先進控制技術在三效蒸發系統中的應用

米海軍，李愛軍，龐 江

（陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林 719319）

陜西北元化工集團股份有限公司燒堿蒸發生產系統利用蒸汽作為熱源，將來自離子膜電解槽32%燒堿，依次通過三效降膜蒸發器、二效降膜蒸發器、一效降膜蒸發器， 被蒸發器殼程流通的蒸汽逐級濃縮，最終得到濃度為50%燒堿，其中一效降膜蒸發器所需熱源來自電廠蒸汽， 一效蒸發器產生蒸汽作為二效降膜蒸發器熱源， 二效降膜蒸發器產生蒸汽作為三效降膜蒸發器熱源， 三效降膜蒸發器產生蒸汽送冷凝器及真空機組， 三效降膜蒸發器系統真空度由真空泵機組維持[1]。

1 項目背景

陜西北元化工集團股份有限公司燒堿蒸發生產系統采用集散控制系統（DCS），實現主要工藝參數溫度、壓力、流量及液位等的監控和記錄，以及報警、聯鎖等自動控制功能的落實； 在此過程中造成參數分布、非線性、時變、大滯后和多變量耦合的復雜控制系統，以PID 單回路控制為主的常規控制系統難以達到理想控制效果， 造成燒堿蒸發生產系統在實際生產操作過程中仍以操作人員經驗操作為主，由于操作人員習慣及方法的差異，導致操作不當、調節幅度不夠或操作過量等問題突顯， 運行過程中關鍵工藝指標波動大，難以避免系統波動與外界干擾，致系統平穩性差，能耗偏高[2]。

2 實施過程

2.1 過程控制分析

（1）燒堿蒸發生產系統是包含多臺蒸發器串聯和物料交叉換熱的復雜工藝過程， 其主要控制指標不僅受蒸汽溫度、蒸汽壓力、負荷變化的影響，同時還受作為原料的32%燒堿溫度、濃度以及循環水溫度、真空度等因素的影響。

（2）燒堿蒸發生產系統測量儀器和控制閥門配置到位，流量、液位、壓力控制回路實現PID 控制。但工藝特性復雜，導致控制效果不理想，一旦受到外界干擾， 常規單回路控制無法滿足工藝系統控制要求，需要人為輔助干預。

（3）常規控制器以PID 反饋控制的方式，但需要將燒堿蒸發生產的系統控制簡化成若干單變量進行控制， 無法適應在實際生產中滿足更多項目工藝的需要[3]。 燒堿蒸發生產系統在控制過程中需要同時兼顧蒸發器液位、蒸發器壓力、蒸發器出料溫度等指標，而且這些指標間關聯性極強，屬于典型多變量控制裝置，傳統單變量控制無法實現精細化調節。

（4）燒堿蒸發生產系統屬于多變量耦合系統，能量集成度高、關鍵變量耦合嚴重；熱源波動對整個裝置的干擾作用大大增強，極大增加了解耦難度，也對常規PID 控制的穩定性提出更高要求。

2.2 控制需求目標

（1）通過對燒堿蒸發生產系統現有自動化儀表的調研和診斷，實現現場安裝檢測儀表測量準確性、執行儀表能夠滿足工藝控制需要， 避免出現調節死區等問題；并根據診斷出的問題，對現場儀表進行一次有目標的系統性修復和維護。

（2）通過加裝先進控制系統，提高生產系統綜合自動控制水平； 克服生產系統變量間關聯耦合和干擾因素，穩定燒堿蒸發生產系統工況，降低各類工藝指標參數偏差30%以上。

（3）通過加裝先進控制系統，實現各類工藝過程控制指標、能源消耗、產品質量指標等關鍵數據，在保證產品質量的前提下， 進一步挖掘生產裝置潛力和優化生產數據“卡邊”運行能力，完成降低單位產品蒸汽消耗2.5%以上的目標。

（4）通過加裝先進控制系統，確保在生產系統正常運行狀況下， 先進控制系統投運率達到95%以上， 進一步保障生產系統操作的一致性和減少操作人員的人為干擾因素，降低崗位操作人員勞動強度。

