连云港碱厂重碱DCS控制系统改造

发布时间：2006-03-24 作者：陈红、张小莉，江苏连云港碱厂科研设计所

　　一、 前言：
　　连云港碱厂是上世纪80年代中期我国新建的三大碱厂之一，目前纯碱生产能力已达100万吨/年，采用氨碱法生产工艺，是以食盐、石灰石为主要原料，以氨母液为载体制取纯碱，在这种生产工艺中重碱车间的主要职能为完成精盐水吸氨、氨盐水碳酸化及重碱过滤等任务，所以说重碱车间处于纯碱生产的中心部位，素有制碱"心脏"之称。它的操作状况和工艺指标如何，不仅反映出一个碱厂的技术和管理水平，而且对产品产量的高低、质量的优劣及物耗的多少，即碱厂经济效益，具有举足轻重的影响。

图1： 重碱车间DCS配置图

　　二、  改造前现状及存在问题
　　由于建厂时投资与技术装备水平的限制，重碱生产过程采用单元组合仪表的方式，可靠性较差，工况不易稳定。同时自1989年投产以来，重碱主控室已使用十多年，仪表控制设备陈旧，维护量与日俱增，对正常生产带来较大隐患。为解决现存问题，提高生产过程自动化水平，在吸取国内同行业在此方面的成熟经验基础上，引进和采用了计算机控制系统，以提高重碱生产过程的自动控制水平。

表1：重碱车间检测和控制信号的点数

　　三、 DCS选型及系统规模
　　根据连云港碱厂重碱车间工艺、设备等特点，经多方调研、比较，我厂最终选用了国内占有率居前、性价比较高，技术先进、性能可靠的浙大中控生产JX-300X  DCS系统。
　　重碱车间总的输入/输出信号624点，调节阀161套。具体如表1所示。
　　根据车间管理要求，结合DCS产品特点，配置了操作站5个、控制站4个、工程师站1个、服务器1台、电流变送器柜1个。配置见图1所示。DCS主要设备如表2所示。
　　四、 主要控制方案设计与实施 
　　重碱车间包括碳化、吸收、蒸馏、滤过四道工序，采用氨碱法制碱工艺，主要工艺设备有碳化塔组、吸收塔组、蒸馏塔组、净氨塔、滤碱机、换热器等。
　　本次改造的基本思想是，针对重碱车间的工艺与设备特点，充分利用DCS的高级控制功能，实现生产过程基础自动化与部分工艺指标控制优化，使项目设施产生最大的技术经济效益。在系统配置上，具有网络互联功能，能与其它DCS系统及数据管理系统相联，通过网络服务器，实现数据的共享，为今后全厂的综合自动化打下基础。
　　控制系统的结构与功能模块如图2所示：
　　1．碳化工序
　　碳化工序是碱厂的关键工序，也是制碱行业过程控制的重点与难点，其工艺任务是用氨盐水吸收CO2生成结晶。吸收、反应与结晶均在碳化塔完成，母液经过滤分离重碱后送往蒸馏工序蒸氨。碳化塔采用塔组并联作业，每组一个塔清洗，3~4个塔制碱，定时切换。碳化塔工艺参数多、影响因素复杂、具有时变、滞后、强耦合的特点，控制难度较大。同时，碳化塔控制的好坏直接影响重碱的收率、质量和生产成本。
　　碳化塔的控制方案主要包括过程检测、平衡控制、平稳控制、优化控制、工况诊断等五个方面，下面就平衡控制、平稳控制、优化控制、工况诊断等控制方案介绍其设计实施策略：
　　⑴ 平衡控制
　　平衡控制有两方面的内容：一是控制总管分配给各塔的气流量和液流量均匀，使各塔负荷均衡，防止”串塔”和”压塔”现象；二是控制每一制碱塔中流量与气量平衡，保证液体达到足够的停留时间和要求的碳化度。为此采取的控制措施是：
　　■ 尽量保持各塔一致的恒定出碱液流量，一般不轻易调节，仅当塔温和尾气浓度出现较大变化、工况诊断为异常之后，进行选择性调节；
　　■ 用塔顶液位调节中和水流量；
　　■ 根据尾气CO₂浓度和塔温调整中、下段气流量，两段气的比例由模型计算确定；
　　■ 根据出碱液温度和塔内温度调整冷却水和制冷液流量，组成串级调节系统，根据连云港碱厂的特点，取主调节参数为冷却水流量，当冷却水开到最大而碱液温度仍不能满足要求时才使用制冷液，以最大限度节省能量。相应的主要调节回路如图3所示。
　　⑵ 平稳控制
　　平稳控制的含意是尽量减少工况波动以保持稳定生产。影响碳化塔工况波动的因素主要有以下几类：
　　■ 由其它工序工况不稳而产生的气、液流量和浓度的波动；
　　■ 制碱与清洗的切换（倒塔）；
　　■ 塔内的结疤；
　　■ 昼夜和季节性的水温变化。
　　由于碳化系统的复杂性，需要采用一些高级控制策略来进行平稳控制，如模糊控制、解耦控制、时变控制等。
　　⑶ 优化控制
　　优化控制是在保持工况平衡和工况平稳的基础上，根据自然的(冷却水温)和设备(压缩机。管道等)以及前后道工序的约束及变化，寻求现有条件下的最佳工艺参数，作为设定值提供给控制系统进行控制。

