海水提溴过程自控系统研究与开发

■ 白瑞祥 朱丽丽

海水提溴过程自控系统研究与开发

■ 白瑞祥1朱丽丽2

根据海水提溴工艺控制及地域特点要求，搭建了由西门子S7-300PLC为主站，多个S7-200PLC为分站的多级分布式监控系统，并设置DLP大屏进行综合调度与管理。在监控系统平台下，针对吹出配氯和蒸馏配氯控制难点，采用模糊控制策略和图像分析优化等技术，实现了吹出、蒸馏等工艺中关键变量的自动控制，提溴生产管控自动化水平明显提高。

海水提溴；监控系统；图像分析；模糊控制

图1 海水提溴工艺流程

1 引言

溴的天然资源主要存在于海水、地下浓缩卤水、古海洋的沉积物盐矿以及盐湖水中。溴产品主要应用于无机盐工业、医药、农药、染料、水处理剂及阻燃剂工业中。提溴的方法有空气吹出法、溶剂萃取法、离子交换树脂法等。其中空气吹出法是用于天然海水提溴的最成熟工业方法，在我国沿海大多溴素厂家采用，通过调研，总体来看自动化生产水平较低，存在原材料消耗高、产品质量不稳定、不能保证安全生产等问题。主要原因是生产中一些关键变量，尤其是成分，没有合适在线测量仪表。本项目在构建溴素生产网络化监控系统平台的基础上，从检测技术和控制策略上入手，着重解决了自动控制实现的瓶颈。

2 海水提溴工艺流程及存在主要问题

2.1 工艺流程简介

空气吹出法海水提溴的生产过程主要包括有酸化、氧化、空气吹出、吸收、蒸馏等，工艺流程如上图1所示。海水加酸酸化后，加氯氧化成游离溴，含有游离溴的氧化液送入吹出塔从塔顶喷淋而下，风机由塔底吹入空气（来自捕沫器后吸收尾气，循环利用），游离溴在吹出塔中被大量空气吹出，含溴空气送往吸收塔，与二氧化硫气体和淡水混合，循环吸收，形成中间完成液，完成液再送入蒸馏塔，在蒸馏塔中通过氯气氧化，水蒸汽蒸馏，游离出溴，再通过冷凝、分离等工序得到成品溴，蒸馏废液主要是烯酸回到酸液贮存池循环使用。此外，还有硫磺燃烧以及液氯气化等附属工段。

2.2存在主要问题及控制难点

（1）氧化、吹出工序是卤水加酸酸化后用氯气将卤水中的溴离子置换成溴分子，化学反应如下：

因此，氯气加入量直接关系到成本消耗和氧化质量，是经济生产的关键。正常生产时要求配氯率（氧化液中氯气和溴浓度之和与氧化前2倍卤水中溴离子浓度之比，用百分数表示）控制在105-120%左右。

手动生产时，用化学检测按照2小时规定进行氧化液PH值和配氯率检测，检测与调节存在时间差，一般操作时控制的都稍微大一些，加大了硫酸和氯气的消耗，增大了生产成本，严重影响经济效益。

（2）吸收工序所需SO2由硫磺燃烧车间提供，吸收的化学反应如下：

SO2加入量小，吸收不彻底，加入量大，成本加大。手动生产时靠人工定时采用化学滴定法测量捕沫器后尾气SO2含量。而二氧化硫加入量受卤水、氧化时的氯气量的影响较大，如不进行实时控制，造成原材料硫磺消耗过大，要求在线检测吸收尾气SO2含量，实时调整硫磺下料量。

（3）来自吸收后初级酸完成液，在蒸馏工序通过蒸汽加热，加氯气将溴分子分离出来，化学反应如下：

2HBr+ Cl2==2HCl+Br2

手动操作需要操作人员通过观察蒸馏塔溴分离界面去操作蒸汽、完成液和氯气三个阀门，劳动强度大，并且对操作工的经验和责任要求较高。操作失当会造成溴产品成分不纯或部分溴随废液流失，或造成爆塔危险。氯气或溴气的泄露也会危害操作人员的人身安全，迫切需要自动控制生产。

