純堿生產(chǎn)過(guò)程先進(jìn)控制

粗鹽用水溶解后除去其中的泥沙、鈣、鎂等雜質(zhì)制成精鹽水，精鹽水在吸氨塔中吸收氨氣制得一定濃度的氨鹽水，氨鹽水進(jìn)入碳化塔與煅燒濕重堿和石灰石產(chǎn)生的CO₂氣進(jìn)行碳酸化反應(yīng)，反應(yīng)生成的NaHCO₃懸浮濁液經(jīng)過(guò)濾、洗滌后，將固體和液體分離，然后將過(guò)濾得到的NaHCO₃結(jié)晶在煅燒爐內(nèi)煅燒獲得純堿產(chǎn)品和高濃度的CO₂氣，CO₂氣經(jīng)過(guò)冷卻、壓縮后送至碳化塔。經(jīng)過(guò)濾得到的濾過(guò)母液進(jìn)入母液蒸餾塔進(jìn)行蒸餾，并與石灰石煅燒、化灰得到的石灰乳反應(yīng)蒸出其中的氨氣，氨氣繼續(xù)在系統(tǒng)中循環(huán)使用。

需求分析

純堿生產(chǎn)過(guò)程工藝流程長(zhǎng)，連續(xù)性強(qiáng)，前后工序相互牽制，且有氣、液、固三相物質(zhì)存在，生產(chǎn)裝置中的干擾因素多，部分裝置如石灰窯、煅燒爐等存在較大的時(shí)滯，各裝置關(guān)鍵工藝參數(shù)存在較強(qiáng)的相互關(guān)聯(lián)和耦合特性，是典型的連續(xù)過(guò)程和間歇過(guò)程混合的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程。常規(guī)控制不能很好地解決裝置內(nèi)部和裝置之間各相關(guān)變量的協(xié)調(diào)控制，在很大程度上依賴(lài)于操作人員的操作水平，嚴(yán)重影響了裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，從而影響了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

石灰窯作為純堿生產(chǎn)的龍頭，是生產(chǎn)二氧化碳和生石灰的重要裝置，屬于批量工作的間歇操作設(shè)備。其出灰、上料系統(tǒng)均由人工控制獨(dú)立運(yùn)行，送風(fēng)量、配焦比調(diào)節(jié)不及時(shí)且具有較大的時(shí)滯，各石灰窯的運(yùn)行工況不平衡，導(dǎo)致窯底、窯頂溫度波動(dòng)較大，經(jīng)常造成石灰石的生燒或過(guò)燒，影響了石灰石的有效分解率。

氨鹽水碳酸化過(guò)程是純堿生產(chǎn)的核心，前后各類(lèi)物料（CO₂氣、精鹽水、氨鹽水、母液、洗水）流量及濃度等指標(biāo)的波動(dòng)或切塔操作等干擾事件均對(duì)碳化塔的運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。碳化塔具有“清洗”和“制堿”兩種運(yùn)行狀態(tài)，在制堿過(guò)程中各碳化塔所處的制堿階段不同，因此各碳化塔的生產(chǎn)能力及運(yùn)行工況亦不同。各塔運(yùn)行負(fù)荷及工況的調(diào)整均靠人工調(diào)節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)定值或閥開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，存在調(diào)節(jié)不及時(shí)或調(diào)節(jié)幅度不適當(dāng)?shù)葐?wèn)題，各關(guān)鍵工藝指標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)較好的約束控制，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量得不到保證，且勞動(dòng)強(qiáng)度大。

母液蒸餾塔蒸餾過(guò)程的傳質(zhì)、傳熱流程比較長(zhǎng)，中部溫度的控制具有較大滯后，且受到蒸汽壓力、母液濃度及流量波動(dòng)等干擾因素的影響，常規(guī)控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)蒸餾過(guò)程關(guān)鍵變量的約束控制，消耗大，蒸餾效果較差。