表2：DCS 主要设备列表

　　在满足平衡和平稳的要求后，工况优化的内容有：
　　■ 不同氨盐比时最佳的中和水温度与预碳化度，据此可指导清洗塔的控制；
　　■ 最佳的中、下段气配比和尾气CO₂浓度，据此指导中、下段气流量控制；
　　■ 最佳的吸收段温度分布，据此进行工况诊断和流量控制；
　　■ 最佳的冷却段温度分布，据此指导冷却水和制冷液的合理调配；当出碱液温度受冷却能力限制而居高不下时，给出不同温度下的最佳产量、氨盐比及其它条件以便以最经济的方式生产。
　　较复杂的调节回路方块图如图4所示。

图2：控制系统功能与模块示意图

图3：碳化工序主要调节回路示意图

　　（4）碳化塔工况诊断
　　碳化塔由于腐蚀与结疤严重，影响到检测仪表（流量计、CO₂分析仪等）的准确度和可行性。根据单个仪表检测结果作出的决策与控制往往具有一定的风险，并且其影响是长期的和难于觉察的。因此，有必要将全塔所有检测数据进行综合分析和平衡检验。结合模型分析，进行碳化塔的工况诊断，以判断塔内工况是否正常，是否达到了控制要求和优化状态。
　　工况诊断是实时进行的，内容有：
　　■ 气、液流量和浓度的物料平衡检验；
　　■ 所有流股的温度和流量、热量平衡检验；
　　■ 塔上段和下段的压力平衡-液位-气含率检验；
　　■ 出碱液、氨盐水、尾气的热力学平衡检验；
　　■ 塔上段和下段吸收负荷分析；
　　■ 全塔温度分布分析。
　　检验结果显示“正常”、“优化”、“故障”三种状态，进行故障报警并提供可能的位置。

