先進控制技術在海化純堿廠新線碳化工段中的應用

摘要: 在海化純堿廠新線碳化工段實施的先進控制和優化項目，簡稱先控，以新線碳化塔組為主要研究對象，通過實施先進控制技術，合理調整碳化塔圈溫度，提高了碳化轉化率；增強了裝置的抗干擾能力和平穩操作；減少產品質量波動、實現卡邊控制；搞好裝置能量平衡、降低能耗；同時也降低了操作人員的勞動強度。本文主要介紹了先控技術、軟硬件環境以及碳化塔控制方案等有關情況。
一、先進控制系統所采用的關鍵技術
本項目是采用浙江中控軟件技術有限公司擁有的如下控制技術。它們是：
1、 PC-Adcon：
多變量魯棒預測控制和局部優化技術，該技術將用于氨堿裝置重要單元設備或設備組的多變量控制和局部優化。
2、 PC-PFC
單變量預測函數控制技術，該技術將用于氨堿裝置中關鍵回路的控制水平的提高。
3、 APC-Sensor：
　　基于神經元網絡和主元分析等方法的在線實時軟測量技術，該技術將用于對氨堿裝置產品的質量指標和工藝參數進行在線計算，并供多變量控制器使用。
該先進控制系統整體框架如下圖所示。
　　
　　
二、先進控制系統的軟硬件環境
1、硬件接口
根據新線DCS系統SIEMENS PCS 7，先進控制系統必須最大限度地利用現有硬件設備，既保證先進控制系統的先進性，又要考慮項目實施的經濟性。該DCS系統中提供了標準的OPC接口,可以實現DCS系統與APC-Adcon等先控系列軟件的數據交換。
實現先進控制系統后的硬件結構如下圖所示
　　
　　
　　
　　先進控制系統硬件結構圖
　　2、軟件接口
　　支撐軟件擬選擇Windows 2000 Professional版操作系統。
　　APC-Adcon先進控制軟件具有OPC接口，可與OPC服務器直接交換數據。OPC接口是與設備無關的標準軟件接口，通過OPC服務器訪問過程數據，可以克服各種網絡結構和網絡協議的差異，使得APC-Adcon先進控制軟件具有廣泛的適用性。在本項目中，OPC服務器擔負先進控制軟件與SIEMENS PCS7 之間數據交換的任務。基于OPC接口的數據交換結構如下圖所示。
　　
　　
基于OPC接口的數據交換結構
　　APC-adcon高級多變量預測控制軟件是浙江浙大中控軟件有限公司開發的面向工業過程的多變量預測控制軟件包。先進控制器的每一個功能模塊作為控制器的標準件，分別包裝不同的先進控制算法和功能，且與程序設計語言無關，可以實現即插即用。而且根據現場需求，控制裝置必須與先進控制算法一一對應，組件化的框架恰好滿足了這種需求，而且簡化了編程，極大的增加了控制系統的穩定性。
　　 APC-adcon先進控制軟件結構原理
　　三、碳化裝置控制方案
　　采用多變量魯棒預測控制技術實施如下的先進控制方案：
　　控制技術是多變量魯棒預測控制及局部動態優化技術APC-Adcon
　　制堿過程中，被控變量CV、操縱變量MV和干擾變量DV，如下表
　　
　　
碳化工段生產先進控制變量表
1、下段氣控制：
通過工藝了解，碳化工段有南、北兩組12個碳化塔，目前對于生產的總的要求來說，下段氣量不足，對于各塔的具體量的分配與該塔塔壓與下段氣總管壓力的差值有關，當總管壓力接近塔壓的時候，該塔的下段氣進量會下降；針對單個塔來說，其塔壓與液面及塔頂氣壓有關，由于各個塔的塔壓不一致，導致從總管進入各塔的氣量也不一樣，現為了使得下段氣量能平均分配給十個制堿塔，需要保證各塔塔壓盡量維持在同一值；而同時為了保證出堿量，又需要保證各塔的液位要求，所以對尾氣壓力有一定要求，平時生產中操作工在換班前為了使得本班的出堿量盡量大，會大量放出塔內的出堿液，在實際液位下降的情況下，為了保證塔壓的要求，會將尾氣壓力調高，而造成該塔的液面下降，工況惡化。在工藝改造以后會對尾氣的調節增加一臺自調閥，可以用來控制尾氣來保證塔壓和塔液位的要求。這樣在保證尾氣壓力的情況下將塔壓穩定下來，同時也控穩了塔液位。
