先进控制子系统投用前后控制效果对比。

a) 先进控制系统投运前

b) 先进控制系统投运后
图4：石灰窑窑底温度控制效果


a) 先进控制系统投运前

b) 先进控制系统投运后
图5：碳化塔塔底压力控制效果


a) 先进控制系统投运前
b) 先进控制系统投运后
图6：压缩机中段气流量设定值与实际值

　　（1）石灰窑系统
　　石灰窑窑底温度是石灰窑系统的重要控制参数，是反映石灰窑运行状况的主要指标，图4给出了先进控制投用前后石灰窑窑底温度控制效果的对比。
　　（2）碳化塔系统
　　碳化塔的塔底压力、中部温度是碳化操作的重要指标，这些参数直接反映出碳化塔的运行是否平稳，转化率是否达到要求。因此，控制好这些运行指标是优质高产的前提。图5给出了先进控制投用前后碳化塔塔底压力控制效果的对比。
　　（3）压缩机系统
　　压缩机先进控制系统通过实时调节压缩机的转速来实时调整清洗气、中段气、下段气总流量，满足碳化工序对三段气各自总流量的需求变化，实现了气量平衡。图6给出了先进控制系统投运前后的中段气变化情况的对比。
　　总之，山东海化纯碱厂纯碱生产装置先进控制系统—石灰窑先进控制、碳化过程先进控制和压缩机先进控制应用效果十分显著，主要表现在如下几方面：
　　■先进控制系统根据设定目标值实时自动调节相关参数，降低了操作人员的劳动强度，并大大减少了人为调节所带来的干扰；
　　■先进控制系统使各装置的运行参数趋向平稳，波动范围减小；
　　■先进控制系统根据并联生产装置的运行工况进行生产负荷协调，既充分发挥出各装置的潜力又平衡了各装置的工况；
　　■先进控制系统通过平稳装置的各项运行指标，使石灰石有效分解率、窑气浓度及碳化转化率保持在较高的水平。
　　■先进控制系统通过实时调节压缩机的转速，满足碳化工序对清洗气、中段气、下段气的实时需求，降低了劳动强度，平稳了生产。
　　结论
　　山东海化纯碱厂在国内首次实施了纯碱装置碳化、石灰和压缩工序先进控制和优化后，解决了常规控制中不能解决的各种难题，有效的克服了干扰和滞后影响，稳定了装置工艺参数的平稳性；大提高了装置的自动化程度，统一了操作人员的操作方法，降低了操作人员的劳动强度；在保证装置工况良好的情况下，实现产量最大化，品质最优化。
　　先进控制系统操作简单，控制效果良好，深受工艺技术人员和操作人员的欢迎。进一步满足企业对生产过程的安全、高效、优质、低耗的要求，取得了可观的经济效益。经过测试分析，实施先进控制后，一年可获得584万元的直接效益。

文章编号：070210
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