海水提溴過程自控系統研究與開發

■ 白瑞祥 朱麗麗

海水提溴過程自控系統研究與開發

■ 白瑞祥1朱麗麗2

根據海水提溴工藝控制及地域特點要求，搭建了由西門子S7-300PLC為主站，多個S7-200PLC為分站的多級分布式監控系統，并設置DLP大屏進行綜合調度與管理。在監控系統平臺下，針對吹出配氯和蒸餾配氯控制難點，采用模糊控制策略和圖像分析優化等技術，實現了吹出、蒸餾等工藝中關鍵變量的自動控制，提溴生產管控自動化水平明顯提高。

海水提溴；監控系統；圖像分析；模糊控制

圖1 海水提溴工藝流程

1 引言

溴的天然資源主要存在于海水、地下濃縮鹵水、古海洋的沉積物鹽礦以及鹽湖水中。溴產品主要應用于無機鹽工業、醫藥、農藥、染料、水處理劑及阻燃劑工業中。提溴的方法有空氣吹出法、溶劑萃取法、離子交換樹脂法等。其中空氣吹出法是用于天然海水提溴的最成熟工業方法，在我國沿海大多溴素廠家采用，通過調研，總體來看自動化生產水平較低，存在原材料消耗高、產品質量不穩定、不能保證安全生產等問題。主要原因是生產中一些關鍵變量，尤其是成分，沒有合適在線測量儀表。本項目在構建溴素生產網絡化監控系統平臺的基礎上，從檢測技術和控制策略上入手，著重解決了自動控制實現的瓶頸。

2 海水提溴工藝流程及存在主要問題

2.1 工藝流程簡介

空氣吹出法海水提溴的生產過程主要包括有酸化、氧化、空氣吹出、吸收、蒸餾等，工藝流程如上圖1所示。海水加酸酸化后，加氯氧化成游離溴，含有游離溴的氧化液送入吹出塔從塔頂噴淋而下，風機由塔底吹入空氣（來自捕沫器后吸收尾氣，循環利用），游離溴在吹出塔中被大量空氣吹出，含溴空氣送往吸收塔，與二氧化硫氣體和淡水混合，循環吸收，形成中間完成液，完成液再送入蒸餾塔，在蒸餾塔中通過氯氣氧化，水蒸汽蒸餾，游離出溴，再通過冷凝、分離等工序得到成品溴，蒸餾廢液主要是烯酸回到酸液貯存池循環使用。此外，還有硫磺燃燒以及液氯氣化等附屬工段。

2.2存在主要問題及控制難點

（1）氧化、吹出工序是鹵水加酸酸化后用氯氣將鹵水中的溴離子置換成溴分子，化學反應如下：

因此，氯氣加入量直接關系到成本消耗和氧化質量，是經濟生產的關鍵。正常生產時要求配氯率（氧化液中氯氣和溴濃度之和與氧化前2倍鹵水中溴離子濃度之比，用百分數表示）控制在105-120%左右。

手動生產時，用化學檢測按照2小時規定進行氧化液PH值和配氯率檢測，檢測與調節存在時間差，一般操作時控制的都稍微大一些，加大了硫酸和氯氣的消耗，增大了生產成本，嚴重影響經濟效益。

（2）吸收工序所需SO2由硫磺燃燒車間提供，吸收的化學反應如下：

SO2加入量小，吸收不徹底，加入量大，成本加大。手動生產時靠人工定時采用化學滴定法測量捕沫器后尾氣SO2含量。而二氧化硫加入量受鹵水、氧化時的氯氣量的影響較大，如不進行實時控制，造成原材料硫磺消耗過大，要求在線檢測吸收尾氣SO2含量，實時調整硫磺下料量。

（3）來自吸收后初級酸完成液，在蒸餾工序通過蒸汽加熱，加氯氣將溴分子分離出來，化學反應如下：

2HBr+ Cl2==2HCl+Br2

手動操作需要操作人員通過觀察蒸餾塔溴分離界面去操作蒸汽、完成液和氯氣三個閥門，勞動強度大，并且對操作工的經驗和責任要求較高。操作失當會造成溴產品成分不純或部分溴隨廢液流失，或造成爆塔危險。氯氣或溴氣的泄露也會危害操作人員的人身安全，迫切需要自動控制生產。

