先进控制技术在海化纯碱厂新线碳化工段中的应用

摘要: 在海化纯碱厂新线碳化工段实施的先进控制和优化项目，简称先控，以新线碳化塔组为主要研究对象，通过实施先进控制技术，合理调整碳化塔圈温度，提高了碳化转化率；增强了装置的抗干扰能力和平稳操作；减少产品质量波动、实现卡边控制；搞好装置能量平衡、降低能耗；同时也降低了操作人员的劳动强度。本文主要介绍了先控技术、软硬件环境以及碳化塔控制方案等有关情况。
一、先进控制系统所采用的关键技术
本项目是采用浙江中控软件技术有限公司拥有的如下控制技术。它们是：
1、 PC-Adcon：
多变量鲁棒预测控制和局部优化技术，该技术将用于氨碱装置重要单元设备或设备组的多变量控制和局部优化。
2、 PC-PFC
单变量预测函数控制技术，该技术将用于氨碱装置中关键回路的控制水平的提高。
3、 APC-Sensor：
　　基于神经元网络和主元分析等方法的在线实时软测量技术，该技术将用于对氨碱装置产品的质量指标和工艺参数进行在线计算，并供多变量控制器使用。
该先进控制系统整体框架如下图所示。
　　
　　
二、先进控制系统的软硬件环境
1、硬件接口
根据新线DCS系统SIEMENS PCS 7，先进控制系统必须最大限度地利用现有硬件设备，既保证先进控制系统的先进性，又要考虑项目实施的经济性。该DCS系统中提供了标准的OPC接口,可以实现DCS系统与APC-Adcon等先控系列软件的数据交换。
实现先进控制系统后的硬件结构如下图所示
　　
　　
　　
　　先进控制系统硬件结构图
　　2、软件接口
　　支撑软件拟选择Windows 2000 Professional版操作系统。
　　APC-Adcon先进控制软件具有OPC接口，可与OPC服务器直接交换数据。OPC接口是与设备无关的标准软件接口，通过OPC服务器访问过程数据，可以克服各种网络结构和网络协议的差异，使得APC-Adcon先进控制软件具有广泛的适用性。在本项目中，OPC服务器担负先进控制软件与SIEMENS PCS7 之间数据交换的任务。基于OPC接口的数据交换结构如下图所示。
　　
　　
基于OPC接口的数据交换结构
　　APC-adcon高级多变量预测控制软件是浙江浙大中控软件有限公司开发的面向工业过程的多变量预测控制软件包。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。而且根据现场需求，控制装置必须与先进控制算法一一对应，组件化的框架恰好满足了这种需求，而且简化了编程，极大的增加了控制系统的稳定性。
　　 APC-adcon先进控制软件结构原理
　　三、碳化装置控制方案
　　采用多变量鲁棒预测控制技术实施如下的先进控制方案：
　　控制技术是多变量鲁棒预测控制及局部动态优化技术APC-Adcon
　　制碱过程中，被控变量CV、操纵变量MV和干扰变量DV，如下表
　　
　　
碳化工段生产先进控制变量表
1、下段气控制：
通过工艺了解，碳化工段有南、北两组12个碳化塔，目前对于生产的总的要求来说，下段气量不足，对于各塔的具体量的分配与该塔塔压与下段气总管压力的差值有关，当总管压力接近塔压的时候，该塔的下段气进量会下降；针对单个塔来说，其塔压与液面及塔顶气压有关，由于各个塔的塔压不一致，导致从总管进入各塔的气量也不一样，现为了使得下段气量能平均分配给十个制碱塔，需要保证各塔塔压尽量维持在同一值；而同时为了保证出碱量，又需要保证各塔的液位要求，所以对尾气压力有一定要求，平时生产中操作工在换班前为了使得本班的出碱量尽量大，会大量放出塔内的出碱液，在实际液位下降的情况下，为了保证塔压的要求，会将尾气压力调高，而造成该塔的液面下降，工况恶化。在工艺改造以后会对尾气的调节增加一台自调阀，可以用来控制尾气来保证塔压和塔液位的要求。这样在保证尾气压力的情况下将塔压稳定下来，同时也控稳了塔液位。
