鄭積林，周天明，孫向陽

（1.浙江巨化股份有限公司，324000；2.浙江中巨智能科技有限公司：浙江 衢州 324000）

某企業(yè)離子膜燒堿裝置生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到460 kt/a，包含4套裝置（4期建設(shè)），其主要流程包括一次鹽水工序、二次鹽水工序、電解工序、氫處理工序和氯處理工序，產(chǎn)品為燒堿以及副產(chǎn)品氯氣、氫氣等。裝置采用橫河CENTUM VP控制系統(tǒng)。

離子膜燒堿裝置具有大滯后、非線性和多變量相互耦合的特性，并且部分儀表閥門存在死區(qū)和選型不當(dāng)?shù)那闆r，操作人員需要不斷操作以維持生產(chǎn)裝置相對(duì)穩(wěn)定，很難進(jìn)行精細(xì)控制。為了進(jìn)一步提高離子膜燒堿裝置的自動(dòng)化水平，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，降低裝置能耗物耗，實(shí)現(xiàn)挖潛增效，該企業(yè)引進(jìn)零手動(dòng)操作技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行基礎(chǔ)自動(dòng)化升級(jí)，采用精良裝備，開發(fā)離子膜燒堿裝置零手動(dòng)操作系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)裝置的DCS 零手動(dòng)操作控制和精細(xì)化控制，通過“卡邊”優(yōu)化，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 工藝流程

以三期為例，工藝流程如圖1所示。

圖1 離子膜燒堿工藝流程Fig 1 Process flow of ionic membrane caustic soda

精制鹽水通過主管線，被送到每個(gè)電解槽的陽極入口總管，經(jīng)調(diào)節(jié)控制后流入各單元槽。電解后的氯氣和淡鹽水混合物氣液分離后，淡鹽水進(jìn)入到陽極液循環(huán)槽，氯氣被收集進(jìn)入氯氣總管，氯氣中的水經(jīng)管道流入液相進(jìn)口管。同時(shí)，淡鹽水經(jīng)過泵送到脫氯塔脫氯。

陰極液通過燒堿高位槽，由陰極液總管送到電解槽的入口總管，調(diào)節(jié)好流量后流入到各單元槽。陰極液和氫氣混合物通過電解槽陰極出口軟管流出，進(jìn)行氣液分離后，氫氣被收集進(jìn)入氫氣總管并送至陰極液循環(huán)槽頂部，氫氣壓力通過調(diào)節(jié)控制并送至氫處理系統(tǒng)。同時(shí)，陰極液大部分通過返回電槽，一部分陰極液作為產(chǎn)品送到四崗位32%堿槽。

2 零手動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)與操作

離子膜燒堿裝置采用智能模型預(yù)測(cè)控制軟件包Cyb-iMPC 10.0，經(jīng)過階躍測(cè)試過程，通過OPC數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)采集軟件獲取階躍測(cè)試數(shù)據(jù)；利用模型辨識(shí)軟件，辨識(shí)階躍測(cè)試數(shù)據(jù)，將裝置的關(guān)鍵操作變量、被控變量和擾動(dòng)變量的模型建立；然后進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，并根據(jù)工藝規(guī)則和控制要求進(jìn)行腳本編程；最后建立人機(jī)交互界面，即先進(jìn)控制技術(shù)（Advance process control，APC）控制器操作畫面，實(shí)現(xiàn)離子膜裝置先進(jìn)控制。零手動(dòng)操作技術(shù)主要分為模型預(yù)測(cè)控制（MPC）和智能專家控制[1]。其中的MPC控制算法包含3大特征，即預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正[2]。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

離子膜燒堿裝置建立了3 個(gè)APC 先進(jìn)控制器（包括電解槽溫度控制器、電解槽質(zhì)量控制器和電解槽負(fù)荷調(diào)節(jié)控制器）、1 個(gè)智能專家控制器（包括樹脂塔控制器）和軟儀表測(cè)量系統(tǒng)。離子膜燒堿零手動(dòng)操作控制系統(tǒng)具有克服強(qiáng)耦合、非線性、大滯后等不良因素的能力，達(dá)到對(duì)裝置中各部分工藝參數(shù)的平穩(wěn)控制，提高裝置自動(dòng)化水平，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、降低裝置能耗和物耗。其操作控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 零手動(dòng)操作控制系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig 2 Unmanned operating system structure diagram of plant

