先进控制及优化在海化纯碱生产工艺中的应用

摘要：本文介绍了基于模型预测控制算法的新一代先进控制的实现原理、基本框架和特点以及山东海化股份有限公司纯碱厂实施先进控制项目及优化项目取得的效果。
　　关键词：先进控制，模型预测控制，纯碱
　　1    引言
　　先进控制是现代大工业生产过程中最重要的技术之一。采用先进控制，可以解决常规控制中不能解决的各种难题，以满足人们对生产过程的安全、高效、优质、低耗的要求，使用户以较小的投入获得较大的经济效益。据有关资料统计，国外著名的先进控制软件包已有5000多套的应用，目前正在抢占我们国内的市场。国内的许多高校、研究机构和大型石化企业从上世纪80年末代就开始探讨和研究各种先进控制理论和技术，并针对一些复杂工业过程进行应用研究，取得了一定的研究成果和技术经验积累。
　　纯碱即碳酸钠（Na2CO3），是重要的基本工业原料，被称为“化工之母”，其产量和消费量通常被作为衡量一个国家工业发展水平的标志之一。但由于纯碱生产过程工艺流程长，连续性强，存在较强的变量关联和耦合特性，常规控制不能很好的解决这种复杂工业生产控制难题。山东海化股份有限公司纯碱厂目前是国内最大的合成碱生产企业，生产岗位全部实现了DCS控制，在同行业中率先在纯碱生产过程中采用先进控制软件包APC-Adcon和智能控制等先进技术手段，结合纯碱生产装置的生产工艺控制的思路和实际的工艺操作经验，开发了纯碱装置先进控制系统，提高了装置操作平稳性和控制性能，降低了能耗，减少了操作人员的劳动强度。先进控制技术极大地提升了纯碱生产过程的控制效果，引起了纯碱行业和社会各界的广泛关注。
　　2    先进控制软件包体系结构
　　高级多变量预测控制软件包APC-Adcon是面向工业过程的多变量预测控制软件包，特别适合于需要采用多种控制策略和控制结构的复杂多变量过程。它可以方便的集成到任何DCS或PLC控制系统中工作。其基本功能是:在受控变量和操纵变量满足位置和速度硬约束的前提下，每个被控变量可以按照指定的闭环性能达到设定值；对可测扰动的前馈控制；局部优化等。APC-Adcon还充分考虑了实际控制系统中的各种要求，保证了系统性能和控制器的鲁棒性。APC-Adcon高级多变量预测控制软件实现生产过程的实时控制，提供上传接口，可向企业管理网络实时提供有关数据，为企业过程控制系统与信息系统的数据集成提供方便。
　　APC-Adcon采用计算机、网络通讯、工业自动化、技术管理等领域先进成熟的技术并保持关键技术领先，在结构体系上采用先进的分布式多层组件化应用体系，提供分布式软件结构和分布式应用结构，现已在催化裂化、连续重整、PTA、PX等重点炼油、石化和化工装置中得到广泛应用，是多变量过程先进控制的最佳商品化工程软件产品之一。
　　可以看出，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。
　　3    先进控制及优化在海化纯碱生产过程中的应用
　　3.1生产工艺及控制问题简介
　　海化纯碱采用氨碱法制碱，其工艺过程主要是将原盐精制成饱和盐水后，吸氨形成氨盐水，氨盐水与煅烧石灰石产生的二氧化碳气在清洗塔内反应生成预碳化液，预碳化液在碳化塔内与高浓度的二氧化碳气进行碳酸化反应（俗称碳化）生成的碳酸氢钠悬浮液，经过滤得到的碳酸氢钠结晶在煅烧炉内煅烧获得纯碱产品和高浓度的二氧化碳气，二氧化碳气经冷却、压缩后通入碳化塔参与碳酸化反应。把滤去碳酸氢钠的制碱母液进行加热蒸馏回收母液中的氨。
　　氨碱法的主要生产流程有：化盐和盐水精制、氨盐水的制备、碳化和重碱过滤、重碱的煅烧、氨的回收以及石灰石的煅烧等。由于纯碱各生产岗位已全部实现了DCS控制，因此生产效率明显提高，产品次品率大大降低。但常规的控制不能很好的适应纯碱生产过程的一些复杂特性，比如大的纯滞后、多变量的耦合等等，重要工艺过程参数需要操作人员手动控制，因此装置过程参数和产品质量得不到保证，劳动强度较大。为进一步提高自动化控制水平，海化纯碱厂在生产过程的重要工序——石灰窑工序、碳化工序、压缩工序实施了先进控制技术。通过先进控制技术的应用，提高装置操作的平稳性，将关键工艺参数的波动幅度降低，比如石灰窑出灰温度、碳化塔中部温度、碳化塔塔压、碳化塔出碱温度等。并以先进控制系统平稳性提高为前提，实现石灰窑自动出灰、自动配料功能，实现石灰窑、碳化塔生产负荷分配、工况平衡等优化控制，并通过实时调节压缩机的转速满足碳化过程对清洗气、中段气、下段气总流量的需求变化。