3 监控系统硬件构成方案

根据溴素生产过程要电气、仪表、安防报警统一到一个平台下的监控要求，考虑车间地域分布特点及对系统可靠、灵活和扩展方面的要求，由西门子S7-300PLC搭建了三电一体化（EIC）监控系统。

图2 总体监控系统方案示意图

总体监控系统方案示意图如图2所示。中控室设置在蒸馏车间，选用CPU315-2DP做为主站，双CPU实现软冗余。过程中的大部分变量检测与控制均由主站完成。在S7-300主站下再通过Profibus-DP总线连接三个分控站， 分别负责卤泵变频站、硫磺燃烧站和称重报警站的数据采集和控制，其中称重报警站通过Mdibus与10台称重二次仪表通信采集氯气瓶和溴罐的重量信号。

中控室工程师站和操作员站与S7-300主站通过冗余工业以太网连接，Sever1和 Sever2互为冗余，负责数据信号远传至调度室两个互为冗余的客户端Client1和Client2，Client1和Client2负责DLP大屏的显示分配调度，通过多屏控制器与其它安防视频信号送往DLP大屏显示监视管理。同时，Sever1和Sever2也兼做操作员站，Sever3为工程师兼做操作员站。

4 主要测控方案

整个EIC监控系统中，除了泵阀联锁控制，安保联锁控制外，将风机、泵类的运行、故障及电流信号传入主控系统进行监视报警。模拟量除了压力、液位温度检测外，卤泵流量、加酸流量、淡水流量、完成液流量、各类氯气流量进行累积，便于物料平衡及成本计算。淡水流量控制、液氯气化水槽温度控制、蒸馏塔温度控制、蒸汽压力控制等均采用常规PID控制，吹出配酸控制，采用积分分离PID控制，硫磺燃烧加入量（调硫磺电机变频频率）到尾气SO2含量变化，由于滞后太大，采用“等等看”算法进行自动控制。主要难点在于以下吹出配氯和蒸馏配氯的测控。

4.1 吹出配氯率检测与控制

配氯率无法实现在线测量，通过工艺分析及实验发现，在氧化液PH、温度、卤水溴含量及卤水流量稳定时，氧化液的氧化还原电位（ORP）与配氯率有一一对应关系，大约95-120的配率，对应的ORP值为950-1100。因此，可用ORP值做为被控量，通过改变加氯量达到配氯率的控制。固定卤泵变频的频率，能够保证卤水流量恒定，通过氧化液加酸量控制氧化液的PH值，但是氧化液的温度、卤水含溴量是经常变化的，PH值在调节过程中也会变化，且卤水含溴量不可测，很难建立起它们的数学关系模型。因此，采用模糊控制思想，在大量实验数据的基础上，建立起多个不同条件下（根据实测PH值，温度和季节时间段化学测定卤水含溴量的历史值）ORP值与配氯率的模糊关系表，查表得出并自动修正ORP设定值。同时，为了克服非线性及时变特性，采用模糊自调整PID控制策略，控制结构如图3所示。

图3 吹出配氯比模糊自调整PID控制结构

上述方案的实现仍存在一难点，就是ORP的准确测量。由于氧化液介质的特殊性，会在ORP铂电极表面沉附沉淀物从而带来测量误差（2天的吸附ORP值会降低低40mV左右，吸附层越厚，误差越大。化学分析及实验发现，并且温度越高、PH值越高，吸附越厉害。大量实验发现，温度在25以下，PH在2.6以下，吸附明显减轻。故而将ORP测量电极放置在专门设计的恒酸及恒温槽中降低了吸附成度，再通过自行设计的定时超声波和机械清洗装置去掉少量吸附物，从而保证了ORP的准确测量，配氯率的自动控制得于实现。