（5）先進控制系統獨立完成與集散控制系統之間的數據通訊，保證集散控制系統的正常運行，實現先進控制系統與集散控制系統的無擾動切換功能。

2.3 先進控制系統策略

根據燒堿蒸發生產系統運行現狀和實際需求，制定切實可行的控制策略尤為重要， 通過對過程控制分析、控制需求目標的確定，建立燒堿蒸發生產系統先進控制系統，主要包括一期堿蒸發控制器、二期堿蒸發控制器以及循環水池液位控制器， 具體各控制器功能如下。

（1）一期燒堿蒸發控制器。通過克服一期蒸汽進料量的頻繁波動， 實現一期燒堿蒸發生產系統三效降膜蒸發器溫度平穩運行；通過調整32%燒堿旁路流量波動和三效降膜蒸發器產出流量的變化波動，使二效降膜蒸發器進三效降膜蒸發器燒堿流量保持穩定，實現降低燒堿純度指標波動幅度。

（2）二期燒堿蒸發控制器。通過克服二期蒸汽進料量的頻繁波動， 實現二期燒堿蒸發生產系統三效降膜蒸發器溫度平穩運行；通過調整32%燒堿旁路流量和三效降膜蒸發器產出流量的變化波動， 使二效降膜蒸發器進三效降膜蒸發器燒堿流量保持穩定，實現降低燒堿純度指標波動幅度。

（3）循環水池液位控制器。通過對蒸發循環水水池補水調節閥PID 參數的整定，提高該調節閥的調節性；同時以循環水池液位設定值作為操作變量，進一步克服補水池出水量和進料流量波動等干擾因素，實現該補水池液位自動控制。

2.4 控制器變量分析

以一期蒸發系統為調控對象， 列出主要操縱變量、被控變量和干擾變量，具體變量見表1；分析并列出各變量的狀態，給出預期的優化指標，通過先進控制軟件實現先進控制器的設計。

2.5 先進控制系統配置

（1）為了確保生產裝置安全運行，選擇以先進控制系統與DCS 控制系統相結合的控制方式；先進控制系統在DCS 控制系統基礎上搭建，由于先進控制器支持上位機控制模式，可利用OPC 通訊模式實現上位機與DCS 控制器間的信息交換；另外，常規的PID 控制器設計也在先進DCS 控制器中實施，多因素的預估控制器、 工藝設計也在上位機等先進控制器中實施；先進控制器上位機采用服務器，而先進控制器硬件設備通過HUB 或交換機，與已安裝標準的OPC 接口軟件服務器采用以太網相連，形成了先進控制器上位機與DCS 控制站數據傳輸的物理連接。

（2）物理通信系統實現后，即可利用新安裝的OPC Server 軟件實現在先進控制器與DCS 控制系統中的數據之間通信；OPC Server 軟件是先進控制器上位機與DCS 控制器之間數據相互交換的重要橋梁， 由OPC 接口軟件服務器利用DCS 通訊端口收集DCS 控制器數據， 然后通過標準的OPC 協議向先控制器上位機發送， 然后先進控制系統監控平臺再向OPC 接口軟件服務器收集并發送有關數據，多變量預測控制軟件、 智能軟測量軟件對先進控制系統監控平臺數據進行讀寫， 實現對生產系統的平穩控制。

2.6 先進控制系統設計

（1）由于燒堿蒸發生產系統存在較多變量關聯和耦合特性，需要針對其特性建立控制方案，實現對其整體優化控制。 燒堿蒸發生產系統多變量預測控制器以操縱變量、 干擾變量與被控變量之間動態響應模型作為模型， 在此模型基礎上將被控變量設定值、上限、下限進行優化，最終達到控制最優目標。

（2）燒堿蒸發生產系統影響燒堿濃度的主要是蒸發器溫度， 通過對蒸發器液位和溫度間的平衡控制來達到穩定產品濃度的目標， 同時由于三效降膜蒸發器與二效降膜蒸發器、 二效降膜蒸發器與一效蒸發器之間存在熱源及物料的關聯性， 需要協調優化物料平衡和能量平衡，從而優化蒸汽消耗。

（3）確定以“提高關鍵變量控制平穩率與降低勞動強度，優化操作與指標卡邊控制”為控制目標，從而實現裝置節能降耗，挖潛增效的目的。

（4）結合日常操作過程中人員對工藝系統物料平衡和能量平衡的操作經驗， 將經驗轉化成程序控制，提高裝置自動化水平，降低勞動強度。

（5）通過建模分析，確定先進控制系統需要5 個模型預測控制器，其中3 個需要滿足大滯后、強耦合的復雜回路控制功能，2 個單回路PID 參數整定功能。

2.7 DCS 程序安全設計

為提高先進控制系統安全性， 特設置工藝指標報警數據，先進控制器投切狀態標志；當先進控制系統出現異常告警時，在一定約束范圍內進行控制，系統投入初期， 可以把控制器限定在一個較小的約束范圍，當超出該約束范圍，先進控制系統會被切出，并發生報警，提示操作員進行干預。先進控制系統穩定運行后，操作員可以逐漸放開約束，在指定的范圍內進行控制。