　　3.2海化纯碱厂在重要工序上的先进控制方案
　　该项目设计三个APC-Adcon控制器以控制纯碱生产过程中的石灰窑、碳化塔和压缩机装置，Ⅰ石灰系统控制器，下设石灰工序控制器；Ⅱ碳化系统控制器，下设碳化工序控制器；Ⅲ压缩系统控制器，下设压缩工序控制器。它们之间的联系通过物料平衡、工艺计算等来体现。针对装置的特殊要求，基于自定义控制器技术为石灰窑、碳化塔和压缩机装置制定了特殊的控制和优化策略。
　　该企业的纯碱生产装置先进控制系统是在DCS集散控制系统平台上实施的，先进控制系统软件运行在此集散控制系统的上位机中。先控上位机以DCS提供的接口软件作为OPCServer，通过HUB进行数据双向交换，从而可靠的实现了上位机与DCS的双向数据通讯。
　　3.3先进控制系统控制器结构
　　控制结构是被控变量和调节变量关于控制要求的完整描述。APC-Adcon采用的控制结构具有较强的可操作性，可以是固定的，也可以由用户在线修改。其中包括：
　　（1）操作变量的描述
　　•约束：最小、最大和速度
　　•理想滞留值（IRV）：数值和趋向IRV值的速率
　　•最大化（或最小化）：数值和趋向最大（或最小）值的速率
　　（2）受控变量（辅助变量）的描述
　　•约束：最小、最大和速度
　　•设定值控制：闭环时间响应
　　•区域设定值控制：设定值区域边界，边界内及边界外闭环时间响应
　　•理想滞留值（IRV）：数值和趋向IRV值的速率
　　•最大化（或最小化）：数值和趋向最大（或最小）值的速率
　　（3）容错控制功能
　　不同的工作条件及操作模式下控制目标可能不同，各种变量的具体要求也可能不同。当传感器或执行器失效，控制对象将发生改变。对于这种意外情况，APC-Adcon提供安全的解决方案，包括：改变受控变量和操纵变量集，实时调度控制结构等。
　　3.4先进控制和优化在海化纯碱工艺中运行效果分析
　　海化纯碱生产过程先进控制系统——石灰窑先进控制系统、碳化塔先进控制系统、压缩机先进控制系统投运后效果显著，主要表现在如下几个方面：
　　    先进控制系统根据设定目标值实时自动调节相关参数，降低了操作人员的劳动强度，并大大减少了人为调节所带来的干扰；
　　    先进控制系统使各装置的运行参数趋向平稳，波动范围减小；
　　    先进控制系统根据并联生产装置的运行工况进行生产负荷协调，既充分发挥出各装置的潜力又平衡了各装置的工况；
　　    先进控制系统通过平稳装置的各项运行指标，使石灰石有效分解率、窑气浓度及碳化转化率保持在较高的水平。
　　    先进控制系统通过实时调节压缩机的转速，满足碳化工序对清洗气、中段气、下段气的实时需求，降低了劳动强度，平稳了生产。
　　下面分别说明纯碱生产过程三个子系统在先进控制系统运行前和运行后的运行状况。
　　（1）石灰窑系统
　　石灰窑窑底温度是石灰窑系统的重要控制参数，是反映石灰窑运行状况的主要指标，下面是先进控制系统投运前后石灰窑窑底温度的波动情况比较。
　　（2）碳化塔系统
　　碳化塔的中部温度、塔底压力是碳化操作的重要指标，这些参数直接反映出碳化塔的运行是否平稳，转化率是否达到要求。因此，控制好这些运行指标是优质高产的前提。下面是先进控制系统投运前后的碳化塔塔底压力的变化情况比较。
　　（3）压缩机系统
　　压缩机先进控制系统通过实时调节压缩机的转速来实时调整清洗气、中段气、下段气总流量，满足碳化工序对三段气各自总流量的需求变化，实现了气量平衡。下面是先进控制系统投运前后的中段气变化情况比较。
　　综上，在纯碱生产过程中的石灰窑、碳化塔、压缩机装置上实施先进控制有效的克服了干扰和滞后影响，大大提高了装置的自动化水平，统一了操作人员的操作方法，降低了操作人员的劳动强度，稳定了装置工艺参数的平稳性。在保证装置工况良好的情况下，实现产量最大化，品质最优化。先进控制系统操作简单，控制效果良好，深受工艺技术人员和操作人员的欢迎。
　　4    结束语
　　海化纯碱厂实施了先进控制和优化后，解决了常规控制中不能解决的各种难题，在一定程度上能满足人们对生产过程的安全、高效、优质、低耗的要求，取得了可观的经济效益．用户以较小的投入获得较大的经济效益。、