4.2 蒸馏配氯检测与控制

为了保证蒸馏提取效果，溴成分稳定，工艺上要求蒸馏塔顶温度恒定，加入完成液流量和氯气流量满足比例要求。但是完成液流量来自高位槽，随着高位槽液位变化，管道流量也会变化，氯气管道的压力也会随着环境温度变化及液氯瓶更换过程发生波动，引起流量变化。因此蒸馏配氯控制的控制方案是在组成塔顶温度控制的同时，采用如图4所示的溴成分对完成液/氯气的串级比值控制系统。操纵变量为加氯量，通过调整加氯量来维持溴成分稳定。副控为完成液流量和氯气流量的单比值控制，不仅能保证加氯量跟随完成液流量，还能克服来自氯气管线上的压力波动，保证配氯比。主控为溴成分控制器，主要克服来吸收后完成液含溴量变化引起的波动。

该方案实现的难点在于溴成份难于在线测量，工艺分析得知，玻璃蒸馏塔上溴分离能够观察到一个棕色和黄白色的分界面，这个界面位置恒定在某一位置时，分离效果最好。故可通过图像色度和长度分析可以给出加氯量控制的依据。

因此，专门研发了“蒸馏塔图像采集及分析系统”，该系统通过8个高清网络摄像机将8套蒸馏塔溴分离界面图像通过交换机送到图像分析服务器中，通过开发的图像分析及优化软件，将反映色度及长度的信号传至PLC控制系统，作为间接反映溴成分的测量信号。

5 综合调度中心监视系统

海晶集团提溴厂由三个车间组成，地域分散，总部设在一车间，二、三车间距离总部分别为3公里和7.5公里，因此管理上比较困难。本次改造在一车间设置综合调度管理中心。调度中心系统由功能服务器、操作终端、视频监控终端、DLP大屏幕显示系统及有线局域网组成。在各功能软件系统支持下，实现了调度中心对三个车间的远程运行参数监测与控制、安防视频图像显示与控制等，满足了调度决策必须科学化和智能化要求的各项功能。

图4 蒸馏塔溴成分对完成液流量/氯气流量的串级比值控制系统

各车间操作员站、工程师站和调度中心大屏均采用WINCC组态软件组态，具备流程画面监视、报警显示与设置、变量闭环控制控件、实时报表、历史数据查询及曲线等管理功能。调度中心DLP大屏显示效果如图5所示。

图5 调度室DLP大屏流程监视及操作画面

6 结束语

该项目在天津海晶集团提溴厂已稳定运行近一年，实现了4条吹出生产线，8条蒸馏生产线的自动化控制。该项目的实施，降低了操作人员的劳工作环境明显改善；吹出配氯、配酸及燃烧SO2控制使得氯气、酸和硫磺消耗大大降低，生产率得到提高；蒸馏配氯图象分析与控制的成功运行，使成品溴纯度达到99.9%，产品质量明显提高；综合调度中心使得全厂综合管理水平得到较大提升，减少了人力和物力成本，经济效益和社会效益显著。

[1] 徐枫.金耀明等.海水提溴技术现状及前景.广东化工.2013.

[2]刘立平.浓海水提溴方法及存在问题的研究.盐业与化工.2012.

[3] 李俊玲.唐仕明.袁存光.溴生产配氯率自控中配氯比测量系统.海湖盐与化工.2004.

[4] 白瑞祥.李磊.董英杰.基于IPCP-PLC的海水提钾网络化监控系统.自动化仪表.2007

[5] 谢更柱.王德志.模糊控制与PID结合控制在电石炉上的应用.化工自动化及仪表.2004

1、白瑞祥，男 ，1964年生，现为天津科技大学电子信息与自动化学院教授，主要从事自动化系统集成、智能控制、计算机网络系统的教学与研究工作。

2、朱丽丽，女 ，1970年生，大学本科，主要从事仪表与自动化装置及系统的设计、管理维护及研究工作。

(编辑：王鹏)