2.2 操作方法

通過MPC 模型預(yù)測(cè)控制軟件，采用測(cè)試建模進(jìn)行一對(duì)多、多對(duì)一、多對(duì)多的控制功能實(shí)現(xiàn)零手動(dòng)操作技術(shù)。項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，對(duì)全流程按照裝置分割成多個(gè)自控模塊，形成多個(gè)含有操作變量MV、被控變量CV、擾動(dòng)變量DV 的子控制器，通過不斷優(yōu)化控制器參數(shù)去實(shí)現(xiàn)控制器的解耦控制[3]。

針對(duì)特殊工況和異常工況，通常引入智能專家控制技術(shù)即對(duì)操作人員的處理工況方式歸納總結(jié)，結(jié)合裝置長(zhǎng)期以來累計(jì)的數(shù)據(jù)分析、化工原理，由項(xiàng)目實(shí)施工程師將條件、方式等進(jìn)行整合、程序編寫、形成針對(duì)特殊工況的智能專家控制器，實(shí)現(xiàn)一鍵開停車、故障自動(dòng)處理、控制器參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)等功能。

對(duì)于環(huán)境惡劣、手段受限的工況，通常使用軟測(cè)量技術(shù)作為零手動(dòng)操作的輔助手段，該技術(shù)的核心是建立工業(yè)對(duì)象精確可靠的模型，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)優(yōu)化控制[4]。

2.2.1 樹脂塔控制器

樹脂塔控制器包括二期、三期和四期樹脂塔，根據(jù)離子交換樹脂塔生產(chǎn)需求，擬樹脂塔控制器設(shè)計(jì)變量如表1。

表1 樹脂塔控制器設(shè)計(jì)變量Tab 1 Resin tower controller design variable

2.2.2 電解槽質(zhì)量控制器

電解槽質(zhì)量控制器包括一期～四期堿液含量?jī)?yōu)化控制?？刂撇呗詾椋ㄒ匀跒槔罕豢刈兞緾V，出口堿液密度3DRCA-274；操縱變量MV，高純水流量3FICA-221。

2.2.3 電解槽溫度控制器

電解槽溫度控制器包括二期電解槽A 槽至G槽、三期電解槽A槽至F槽、四期電解槽A槽至F槽。

對(duì)于電解槽溫度控制，由于多個(gè)被控變量之間、以及被控變量與操作變量之間存在著相互耦合，因此考慮采用多變量模型預(yù)測(cè)控制，以循環(huán)堿液溫度設(shè)定量為操縱變量，以電解槽槽溫為被控變量，以電解槽電流量為干擾變量，建立多變量模型預(yù)測(cè)控制，在調(diào)節(jié)過程中，保證最高槽溫不超過設(shè)定上限，最低槽溫不低于設(shè)定下限。溫度模型控制矩陣（以三期為例）見表2。

表2 溫度模型控制矩陣Tab 2 Temperature model control matrix

2.2.4 電解槽負(fù)荷調(diào)節(jié)控制器

電解槽負(fù)荷調(diào)節(jié)控制器包括一期～四期電解槽負(fù)荷調(diào)節(jié)操作，根據(jù)電解槽工藝特點(diǎn)和過程控制需求，建立先進(jìn)控制器，包括降負(fù)荷操作優(yōu)化調(diào)節(jié)和升負(fù)荷操作優(yōu)化調(diào)節(jié)（以三期A 槽為例），負(fù)荷調(diào)節(jié)前解除零點(diǎn)電位差的聯(lián)鎖。

