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连云港碱厂重碱DCS控制系统改造

作者:陈红、张小莉,江苏连云港碱厂科研设计所2006.03.24阅读 4344

  一、 前言:
  连云港碱厂是上世纪80年代中期我国新建的三大碱厂之一,目前纯碱生产能力已达100万吨/年,采用氨碱法生产工艺,是以食盐、石灰石为主要原料,以氨母液为载体制取纯碱,在这种生产工艺中重碱车间的主要职能为完成精盐水吸氨、氨盐水碳酸化及重碱过滤等任务,所以说重碱车间处于纯碱生产的中心部位,素有制碱"心脏"之称。它的操作状况和工艺指标如何,不仅反映出一个碱厂的技术和管理水平,而且对产品产量的高低、质量的优劣及物耗的多少,即碱厂经济效益,具有举足轻重的影响。

重碱车间DCS配置图
图1: 重碱车间DCS配置图

  二、  改造前现状及存在问题
  由于建厂时投资与技术装备水平的限制,重碱生产过程采用单元组合仪表的方式,可靠性较差,工况不易稳定。同时自1989年投产以来,重碱主控室已使用十多年,仪表控制设备陈旧,维护量与日俱增,对正常生产带来较大隐患。为解决现存问题,提高生产过程自动化水平,在吸取国内同行业在此方面的成熟经验基础上,引进和采用了计算机控制系统,以提高重碱生产过程的自动控制水平。

重碱车间检测和控制信号的点数
表1:重碱车间检测和控制信号的点数

  三、 DCS选型及系统规模
  根据连云港碱厂重碱车间工艺、
设备等特点,经多方调研、比较,我厂最终选用了国内占有率居前、性价比较高,技术先进、性能可靠的浙大中控生产JX-300X  DCS系统。
  重碱车间总的输入/输出信号624点,调节阀161套。具体如表1所示。
  根据车间管理要求,结合DCS产品特点,配置了操作站5个、控制站4个、工程师站1个、服务器1台、电流变送器柜1个。配置见图1所示。DCS主要设备如表2所示。
  四、 主要控制方案设计与实施 
  重碱车间包括碳化、吸收、蒸馏、滤过四道工序,采用氨碱法制碱工艺,主要工艺设备有碳化塔组、吸收塔组、蒸馏塔组、净氨塔、滤碱机、换热器等。
  本次改造的基本思想是,针对重碱车间的工艺与设备特点,充分利用DCS的高级控制功能,实现生产过程基础自动化与部分工艺指标控制优化,使项目设施产生最大的技术经济效益。在系统配置上,具有网络互联功能,能与其它DCS系统及数据管理系统相联,通过网络服务器控制工程网版权所有,实现数据的共享,为今后全厂的综合自动化打下基础。
  控制系统的结构与功能模块如图2所示:
  1.化工
  碳化工序是碱厂的关键工序www.cechina.cn,也是制碱行业过程控制的重点与难点,其工艺任务是用氨盐水吸收CO2生成结晶。吸收、反应与结晶均在碳化塔完成,母液经过滤分离重碱后送往蒸馏工序蒸氨。碳化塔采用塔组并联作业,每组一个塔清洗,3~4个塔制碱CONTROL ENGINEERING China版权所有,定时切换。碳化塔工艺参数多、影响因素复杂、具有时变、滞后、强耦合的特点,控制难度较大。同时,碳化塔控制的好坏直接影响重碱的收率、质量和生产成本。
  碳化塔的控制方案主要包括过程检测、平衡控制、平稳控制、优化控制、工况诊断等五个方面,下面就平衡控制、平稳控制、优化控制、工况诊断等控制方案介绍其设计实施策略:
  ⑴ 平衡控制
  平衡控制有两方面的内容:一是控制总管分配给各塔的气流量和液流量均匀,使各塔负荷均衡,防止”串塔”和”压塔”现象;二是控制每一制碱塔中流量与气量平衡www.cechina.cn,保证液体达到足够的停留时间和要求的碳化度。为此采取的控制措施是:
  ■ 尽量保持各塔一致的恒定出碱液流量,一般不轻易调节CONTROL ENGINEERING China版权所有,仅当塔温和尾气浓度出现较大变化、工况诊断为异常之后,进行选择性调节;
  ■ 用塔顶液位调节中和水流量;
  ■ 根据尾气CO2浓度和塔温调整中、下段气流量,两段气的比例由模型计算确定;
  ■ 根据出碱液温度和塔内温度调整冷却水和制冷液流量,组成串级调节系统,根据连云港碱厂的特点,取主调节参数为冷却水流量,当冷却水开到最大而碱液温度仍不能满足要求时才使用制冷液,以最大限度节省能量。相应的主要调节回路如图3所示。
  ⑵ 平稳控制
  平稳控制的含意是尽量减少工况波动以保持稳定生产。影响碳化塔工况波动的因素主要有以下几类:
  ■ 由其它工序工况不稳而产生的气、液流量和浓度的波动;
  ■ 制碱与清洗的切换(倒塔);
  ■ 塔内的结疤;
  ■ 昼夜和季节性的水温变化。
  由于碳化系统的复杂性,需要采用一些高级控制策略来进行平稳控制,如模糊控制、解耦控制、时变控制等。
  ⑶ 优化控制
  优化控制是在保持工况平衡和工况平稳的基础上,根据自然的(冷却水温)和设备(压缩机。管道等)以及前后道工序的约束及变化,寻求现有条件下的最佳工艺参数,作为设定值提供给控制系统进行控制。

DCS 主要设备列表
表2:DCS 主要设备列表

  在满足平衡和平稳的要求后,工况优化的内容有:
  ■ 不同氨盐比时最佳的中和水温度与预碳化度,据此可指导清洗塔的控制;
  ■ 最佳的中、下段气配比和尾气CO2浓度,据此指导中、下段气流量控制;
  ■ 最佳的吸收段温度分布,据此进行工况诊断和流量控制;
  ■ 最佳的
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