先進(jìn)控制技術(shù)在海化純堿廠新線碳化工段中的應(yīng)用

摘要: 在海化純堿廠新線碳化工段實(shí)施的先進(jìn)控制和優(yōu)化項(xiàng)目，簡稱先控，以新線碳化塔組為主要研究對象，通過實(shí)施先進(jìn)控制技術(shù)，合理調(diào)整碳化塔圈溫度，提高了碳化轉(zhuǎn)化率；增強(qiáng)了裝置的抗干擾能力和平穩(wěn)操作；減少產(chǎn)品質(zhì)量波動、實(shí)現(xiàn)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(qiáng)度。本文主要介紹了先控技術(shù)、軟硬件環(huán)境以及碳化塔控制方案等有關(guān)情況。
一、先進(jìn)控制系統(tǒng)所采用的關(guān)鍵技術(shù)
本項(xiàng)目是采用浙江中控軟件技術(shù)有限公司擁有的如下控制技術(shù)。它們是：
1、 PC-Adcon：
多變量魯棒預(yù)測控制和局部優(yōu)化技術(shù)，該技術(shù)將用于氨堿裝置重要單元設(shè)備或設(shè)備組的多變量控制和局部優(yōu)化。
2、 PC-PFC
單變量預(yù)測函數(shù)控制技術(shù)，該技術(shù)將用于氨堿裝置中關(guān)鍵回路的控制水平的提高。
3、 APC-Sensor：
　　基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和主元分析等方法的在線實(shí)時軟測量技術(shù)，該技術(shù)將用于對氨堿裝置產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)和工藝參數(shù)進(jìn)行在線計算，并供多變量控制器使用。
該先進(jìn)控制系統(tǒng)整體框架如下圖所示。
　　
　　
二、先進(jìn)控制系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境
1、硬件接口
根據(jù)新線DCS系統(tǒng)SIEMENS PCS 7，先進(jìn)控制系統(tǒng)必須最大限度地利用現(xiàn)有硬件設(shè)備，既保證先進(jìn)控制系統(tǒng)的先進(jìn)性，又要考慮項(xiàng)目實(shí)施的經(jīng)濟(jì)性。該DCS系統(tǒng)中提供了標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口,可以實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)與APC-Adcon等先控系列軟件的數(shù)據(jù)交換。
實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制系統(tǒng)后的硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示
　　
　　
　　
　　先進(jìn)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
　　2、軟件接口
　　支撐軟件擬選擇Windows 2000 Professional版操作系統(tǒng)。
　　APC-Adcon先進(jìn)控制軟件具有OPC接口，可與OPC服務(wù)器直接交換數(shù)據(jù)。OPC接口是與設(shè)備無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，通過OPC服務(wù)器訪問過程數(shù)據(jù)，可以克服各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的差異，使得APC-Adcon先進(jìn)控制軟件具有廣泛的適用性。在本項(xiàng)目中，OPC服務(wù)器擔(dān)負(fù)先進(jìn)控制軟件與SIEMENS PCS7 之間數(shù)據(jù)交換的任務(wù)。基于OPC接口的數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)如下圖所示。
　　
　　
基于OPC接口的數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)
　　APC-adcon高級多變量預(yù)測控制軟件是浙江浙大中控軟件有限公司開發(fā)的面向工業(yè)過程的多變量預(yù)測控制軟件包。先進(jìn)控制器的每一個功能模塊作為控制器的標(biāo)準(zhǔn)件，分別包裝不同的先進(jìn)控制算法和功能，且與程序設(shè)計語言無關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)即插即用。而且根據(jù)現(xiàn)場需求，控制裝置必須與先進(jìn)控制算法一一對應(yīng)，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(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　 APC-adcon先進(jìn)控制軟件結(jié)構(gòu)原理
　　三、碳化裝置控制方案
　　采用多變量魯棒預(yù)測控制技術(shù)實(shí)施如下的先進(jìn)控制方案：
　　控制技術(shù)是多變量魯棒預(yù)測控制及局部動態(tài)優(yōu)化技術(shù)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(chǎn)先進(jìn)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(chǎn)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(guān)，當(dāng)總管壓力接近塔壓的時候，該塔的下段氣進(jìn)量會下降；針對單個塔來說，其塔壓與液面及塔頂氣壓有關(guān)，由于各個塔的塔壓不一致，導(dǎo)致從總管進(jìn)入各塔的氣量也不一樣，現(xiàn)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(chǎn)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(nèi)的出堿液，在實(shí)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(diào)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(diào)節(jié)增加一臺自調(diào)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(wěn)定下來，同時也控穩(wěn)了塔液位。
