純堿生產(chǎn)過程先進控制

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，氨鹽水進入碳化塔與煅燒濕重堿和石灰石產(chǎn)生的CO₂氣進行碳酸化反應(yīng)，反應(yīng)生成的NaHCO₃懸浮濁液經(jīng)過濾、洗滌后，將固體和液體分離，然后將過濾得到的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)過冷卻、壓縮后送至碳化塔。經(jīng)過濾得到的濾過母液進入母液蒸餾塔進行蒸餾，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)過程工藝流程長，連續(xù)性強，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滯，各裝置關(guān)鍵工藝參數(shù)存在較強的相互關(guān)聯(lián)和耦合特性，是典型的連續(xù)過程和間歇過程混合的復(fù)雜工業(yè)過程。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，在很大程度上依賴于操作人員的操作水平，嚴重影響了裝置的平穩(wěn)運行，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)均由人工控制獨立運行，送風(fēng)量、配焦比調(diào)節(jié)不及時且具有較大的時滯，各石灰窯的運行工況不平衡，導(dǎo)致窯底、窯頂溫度波動較大，經(jīng)常造成石灰石的生燒或過燒，影響了石灰石的有效分解率。

氨鹽水碳酸化過程是純堿生產(chǎn)的核心，前后各類物料（CO₂氣、精鹽水、氨鹽水、母液、洗水）流量及濃度等指標的波動或切塔操作等干擾事件均對碳化塔的運行產(chǎn)生較大影響。碳化塔具有“清洗”和“制堿”兩種運行狀態(tài)，在制堿過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)能力及運行工況亦不同。各塔運行負荷及工況的調(diào)整均靠人工調(diào)節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)定值或閥開度來實現(xiàn)，存在調(diào)節(jié)不及時或調(diào)節(jié)幅度不適當(dāng)?shù)葐栴}，各關(guān)鍵工藝指標難以實現(xiàn)較好的約束控制，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量得不到保證，且勞動強度大。

母液蒸餾塔蒸餾過程的傳質(zhì)、傳熱流程比較長，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等干擾因素的影響，常規(guī)控制無法實現(xiàn)蒸餾過程關(guān)鍵變量的約束控制，消耗大，蒸餾效果較差。

煅燒爐位于整個生產(chǎn)裝置的末端，主要處理固體物料，具有爐體長、大滯后、干擾因素多等特點，對控制及測量手段要求較高，其關(guān)鍵工藝指標的控制和各爐負荷的分配均由人工操作，勞動強度大，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)過程前后的物料平衡和能量平衡，合理分配各單元裝置的運行負荷，實現(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。

先進控制方案

應(yīng)用多變量預(yù)測控制手段，建立碳化塔、母液蒸餾塔的動態(tài)數(shù)學(xué)模型；設(shè)計了以碳化出堿總量為優(yōu)化目標的APC-Adcon控制器及母液蒸餾塔中部溫度的APC-Adcon控制器；根據(jù)裝置特點并總結(jié)操作經(jīng)驗，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)運行的裝置設(shè)計了負荷優(yōu)化分配與工況平衡的控制；針對石灰窯出灰、上料系統(tǒng)及煅燒爐電動刮刀等電氣設(shè)備的特點和運行邏輯，研究開發(fā)了適合裝置工藝特點的智能控制系統(tǒng)；應(yīng)用專家控制、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，并實現(xiàn)了對相關(guān)裝置關(guān)鍵工藝指標的約束控制；結(jié)合DCS系統(tǒng)的特點，設(shè)計了便捷的操作界面，編寫了安全、可靠的切換邏輯。

應(yīng)用效果

APC-Adcon先進控制軟件在純堿裝置上實施應(yīng)用后系統(tǒng)運行良好，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)裝置的特點進行生產(chǎn)負荷與運行工況的優(yōu)化調(diào)整，加強了前后裝置的協(xié)調(diào)控制，減小了生產(chǎn)波動，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，降低了操作人員的勞動強度，為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。該項成果是先進控制軟件在國內(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，達到了國內(nèi)同行業(yè)的先進水平。

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

效益分析

純堿生產(chǎn)過程先進控制項目的實施，進一步提高了裝置的自動化水平，較大程度的降低了干擾，穩(wěn)定了裝置關(guān)鍵工藝指標，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強度。碳化轉(zhuǎn)化率在原有基礎(chǔ)上提高0.5%， 110萬噸單套純堿裝置就可為企業(yè)帶來815萬元/年的直接經(jīng)濟效益。

純堿生產(chǎn)過程先進控制的成功應(yīng)用不僅對國內(nèi)的同行業(yè)具有良好的示范作用，可以直接進行項目成果的推廣，而且本項目所研究開發(fā)的純堿生產(chǎn)裝置先進控制策略具有較高的應(yīng)用價值和廣闊的前景，可以為純堿生產(chǎn)企業(yè)進一步提高裝置的整體控制水平，降低成本，提高經(jīng)濟效益。