煅燒爐位于整個(gè)生產(chǎn)裝置的末端，主要處理固體物料，具有爐體長(zhǎng)、大滯后、干擾因素多等特點(diǎn)，對(duì)控制及測(cè)量手段要求較高，其關(guān)鍵工藝指標(biāo)的控制和各爐負(fù)荷的分配均由人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量不高，且增加了消耗。

綜上，以碳化生產(chǎn)為中心協(xié)調(diào)控制好純堿生產(chǎn)過(guò)程前后的物料平衡和能量平衡，合理分配各單元裝置的運(yùn)行負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量最大化，品質(zhì)最優(yōu)化是純堿生產(chǎn)裝置操作及控制的目標(biāo)。

先進(jìn)控制方案

應(yīng)用多變量預(yù)測(cè)控制手段，建立碳化塔、母液蒸餾塔的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型；設(shè)計(jì)了以碳化出堿總量為優(yōu)化目標(biāo)的APC-Adcon控制器及母液蒸餾塔中部溫度的APC-Adcon控制器；根據(jù)裝置特點(diǎn)并總結(jié)操作經(jīng)驗(yàn)，采用智能控制手段建立石灰窯、煅燒爐裝置的自定義控制器；為各并聯(lián)運(yùn)行的裝置設(shè)計(jì)了負(fù)荷優(yōu)化分配與工況平衡的控制；針對(duì)石灰窯出灰、上料系統(tǒng)及煅燒爐電動(dòng)刮刀等電氣設(shè)備的特點(diǎn)和運(yùn)行邏輯，研究開(kāi)發(fā)了適合裝置工藝特點(diǎn)的智能控制系統(tǒng)；應(yīng)用專(zhuān)家控制、均勻控制等手段建立了以碳化生產(chǎn)為中心的整體物料平衡即出堿總量與母液蒸量平衡、精鹽水量與氨鹽水量平衡、氣量平衡、洗水平衡，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)相關(guān)裝置關(guān)鍵工藝指標(biāo)的約束控制；結(jié)合DCS系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了便捷的操作界面，編寫(xiě)了安全、可靠的切換邏輯。

應(yīng)用效果

APC-Adcon先進(jìn)控制軟件在純堿裝置上實(shí)施應(yīng)用后系統(tǒng)運(yùn)行良好，能正確執(zhí)行系統(tǒng)功能，較大程度的提高了裝置綜合自動(dòng)化水平，穩(wěn)定生產(chǎn)工況，提高了主要工藝參數(shù)的平穩(wěn)度，降低了消耗。系統(tǒng)能夠根據(jù)并聯(lián)生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)進(jìn)行生產(chǎn)負(fù)荷與運(yùn)行工況的優(yōu)化調(diào)整，加強(qiáng)了前后裝置的協(xié)調(diào)控制，減小了生產(chǎn)波動(dòng)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為企業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該項(xiàng)成果是先進(jìn)控制軟件在國(guó)內(nèi)純堿行業(yè)中的首次成功應(yīng)用，引起了行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，達(dá)到了國(guó)內(nèi)同行業(yè)的先進(jìn)水平。

下圖為純堿生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)前后部分裝置的控制效果。

效益分析

純堿生產(chǎn)過(guò)程先進(jìn)控制項(xiàng)目的實(shí)施，進(jìn)一步提高了裝置的自動(dòng)化水平，較大程度的降低了干擾，穩(wěn)定了裝置關(guān)鍵工藝指標(biāo)，提高了產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，降低了消耗，統(tǒng)一了操作，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。碳化轉(zhuǎn)化率在原有基礎(chǔ)上提高0.5%， 110萬(wàn)噸單套純堿裝置就可為企業(yè)帶來(lái)815萬(wàn)元/年的直接經(jīng)濟(jì)效益。

純堿生產(chǎn)過(guò)程先進(jìn)控制的成功應(yīng)用不僅對(duì)國(guó)內(nèi)的同行業(yè)具有良好的示范作用，可以直接進(jìn)行項(xiàng)目成果的推廣，而且本項(xiàng)目所研究開(kāi)發(fā)的純堿生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制策略具有較高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的前景，可以為純堿生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)一步提高裝置的整體控制水平，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。