图4:出碱液调节回路示意图

图5：吸收工序主要调节回路示意图

图6：吸收塔精盐水流量调节回路

　　2． 吸收工序
　　吸收工序的主要任务是：盐水吸氨，制备符合制碱要求的饱和氨盐水。主要设备有吸收塔、吸收尾气净化塔、硫化钠溶解桶、淡氨盐水桶和钛板冷却器。其中吸收塔为关键设备。吸收工序总的控制要求是保证各项工艺指标，为碳化工序创造稳定的工艺条件。影响氨盐水浓度的因素较多，主要是塔温和各塔的气、液流量及成分，如：来自蒸馏工序的氨混合气流量，氨混合气中的氨浓度，淡氨盐水的流量及氨浓度，精盐水的流量，吸收塔内压力以及浓度等。
　　吸收工序的主要调节回路如图5所示，包括：
　　■ 吸收塔温度控制；
　　■ 精盐水流量控制，其方块图如图6所示；
　　■ 淡氨盐水流量控制；
　　■ 淡氨盐水总管压力控制；
　　■ 精盐水总管压力控制；
　　■ 吸收塔顶压力控制；
　　■ 净氨塔真空度控制。
　　3． 蒸馏工序
　　蒸馏工序是将碳化热母液在蒸馏塔中用蒸汽加热的方式蒸出其中的氨和绝大部分CO2，该混合气体经氨气冷却后去吸收工序制备氨盐水，冷却器产生的冷凝液去淡液蒸馏塔，再次蒸出其中的氨。蒸馏工序的主要设备有：母液蒸馏塔、淡液蒸馏塔、预灰桶、氨气冷却器，其中蒸馏塔为关键设备。
　　为保证蒸馏过程的稳定，控制方案中将进入母液蒸馏塔的母液流量采用定值控制。为减少各塔之间的相互影响，在母液总管上设压力调节，并采用调节进热母液桶的回流量来实现压力调节。
　　母液蒸馏塔和淡液蒸馏塔的蒸氨效率在很大程度上取决于塔内温度，而温度是靠蒸汽来维持的，考虑到蒸汽压力的波动，采用塔内温度-蒸汽流量串级调节系统。对于淡液蒸馏塔，由于冷凝液的量可能会有一定的波动，采用冷凝液桶液位-淡液流量串级控制。同时，在淡液蒸馏塔的温度-蒸汽流量串级系统中增加淡液流量作为前馈信号，这样可以及时克服流量变化引起的干扰。
　　降低废液中的氨含量以及过剩灰滴度是蒸馏工序的一个主要控制目标。虽然这两个信号很难用仪表直接测得，但调和液的PH值可间接反映这两个指标。因此可用PH值作为被调参数，石灰乳的进料量作为调节参数构成单回路控制系统。
　　蒸馏工序的主要调节回路如图7所示，包括：
　　■ 母液蒸馏塔温度-流量串级控制；
　　■ 入塔母液流量控制；
　　■ 母液总管压力控制；
　　■ 淡液蒸馏塔温度-流量串级控制；
　　■ 淡液流量控制；
　　■ 冷却器出口温度控制；
　　■ 调和液PH值-灰乳流量串级控制。
　　4．优化控制策略
　　因制碱过程中各工序之间存在关联性、制约性，是一个典型的时变系统。因此，常规的控制方法难于保证生产过程的平稳和最优，必须采用先进的控制策略。DCS控制系统的应用为平稳、优化控制创造了良好的条件。

图7：蒸馏工序主要调节回路示意图

图8：改造前后交接班重碱皮带称量

图9：改造前后重碱水份对比

　　⑴ 优化控制的实施策略
　　a． 手动控制：在系统初始投运或由于设备故障，自控无法进行时采用；
　　b． 回路控制：保持原有设定值，保证工况平稳运行；
　　c． 综合平衡控制：把各单元、工序、过程的各种衡算模型装入DCS的控制站，由控制软件进行自动平衡控制；
　　d． 过程优化控制：利用优化服务器，当不可控制参数发生变化时，在NaCl转化率和NaHCO3结晶沉降秒等重要参数保证要求的前提下，给出可调参数(被调参数)的理论值，以修正相关调节回路的给定值。
　　⑵模糊控制策略
　　考虑到制碱过程的强关联、大滞后、时变，特别是检测仪表易腐蚀和结疤的特点，对碳化塔，特别是温度调节回路采用模糊控制,由此使调节过程更为稳定和可靠。
　　⑶解耦控制策略

