摘要：

    文章介紹了應用在線優化手段解決多變量、大擾動、大滯后的流程工業控制策略。通過預測模型控制、專家規則控制、模糊控制，相互協調控制，實現碳化裝置的工藝指標優化，達到提高轉化率、提高產品品質及降低勞動力的目的。

0引言

    純堿是重要的基礎化工原料，主要通過氨堿法制堿裝置生產而來，其生產工藝復雜，尤其是碳化單元，參與反應介質由氣、液、固三相組成，同時由多組碳化塔并聯生產，而且同一設備存在制堿和清洗兩種狀態，間歇過程與連續過程同時存在于整個生產過程中。由于碳化塔多，同時對多座碳化塔操作，操作人員精力有限，碳化塔的轉化率及產品品質很難有突破，假如操作人員經驗不豐富，或是操作不精心，車間對其所要求的工藝指標都很難達到要求，唐山三友碳化裝置也同樣受限于常規控制的約束。因此，有必要針對碳化裝置的特性進行生產過程的在線優化控制，進一步提高碳化塔的控制水平，優化工藝指標，同時降低操作人員的勞動強度。

1 工藝過程簡述及控制需求

具體工藝流程如下：

    由蒸吸工序送來的成品氨鹽水進入各組清洗塔，多余部分經自調系統或手動調節返回到氨鹽水儲桶。清洗塔底部通入由壓縮工序送來的清洗氣，氣液在塔內逆流接觸進行預碳化，并清洗塔內結疤。從清洗塔底部流出的液體稱為中和水，中和水從塔底中和水管進入各組中和水泵，經泵加壓后大部分送至各組制堿塔，一小部分作為清洗出堿管用水，其余部分返回中和塔內。在制堿塔內中和水與壓縮工序送來的下段氣和中段氣逆流接觸進行化學吸收反應，生成碳酸氫鈉結晶懸浮液，從制堿塔底流出的懸浮液稱為出堿液。出堿液經塔底出堿管自壓至出堿槽，然后送到濾過工序進行固液分離。

    清洗過程為放熱過程，因此，在清洗塔水箱部分通入循環水以移走放出的熱量。制堿過程放熱更多，為了提高NaCl利用率需要換熱降溫，在塔的水箱部分通入≤22℃的直流水，控制出堿溫度在 28℃ ~32℃之間。冷卻水從碳化塔冷卻段分 3 段取出，用以改變碳化塔水箱冷卻面積。

各塔的尾氣從塔頂排出，進入尾氣總管，尾氣中夾帶的液體經氣液分離器分離，分離出的液體稱為回鹵，用管道引入各中和水泵入口以回收利用。尾氣經壓力調節后進入各凈氨塔底圈再經與上部進來的精鹽水逆流接觸，吸收尾氣的 NH 3 和 CO 2 。凈 NH 3 后的尾氣經加高 8cm 的放空管放空。從凈氨塔底部出來的液體稱為淡氨鹽水，經 U 型液封自壓到吸收工序的淡氨鹽水貯桶內。

綜上，唐山三友化工股份有限公司碳化裝置引進浙江中控軟件技術公司的在線優化進控制軟件包 APC-Adcon，結合碳化過程的控制思路和實際操作經驗，研發了“碳化在線優化控制系統”，實現對碳化塔上部溫度、中部溫度、出堿溫度的平穩控制，同時根據生產情況、單塔塔況、生產要求，智能確定單塔放量，解決碳化工況在較大擾動下的氣、液不平衡現象。

2 在線優化控制系統控制策略 

    碳化塔的在線優化控制系統由 3 個工況狀態組成，分別為：正常工況狀態，大擾動工況狀態和安全生產臨界狀態。

2.1 正常工況狀態

    在碳化塔工況較平穩的生產狀態下，采用預測模型控制策略。通過微調中和水流量、中段氣流量、下段氣流量、出堿流量、循環水流量，實現碳化塔塔壓、頂溫、中溫、出堿總量、出堿溫度的平穩控制。制堿塔壓、上溫、中溫、出堿溫、總出堿流量預測模型由浙江中控軟件技術有限公司的 APC-Adcon 優化控制軟件包完成實現。通過單回路的階躍測試、模型辯識及仿真、預測模型組態、調試及投運，完成預測模型控制器的運行。

另外，對出堿總量的控制，中溫 - 總出堿量控制器不僅實現對各塔中部溫度的平穩控制，還要滿足總出堿量的任務要求。因此，控制器對各塔出堿流量的調節既要考慮17 圈溫度的變化，還要盡可能達到總出堿量目標值。

    在中溫 - 總出堿量控制器中，總出堿量為第 1 級優先控制目標，17 圈溫度為第 2 級控制目標。優化控制系統首選滿足優先級別高的指標。當實際總出堿量未達到優化目標值時，各制堿塔根據中溫的高低動態調節出堿流量，盡量滿足總出堿量優化目標值的要求，中溫偏高的塔放量，中溫偏低的塔適當收量，同時各塔中、下段氣流量也根據中溫的高低進行合理調節，優化碳化塔工況。

2.2 非常規平衡控制模塊

    在碳化工序生產過程中，由于受到前后工序的影響很大，經常出現中段氣、下段氣量、中和水不足或者過剩，造成系統大幅波動，導致單塔物料和熱量都不平衡，影響制堿塔轉化率和產品品質?；谝陨显蚩紤]，采用專家規則控制、模糊控制策略，對1組（4座）制堿碳化塔的塔壓、上溫進行智能判斷比較，得出當前碳化塔工況，根據塔況的好壞，利用塔間的能耗互補性，實現氣、液平衡，從而保證碳化塔中溫、總放量的平穩運行。

2.3 安全生產控制模塊

    由于碳化工序與石灰、鹽水、蒸吸、輕灰、重灰、壓縮工序有著直接的關聯性，導致碳化塔操作時不可預見性增多，為了使設備能長時間安全運行及物料免受大幅度波動沖擊，采用專家控制策略，根據生產實際情況，給中、下段氣總管壓力及中和水總管壓力設置合理調節區域，從而保證優化系統的安全運行。

2.4 通訊監控模塊

    為保障系統安全，在先進控制上位機和 DCS 之間的通訊中斷、先進控制上位機發生死機等異常狀況時，需要切除先進控制和優化系統，并給出報警提示便于操作人員進行處理。這些功能通過在 DCS 上建立通訊監控程序來實現的。

3 優化控制系統實現的平臺架構

    碳化工序優化控制器運行在優化控制系統上位機中，OPC Server 通訊接口軟件作為連接先進控制上位機與 DCS數據交互的橋梁。先進控制上位機通過 OPC 接口服務器，與安裝有 OPC Server 的 DCS 操作站聯接，由于該操作站與DCS 控制站通過內部協議建立了數據傳送的物理鏈接，這樣先進控制系統也就與 DCS 控制站實現了數據傳送的物理鏈接。先進控制系統與 DCS 控制站兩者的數據交換是通過OPC 標準接口來實現的。

4 結束語

    目前，碳化工序優化控制系統在三友化工股份有限公司已經連續運行超過了 5 年時間，應用效果明顯。在正常工況下，優化控制系統基本可以代替操作人員，大大提高了裝置的自動化水平，統一了操作人員的操作方法，同時增強了碳化塔的塔底壓力、上溫、中溫、出堿溫度的運行指標的平穩性，優化了工藝指標參數，提高了碳化轉化率，達到就節能降耗的目的。同時，優化系統可以根據生產需求，實現碳化塔的產量最大化，品質最優化。

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