　　在倒塔過程中，由于出堿的影響，各塔的穩(wěn)定情況不是很好，這段時間來說，先進(jìn)控制的思路是盡量使得各塔的生產(chǎn)狀態(tài)穩(wěn)定下來，氣量大幅度下降的情況下會導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致各塔的進(jìn)氣量減少，從而使得塔的正常生產(chǎn)出現(xiàn)波動，在平時生產(chǎn)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(bǔ)充一部分窯氣來保證總管壓力，這樣使得各塔能有進(jìn)氣，但是由于充入的窯氣濃度比較的低，會使得進(jìn)入塔的下段氣濃度下降，對生產(chǎn)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(shù)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(wěn)定的情況下液位也穩(wěn)定下來，使得塔的生產(chǎn)穩(wěn)定。生產(chǎn)中各塔下段氣的分配根據(jù)出堿量來按比例分配。
　　2、 中段氣控制：
　　目前的生產(chǎn)中，中段氣量的供應(yīng)是充足的，即能保證生產(chǎn)，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(zhuǎn)化率下降。所以對于中段氣的通入量來說，在保證塔指標(biāo)的要求達(dá)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(chǎn)中由調(diào)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(jù)經(jīng)驗(yàn)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(bǔ)足減少塔的出堿量，從而影響后續(xù)工序，使得煅燒的下段氣量減少。在先進(jìn)控制中，會在先進(jìn)控制畫面中列出一格出堿量要求，這個量由調(diào)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(tài)轉(zhuǎn)為制堿）來說，其出堿應(yīng)比較小，如20M3/H；二是自動分配，這個是正常生產(chǎn)時段，在給入總量要求以后，由控制系統(tǒng)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(chǎn)的允許范圍內(nèi)。
　　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(shí)際生產(chǎn)中清洗氣量的波動比較的大，對于清洗氣的供應(yīng)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(jìn)入兩清洗塔的氣量就不一致，這樣使得進(jìn)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(xiàn)搶氣現(xiàn)象，一個塔的塔壓波動，會導(dǎo)致兩個塔的進(jìn)氣量都發(fā)生波動，從而使得出中和水溫度出現(xiàn)波動，所以先進(jìn)控制要求穩(wěn)定塔壓，從而使得清洗氣進(jìn)量穩(wěn)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(guān)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(jìn)料中和水：
　　進(jìn)料的中和水主要控制塔液面（通過塔壓來反應(yīng)），在液位保證的情況下，使得生產(chǎn)正常， 出堿量的調(diào)節(jié)也能保證要求，同時塔壓的穩(wěn)定后，使得下段氣的進(jìn)氣量穩(wěn)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(jìn)控制的考慮范圍，一旦出現(xiàn)總管壓力較高或較低的情況，由操作工聯(lián)系外部工序來進(jìn)行調(diào)節(jié)。
　　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(biāo)為中溫（17圈）、12圈溫度、塔壓和出堿溫度，其中12圈溫度為區(qū)域控制，即保證在一定的控制范圍之內(nèi)即可；清洗過程來說，控制指標(biāo)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(yàn)一次，所以不作CV納入HIECON控制器。
　　
　　四、結(jié)束語
　　 先進(jìn)控制技術(shù)在我廠新線碳化塔裝置近一年來的應(yīng)用已取得了良好的效果，主要表現(xiàn)在提高了操作平穩(wěn)程度和碳化轉(zhuǎn)化率，實(shí)現(xiàn)了卡邊操作，增加了產(chǎn)量。事實(shí)表明，系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)成熟，控制性能好，魯棒性強(qiáng)，適應(yīng)性廣，軟件的工程化程度高。系統(tǒng)所建立的模型能較好地反映裝置的動態(tài)特性，符合裝置的實(shí)際情況，滿足現(xiàn)場的實(shí)際需要。