3 監控系統硬件構成方案

根據溴素生產過程要電氣、儀表、安防報警統一到一個平臺下的監控要求，考慮車間地域分布特點及對系統可靠、靈活和擴展方面的要求，由西門子S7-300PLC搭建了三電一體化（EIC）監控系統。

圖2 總體監控系統方案示意圖

總體監控系統方案示意圖如圖2所示。中控室設置在蒸餾車間，選用CPU315-2DP做為主站，雙CPU實現軟冗余。過程中的大部分變量檢測與控制均由主站完成。在S7-300主站下再通過Profibus-DP總線連接三個分控站， 分別負責鹵泵變頻站、硫磺燃燒站和稱重報警站的數據采集和控制，其中稱重報警站通過Mdibus與10臺稱重二次儀表通信采集氯氣瓶和溴罐的重量信號。

中控室工程師站和操作員站與S7-300主站通過冗余工業以太網連接，Sever1和 Sever2互為冗余，負責數據信號遠傳至調度室兩個互為冗余的客戶端Client1和Client2，Client1和Client2負責DLP大屏的顯示分配調度，通過多屏控制器與其它安防視頻信號送往DLP大屏顯示監視管理。同時，Sever1和Sever2也兼做操作員站，Sever3為工程師兼做操作員站。

4 主要測控方案

整個EIC監控系統中，除了泵閥聯鎖控制，安保聯鎖控制外，將風機、泵類的運行、故障及電流信號傳入主控系統進行監視報警。模擬量除了壓力、液位溫度檢測外，鹵泵流量、加酸流量、淡水流量、完成液流量、各類氯氣流量進行累積，便于物料平衡及成本計算。淡水流量控制、液氯氣化水槽溫度控制、蒸餾塔溫度控制、蒸汽壓力控制等均采用常規PID控制，吹出配酸控制，采用積分分離PID控制，硫磺燃燒加入量（調硫磺電機變頻頻率）到尾氣SO2含量變化，由于滯后太大，采用“等等看”算法進行自動控制。主要難點在于以下吹出配氯和蒸餾配氯的測控。

4.1 吹出配氯率檢測與控制

配氯率無法實現在線測量，通過工藝分析及實驗發現，在氧化液PH、溫度、鹵水溴含量及鹵水流量穩定時，氧化液的氧化還原電位（ORP）與配氯率有一一對應關系，大約95-120的配率，對應的ORP值為950-1100。因此，可用ORP值做為被控量，通過改變加氯量達到配氯率的控制。固定鹵泵變頻的頻率，能夠保證鹵水流量恒定，通過氧化液加酸量控制氧化液的PH值，但是氧化液的溫度、鹵水含溴量是經常變化的，PH值在調節過程中也會變化，且鹵水含溴量不可測，很難建立起它們的數學關系模型。因此，采用模糊控制思想，在大量實驗數據的基礎上，建立起多個不同條件下（根據實測PH值，溫度和季節時間段化學測定鹵水含溴量的歷史值）ORP值與配氯率的模糊關系表，查表得出并自動修正ORP設定值。同時，為了克服非線性及時變特性，采用模糊自調整PID控制策略，控制結構如圖3所示。

圖3 吹出配氯比模糊自調整PID控制結構

上述方案的實現仍存在一難點，就是ORP的準確測量。由于氧化液介質的特殊性，會在ORP鉑電極表面沉附沉淀物從而帶來測量誤差（2天的吸附ORP值會降低低40mV左右，吸附層越厚，誤差越大。化學分析及實驗發現，并且溫度越高、PH值越高，吸附越厲害。大量實驗發現，溫度在25以下，PH在2.6以下，吸附明顯減輕。故而將ORP測量電極放置在專門設計的恒酸及恒溫槽中降低了吸附成度，再通過自行設計的定時超聲波和機械清洗裝置去掉少量吸附物，從而保證了ORP的準確測量，配氯率的自動控制得于實現。