　　在倒塔過程中，由于出堿的影響，各塔的穩定情況不是很好，這段時間來說，先進控制的思路是盡量使得各塔的生產狀態穩定下來，氣量大幅度下降的情況下會導致溫度波動較大，而由于出堿塔由十個減少為九個，出堿量減少，送去煅燒的堿量的減少導致了下段氣總量的減少，在氣量下降的情況下，下段氣總管壓力下降，這樣在塔壓波動不大的情況下導致各塔的進氣量減少，從而使得塔的正常生產出現波動，在平時生產中為了保證下段氣總管壓力，在煅燒出來的爐氣不足的情況下，會補充一部分窯氣來保證總管壓力，這樣使得各塔能有進氣，但是由于充入的窯氣濃度比較的低，會使得進入塔的下段氣濃度下降，對生產會有影響。
　　對于下段氣的控制初步思路是各塔的塔壓在接近的同一數值，這樣與總管壓力差值接近，使得下段氣量合理分配。而保證尾氣壓力一定，這樣塔壓穩定的情況下液位也穩定下來，使得塔的生產穩定。生產中各塔下段氣的分配根據出堿量來按比例分配。
　　2、 中段氣控制：
　　目前的生產中，中段氣量的供應是充足的，即能保證生產，但各塔的中段氣量的通入有一些限制，如通入的氣量過大，會帶走液相中的NH3，從而使得轉化率下降。所以對于中段氣的通入量來說，在保證塔指標的要求達到的情況下即可，而不是越大越好。
　　3、 出堿量控制：
　　對于各塔的出堿量來說，有一個大概的范圍。平時生產中由調度室給出一個出堿總量要求，然后操作工針對各塔工況根據經驗來確定各塔的具體的出堿量。在倒塔的時候，由于制堿塔減少一個，使得其他塔的出堿量必然要增加，但不可能完全補足減少塔的出堿量，從而影響后續工序，使得煅燒的下段氣量減少。在先進控制中，會在先進控制畫面中列出一格出堿量要求，這個量由調度室給出，然后對于各塔的出堿量多少分配由兩種方式：一是操作工手工分配，適合與倒塔初期，這個時段對于新的制堿塔（剛剛由清洗狀態轉為制堿）來說，其出堿應比較小，如20M3/H；二是自動分配，這個是正常生產時段，在給入總量要求以后，由控制系統自動分配單塔出堿量，分配原則是保證出堿總量為要求值，單塔出堿量在正常生產的允許范圍內。
　　4、 清洗氣控制：
　　對于清洗過程來說，出中和水溫度主要受影響因素為清洗氣量和冷卻海水閥值，相對而言，清洗氣涼影響較大，而且冷卻海水閥值操作并不多，所以該溫度的控制主要受清洗氣量的影響。而實際生產中清洗氣量的波動比較的大，對于清洗氣的供應來說，總量基本是一定的，在兩清洗塔的塔壓不一樣的情況下，進入兩清洗塔的氣量就不一致，這樣使得進氣量受塔壓影響比較的大，兩塔塔壓不一致的情況下就出現搶氣現象，一個塔的塔壓波動，會導致兩個塔的進氣量都發生波動，從而使得出中和水溫度出現波動，所以先進控制要求穩定塔壓，從而使得清洗氣進量穩定，這樣保證出中和水溫度的波動減小。對于出中和水溫度的控制來說，本身如果遇到倒塔，會先將冷卻水關閉，這樣使得出來的中和水溫度會上升10度左右，即自身的波動比較的大。
　　5、 進料中和水：
　　進料的中和水主要控制塔液面（通過塔壓來反應），在液位保證的情況下，使得生產正常， 出堿量的調節也能保證要求，同時塔壓的穩定后，使得下段氣的進氣量穩定和合理分配。
　　6、 總管壓力考慮：
　　通過工藝了解，由于氣和液的給量受上部工序的影響，所以對總管壓力的的影響不納入先進控制的考慮范圍，一旦出現總管壓力較高或較低的情況，由操作工聯系外部工序來進行調節。
　　7、 CV （Control Variables，被控變量）要求：
　　目前的控制思路，制堿過程來說，單塔的控制指標為中溫（17圈）、12圈溫度、塔壓和出堿溫度，其中12圈溫度為區域控制，即保證在一定的控制范圍之內即可；清洗過程來說，控制指標為出中和水溫度、塔壓和出中和水CO2濃度，其中CO2濃度為一小時化驗一次，所以不作CV納入HIECON控制器。
　　
　　四、結束語
　　 先進控制技術在我廠新線碳化塔裝置近一年來的應用已取得了良好的效果，主要表現在提高了操作平穩程度和碳化轉化率，實現了卡邊操作，增加了產量。事實表明，系統技術先進成熟，控制性能好，魯棒性強，適應性廣，軟件的工程化程度高。系統所建立的模型能較好地反映裝置的動態特性，符合裝置的實際情況，滿足現場的實際需要。