2.8 先進控制系統測試

當先進控制系統軟件與現有控制系統連接后，先進控制系統軟件平臺控制器應是開環激活。 為能得到被控過程的準確模型， 輸入信號必須激勵所有模態。測試一般采用階躍測試，其功能是建立過程動態模型最簡單和最常用的方法， 也就是在生產負荷下，穩定運行一段時間后，使操縱變量MV 產生階躍變化，從而獲得被控變量CV 的響應。為了獲得較為滿意的模型，測試過程中，CV 的期望變化幅度至少應是噪聲的兩三倍。具體測試變化幅度、測試序列和持續時間應根據過程條件和過程動態而修改， 如果檢測到過程擾動，將需要延長階躍持續時間；如果初始階躍變化幅度太小，將需要增加測試變化幅度。

2.9 先進控制系統無擾動切換

（1）常規控制切換到先進控制。先進控制系統未投運時， 先進控制系統設定值自動跟蹤AUT 回路SP 或MAN 回路MV；投運過程中，控制模式從常規模式切換到先進控制模式，實現無擾動切換。

（2）先進控制切換到常規控制。控制模式從先進控制模式切除到常規控制模式； 各種對應標志狀態需要從先進控制狀態切換到常規控制狀態， 操作人員進行干預操作。

（3）先進控制模式與常規控制模式切換過程，操作員可以在DCS 實現“投入”和“切出”；當先進控制系統出現報警等異常情況下， 先進控制模式自動切至常規控制模式，人員可直接進行干預性操作；同時先進控制器每個控制回路有單獨的“投入”和“切出”開關，可以單獨“投入”或者“切出”某個變量。

3 應用效果評價

（1）通過先進控制系統的實施，PID 控制回路及產品質量指標改善效果顯著； 以PID 控制回路、燒堿濃度、三效控制溫度為例，都有不同程度提高（見表2）；其中：二期一效、二效液位PID 控制回路標準差分別降低71%和49%；一期、二期燒堿濃度標準差分別降低32%和70%；一期、二期三效溫度標準差分別降低55%和42%；進一步保障了生產系統及產品質量的穩定性。

（2）循環水補水由人工手動操作改為自動控制；該控制回路投運后，既滿足了液位自動控制需求，也達到了日均減少30 次以上的補排水操作；同時避免了補水過量造成的環保事故等風險。

（3）通過選取一、二期燒堿蒸發生產系統先進控制技術投運前后連續10 天噸堿蒸汽單耗作為對比，見圖1，圖2。先進控制系統投運后一、二期蒸發系統噸堿耗蒸汽整體低于投運前； 其中一期噸堿蒸汽單耗平均降低0.504-0.488=0.016 （t）， 降低幅度約為0.016/0.504×100%=3.17%； 二期噸堿蒸汽單耗平均降低0.528-0.509=0.019（t），降低幅度約為0.0156/0.528×100%=3.60%。

圖1 一期蒸發先控系統投運前后噸燒堿耗蒸汽對比圖

圖2 二期蒸發先控系統投運前后噸燒堿耗蒸汽對比圖

4 結語

燒堿蒸發生產系統先進控制技術投運后，（1）在保證各項工藝指標運行平穩的基礎上， 燒堿濃度穩定性大幅提升， 其中一期燒堿濃度波動幅度降低32%，二期燒堿濃度波動幅度降低70%；（2）燒堿蒸發生產系統所消耗蒸汽大幅降低， 其中一期消耗蒸汽降低約為3%，二期消耗蒸汽降低約為3.56%；（3）通過對蒸汽流量、 進三效流量配比等關鍵指標優化及卡邊控制，大幅度提高產品收率；（4）進一步提升了蒸發裝置自動化水平， 有效降低的操作人員的勞動強度；（5）實現了在正常生產條件下，先進控制系統總投運率達到了100%， 為公司實現生產效益最大化。