4.2 蒸餾配氯檢測與控制

為了保證蒸餾提取效果，溴成分穩定，工藝上要求蒸餾塔頂溫度恒定，加入完成液流量和氯氣流量滿足比例要求。但是完成液流量來自高位槽，隨著高位槽液位變化，管道流量也會變化，氯氣管道的壓力也會隨著環境溫度變化及液氯瓶更換過程發生波動，引起流量變化。因此蒸餾配氯控制的控制方案是在組成塔頂溫度控制的同時，采用如圖4所示的溴成分對完成液/氯氣的串級比值控制系統。操縱變量為加氯量，通過調整加氯量來維持溴成分穩定。副控為完成液流量和氯氣流量的單比值控制，不僅能保證加氯量跟隨完成液流量，還能克服來自氯氣管線上的壓力波動，保證配氯比。主控為溴成分控制器，主要克服來吸收后完成液含溴量變化引起的波動。

該方案實現的難點在于溴成份難于在線測量，工藝分析得知，玻璃蒸餾塔上溴分離能夠觀察到一個棕色和黃白色的分界面，這個界面位置恒定在某一位置時，分離效果最好。故可通過圖像色度和長度分析可以給出加氯量控制的依據。

因此，專門研發了“蒸餾塔圖像采集及分析系統”，該系統通過8個高清網絡攝像機將8套蒸餾塔溴分離界面圖像通過交換機送到圖像分析服務器中，通過開發的圖像分析及優化軟件，將反映色度及長度的信號傳至PLC控制系統，作為間接反映溴成分的測量信號。

5 綜合調度中心監視系統

海晶集團提溴廠由三個車間組成，地域分散，總部設在一車間，二、三車間距離總部分別為3公里和7.5公里，因此管理上比較困難。本次改造在一車間設置綜合調度管理中心。調度中心系統由功能服務器、操作終端、視頻監控終端、DLP大屏幕顯示系統及有線局域網組成。在各功能軟件系統支持下，實現了調度中心對三個車間的遠程運行參數監測與控制、安防視頻圖像顯示與控制等，滿足了調度決策必須科學化和智能化要求的各項功能。

圖4 蒸餾塔溴成分對完成液流量/氯氣流量的串級比值控制系統

各車間操作員站、工程師站和調度中心大屏均采用WINCC組態軟件組態，具備流程畫面監視、報警顯示與設置、變量閉環控制控件、實時報表、歷史數據查詢及曲線等管理功能。調度中心DLP大屏顯示效果如圖5所示。

圖5 調度室DLP大屏流程監視及操作畫面

6 結束語

該項目在天津海晶集團提溴廠已穩定運行近一年，實現了4條吹出生產線，8條蒸餾生產線的自動化控制。該項目的實施，降低了操作人員的勞工作環境明顯改善；吹出配氯、配酸及燃燒SO2控制使得氯氣、酸和硫磺消耗大大降低，生產率得到提高；蒸餾配氯圖象分析與控制的成功運行，使成品溴純度達到99.9%，產品質量明顯提高；綜合調度中心使得全廠綜合管理水平得到較大提升，減少了人力和物力成本，經濟效益和社會效益顯著。

[1] 徐楓.金耀明等.海水提溴技術現狀及前景.廣東化工.2013.

[2]劉立平.濃海水提溴方法及存在問題的研究.鹽業與化工.2012.

[3] 李俊玲.唐仕明.袁存光.溴生產配氯率自控中配氯比測量系統.海湖鹽與化工.2004.

[4] 白瑞祥.李磊.董英杰.基于IPCP-PLC的海水提鉀網絡化監控系統.自動化儀表.2007

[5] 謝更柱.王德志.模糊控制與PID結合控制在電石爐上的應用.化工自動化及儀表.2004

1、白瑞祥，男 ，1964年生，現為天津科技大學電子信息與自動化學院教授，主要從事自動化系統集成、智能控制、計算機網絡系統的教學與研究工作。

2、朱麗麗，女 ，1970年生，大學本科，主要從事儀表與自動化裝置及系統的設計、管理維護及研究工作。

(編輯：王鵬)