　　在倒塔过程中，由于出碱的影响，各塔的稳定情况不是很好，这段时间来说，先进控制的思路是尽量使得各塔的生产状态稳定下来，气量大幅度下降的情况下会导致温度波动较大，而由于出碱塔由十个减少为九个，出碱量减少，送去煅烧的碱量的减少导致了下段气总量的减少，在气量下降的情况下，下段气总管压力下降，这样在塔压波动不大的情况下导致各塔的进气量减少，从而使得塔的正常生产出现波动，在平时生产中为了保证下段气总管压力，在煅烧出来的炉气不足的情况下，会补充一部分窑气来保证总管压力，这样使得各塔能有进气，但是由于充入的窑气浓度比较的低，会使得进入塔的下段气浓度下降，对生产会有影响。
　　对于下段气的控制初步思路是各塔的塔压在接近的同一数值，这样与总管压力差值接近，使得下段气量合理分配。而保证尾气压力一定，这样塔压稳定的情况下液位也稳定下来，使得塔的生产稳定。生产中各塔下段气的分配根据出碱量来按比例分配。
　　2、 中段气控制：
　　目前的生产中，中段气量的供应是充足的，即能保证生产，但各塔的中段气量的通入有一些限制，如通入的气量过大，会带走液相中的NH3，从而使得转化率下降。所以对于中段气的通入量来说，在保证塔指标的要求达到的情况下即可，而不是越大越好。
　　3、 出碱量控制：
　　对于各塔的出碱量来说，有一个大概的范围。平时生产中由调度室给出一个出碱总量要求，然后操作工针对各塔工况根据经验来确定各塔的具体的出碱量。在倒塔的时候，由于制碱塔减少一个，使得其他塔的出碱量必然要增加，但不可能完全补足减少塔的出碱量，从而影响后续工序，使得煅烧的下段气量减少。在先进控制中，会在先进控制画面中列出一格出碱量要求，这个量由调度室给出，然后对于各塔的出碱量多少分配由两种方式：一是操作工手工分配，适合与倒塔初期，这个时段对于新的制碱塔（刚刚由清洗状态转为制碱）来说，其出碱应比较小，如20M3/H；二是自动分配，这个是正常生产时段，在给入总量要求以后，由控制系统自动分配单塔出碱量，分配原则是保证出碱总量为要求值，单塔出碱量在正常生产的允许范围内。
　　4、 清洗气控制：
　　对于清洗过程来说，出中和水温度主要受影响因素为清洗气量和冷却海水阀值，相对而言，清洗气凉影响较大，而且冷却海水阀值操作并不多，所以该温度的控制主要受清洗气量的影响。而实际生产中清洗气量的波动比较的大，对于清洗气的供应来说，总量基本是一定的，在两清洗塔的塔压不一样的情况下，进入两清洗塔的气量就不一致，这样使得进气量受塔压影响比较的大，两塔塔压不一致的情况下就出现抢气现象，一个塔的塔压波动，会导致两个塔的进气量都发生波动，从而使得出中和水温度出现波动，所以先进控制要求稳定塔压，从而使得清洗气进量稳定，这样保证出中和水温度的波动减小。对于出中和水温度的控制来说，本身如果遇到倒塔，会先将冷却水关闭，这样使得出来的中和水温度会上升10度左右，即自身的波动比较的大。
　　5、 进料中和水：
　　进料的中和水主要控制塔液面（通过塔压来反应），在液位保证的情况下，使得生产正常， 出碱量的调节也能保证要求，同时塔压的稳定后，使得下段气的进气量稳定和合理分配。
　　6、 总管压力考虑：
　　通过工艺了解，由于气和液的给量受上部工序的影响，所以对总管压力的的影响不纳入先进控制的考虑范围，一旦出现总管压力较高或较低的情况，由操作工联系外部工序来进行调节。
　　7、 CV （Control Variables，被控变量）要求：
　　目前的控制思路，制碱过程来说，单塔的控制指标为中温（17圈）、12圈温度、塔压和出碱温度，其中12圈温度为区域控制，即保证在一定的控制范围之内即可；清洗过程来说，控制指标为出中和水温度、塔压和出中和水CO2浓度，其中CO2浓度为一小时化验一次，所以不作CV纳入HIECON控制器。
　　
　　四、结束语
　　 先进控制技术在我厂新线碳化塔装置近一年来的应用已取得了良好的效果，主要表现在提高了操作平稳程度和碳化转化率，实现了卡边操作，增加了产量。事实表明，系统技术先进成熟，控制性能好，鲁棒性强，适应性广，软件的工程化程度高。系统所建立的模型能较好地反映装置的动态特性，符合装置的实际情况，满足现场的实际需要。