图10：改造前后炉气浓度合格对比

图11：改造前后纯碱产量对比

　　五、改造前后生产工况对比
　　为了增加对DCS投入运行前后效果的感性认识，以下分别对重碱车间 、煅烧车间、压缩车间乃至相关系统的几个主要工艺参数进行图形化对比。因该系统是11月底正式投入运行的，所以选取了2000年9月2～15日及2000年12月2～15日的指标参数。
　　5.1重碱车间
　　由于工艺参数显示的数字化，保证了调节的精确性，减少了因手动调节给生产带来的波动，消除了以前交接班时人为的平稳系统的打乱与重建问题，使整个重碱生产系统得到了多方位的平稳及平衡。
　　5.1.1交接班的平稳性
　　交接班重碱皮带称量在增加的基础上，平稳度得到了明显的提高，见图8。
　　5.1.2指标的优化
　　由于生产的平稳，重碱工艺指标都得到了一定程度的提高并且减少了工艺指标的波动性。例如重碱水份。
　　5.2煅烧车间
　　由于重碱来量的平稳，改善了煅烧炉的生产工况，使炉气平均浓度由84.9增至85.9，轻灰炉平均出碱温度由189℃改善至185℃，其合格率也在明显提高的基础上，增加了平稳度；延长了煅烧炉的运行周期，由30天增至45天左右。
　　5.3压缩车间
　　由于炉气浓度的增加和炉气的平稳，减轻了压缩机工作负荷，提高了压缩机的工作效率，减少了检修费用，延长了压缩机的使用寿命，确保了三气供气量平稳。
　　5.4整个系统
　　重碱量的平稳→炉气浓度增加、合格率增加、煅烧炉工况改善→压缩机工作效率提高、使用寿命延长、稳定了三气来量→重碱量的平稳整个系统的良性循环→产量得到大幅度地提高。产量对比见图11。
　　六、经济效益
　　■ DCS的投入运行，解决了以往交接班时人为出现的平稳系统的打乱与重建问题, 减少了因此而带来的物耗能耗，稳定了生产。
　　■ 自2000年11月DCS系统投入运行以来，平均日产量从2357吨(8、9月)增至2635吨(12.2～12.24)，平均日增产278吨，该项包含了下半年其他技改项目、气温变化和管理上水平等诸多方面带来的效益，所以按增产的30%计该项目效益，即平均日增产83.4吨。
　　折年创造效益 83.4×355×155=311万元(其中155元：吨碱净利润 )。
　　■ 年总成本费：动力消耗持平；使用寿命按10年计算，年折旧及年维护费为：470×10%+5=52万元，年总效益为：311-52=259万元。 
　　■ 实现了工序成本的热考核。   
　　七、 结束语
　　改造后的重碱DCS控制系统，经过几年的运行考验，系统稳定可靠，工艺指标得到有效改善，获得了较好的经济效益，实现了整个蒸吸、碳化系统的自动控制；是国产DCS成功应用的典范，证明了DCS用于纯碱生产控制是切实可行的。
　　在取得良好的经济效益的同时，我们还收获了较好的社会效益。该项目的实施，减轻了工人的劳动强度，锻炼了一支专业技术队伍，为我厂今后的发展提供了人力资源；改造后工艺操作稳定，能耗降低，提高了产品质量；我厂自动化控制水平和企业形象也得以提升并为实现管控一体化打下了良好的基础。
　　但早期改造由于资金、工艺条件等方面的原因，本项目的工艺优化没能全面实施，没有达到预期目标，所以下一步工作是进行相关设备的改造及工艺过程的研发，使计算机优化控制策略高效应用，使工艺优化与自动控制紧密结合，充分发挥DCS的优点，使项目产生最大的技术经济效益。

　　编者按：该篇论文荣获"2005 SUPCON在流程工业"有奖征文大赛二等奖。评审专家们认为："该篇文章控制概念清楚，项目较为典型。上下游工艺的控制进行有序，达到良好的控制效果。对优化控制也进行了工作，控制系统设计思路叙述清晰，改造前后对比效果明显。"

文章编号：060310
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