降負(fù)荷優(yōu)化操作：

1）根據(jù)最終目標(biāo)電流按比例降低鹽酸量3FICA-211A；

2）降電流3IIZA-230A（電流操作由電工根據(jù)電流單步目標(biāo)量完成）；

3）根據(jù)單次目標(biāo)電流按比例降低高純水量3FICA-221；

4）根據(jù)單次目標(biāo)電流按比例降低鹽水量3FICZA-231A；

5）交替進(jìn)行步驟1～步驟4 至目標(biāo)電流；

6）完畢后恢復(fù)零點(diǎn)電位差3ED12A-230A的聯(lián)鎖。

升負(fù)荷優(yōu)化操作：

1）根據(jù)單次目標(biāo)電流按比例提高鹽水量3FICZA-231A；

2）根據(jù)單次目標(biāo)電流按比例提高高純水量3FICA-221；

3）升電流3IIZA-230A（電流操作由電工根據(jù)電流單步目標(biāo)量完成）；

4）根據(jù)單次目標(biāo)電流按比例提高鹽酸量3FICA-211A；

5）交替進(jìn)行步驟1～步驟4至目標(biāo)電流；

6）完畢后恢復(fù)零點(diǎn)電位差3ED12A-230A 的聯(lián)鎖。

3 應(yīng)用效果

3.1 DCS自控率

零手動(dòng)改造前，部分調(diào)節(jié)閥、執(zhí)行器和檢測(cè)儀表使用年限較長(zhǎng)，運(yùn)行已不正常；同時(shí)，部分控制回路PID參數(shù)設(shè)置不合理，導(dǎo)致大部分控制回路不能打自動(dòng)，裝置自動(dòng)化水平較低。

在改造過程中，通過對(duì)裝置基礎(chǔ)控制回路進(jìn)行PID參數(shù)的整定，裝置的自動(dòng)化程度有了較大幅度的提升。目前，剔除掉一些因工藝原因不需要投自動(dòng)的回路，離子膜燒堿裝置的自動(dòng)化程度已經(jīng)達(dá)到90%以上。

改造前，離子膜燒堿裝置主流程3天內(nèi)DCS操作人員操作158次，改造后實(shí)際操作0次，大大地降低了操作次數(shù)，同時(shí)也降低了人為誤操作的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)的關(guān)鍵控制指標(biāo)平穩(wěn)性得到大幅改善，自動(dòng)化程度得以大幅提升。

3.2 堿液含量?jī)?yōu)化

零手動(dòng)操作系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)施后，選取投運(yùn)前后3天堿液NaOH 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制效果對(duì)比，見表3。

表3 零手動(dòng)改造前后堿液含量Tab 3 Alkali content before and after zero manual transformation

由表3 可知，零手動(dòng)改造后電解槽出口NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)方差分別降低了81.73%和68.52%。

與改造前相比，一期～四期堿液NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低0.29%、0.32%、0.38%、0.02%，平均降低0.26%。質(zhì)量卡邊操作，可有效降低液堿產(chǎn)品銷售過程中的折百燒堿損失。堿液濃度通過卡邊優(yōu)化，每年降低損失260.3萬元。

3.3 電解槽溫度控制優(yōu)化

零手動(dòng)操作系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)施前后，二期電解A槽的溫度變化見表4。

表4 零手動(dòng)改造前后的二期電解A槽溫度Tab 4 Temperature of phase II electrolytic A cell before and after zero manual transformation

由表4可知，零手動(dòng)改造后二期電解槽溫度控制器實(shí)現(xiàn)槽溫的穩(wěn)定控制，在保證生產(chǎn)安全的約束內(nèi)，提高了電解槽電流效率。

3.4 樹脂塔控制優(yōu)化

樹脂塔再生過程包括9 個(gè)步驟，即水洗I、反洗、HCl 再生、水洗II、NaOH 再生、水洗III、等待I、鹽水充填和等待II。其中，水洗I 至水洗III步驟將消耗水、HCl和液堿，并產(chǎn)生廢水，必須進(jìn)行處理，以保護(hù)環(huán)境。所以再生次數(shù)越少，水、酸和堿消耗量越少，廢水處理量越少。表5為三期樹脂塔再生過程物料流量。

表5 三期樹脂塔再生過程物料流量Tab 5 Phase III resin tower regeneration process material flow

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，零手動(dòng)改造前，三期樹脂塔2017年月平均再生34.2 次；改造后的2018 年9 月和10月，三期樹脂塔各再生31次，即每月減少再生約4次。因此每月可分別減少純水、鹽酸、液堿消耗690、12、10.52 m3。每年物料節(jié)約費(fèi)用約17.35萬。

4 結(jié)束語

通過零手動(dòng)改造，實(shí)現(xiàn)了離子膜燒堿裝置3天操作從158次降低到0次；堿液含量、槽溫等關(guān)鍵控制指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)方差降低了40.0%以上；液堿NaOH 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均降低0.26%，每月可分別減少純水、鹽酸、液堿消耗690、12、10.52 m3，每年可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益約為277.65萬元。

零手動(dòng)控制系統(tǒng)項(xiàng)目改造工程，使裝置自動(dòng)化程度產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，一定程度上實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置全流程、全過程的DCS 零手動(dòng)操作。生產(chǎn)過程中不需要人工參與調(diào)節(jié)，操作人員變?yōu)楸O(jiān)盤人員，且實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。