零手动操作系统在460 kt/a离子膜烧碱装置的应用

郑积林，周天明，孙向阳

（1.浙江巨化股份有限公司，324000；2.浙江中巨智能科技有限公司：浙江 衢州 324000）

某企业离子膜烧碱装置生产规模达到460 kt/a，包含4套装置（4期建设），其主要流程包括一次盐水工序、二次盐水工序、电解工序、氢处理工序和氯处理工序，产品为烧碱以及副产品氯气、氢气等。装置采用横河CENTUM VP控制系统。

离子膜烧碱装置具有大滞后、非线性和多变量相互耦合的特性，并且部分仪表阀门存在死区和选型不当的情况，操作人员需要不断操作以维持生产装置相对稳定，很难进行精细控制。为了进一步提高离子膜烧碱装置的自动化水平，稳定产品质量，降低装置能耗物耗，实现挖潜增效，该企业引进零手动操作技术，对生产装置进行基础自动化升级，采用精良装备，开发离子膜烧碱装置零手动操作系统，以实现装置的DCS 零手动操作控制和精细化控制，通过“卡边”优化，达到节能降耗的目的。

1 工艺流程

以三期为例，工艺流程如图1所示。

图1 离子膜烧碱工艺流程Fig 1 Process flow of ionic membrane caustic soda

精制盐水通过主管线，被送到每个电解槽的阳极入口总管，经调节控制后流入各单元槽。电解后的氯气和淡盐水混合物气液分离后，淡盐水进入到阳极液循环槽，氯气被收集进入氯气总管，氯气中的水经管道流入液相进口管。同时，淡盐水经过泵送到脱氯塔脱氯。

阴极液通过烧碱高位槽，由阴极液总管送到电解槽的入口总管，调节好流量后流入到各单元槽。阴极液和氢气混合物通过电解槽阴极出口软管流出，进行气液分离后，氢气被收集进入氢气总管并送至阴极液循环槽顶部，氢气压力通过调节控制并送至氢处理系统。同时，阴极液大部分通过返回电槽，一部分阴极液作为产品送到四岗位32%碱槽。

2 零手动系统架构与操作

离子膜烧碱装置采用智能模型预测控制软件包Cyb-iMPC 10.0，经过阶跃测试过程，通过OPC数据接口和数据采集软件获取阶跃测试数据；利用模型辨识软件，辨识阶跃测试数据，将装置的关键操作变量、被控变量和扰动变量的模型建立；然后进行控制器设计，并根据工艺规则和控制要求进行脚本编程；最后建立人机交互界面，即先进控制技术（Advance process control，APC）控制器操作画面，实现离子膜装置先进控制。零手动操作技术主要分为模型预测控制（MPC）和智能专家控制[1]。其中的MPC控制算法包含3大特征，即预测模型、滚动优化和反馈校正[2]。

2.1 系统架构

离子膜烧碱装置建立了3 个APC 先进控制器（包括电解槽温度控制器、电解槽质量控制器和电解槽负荷调节控制器）、1 个智能专家控制器（包括树脂塔控制器）和软仪表测量系统。离子膜烧碱零手动操作控制系统具有克服强耦合、非线性、大滞后等不良因素的能力，达到对装置中各部分工艺参数的平稳控制，提高装置自动化水平，降低操作人员劳动强度、降低装置能耗和物耗。其操作控制系统的总体架构如图2所示。

图2 零手动操作控制系统总体架构Fig 2 Unmanned operating system structure diagram of plant

2.2 操作方法

通过MPC 模型预测控制软件，采用测试建模进行一对多、多对一、多对多的控制功能实现零手动操作技术。项目实施时，对全流程按照装置分割成多个自控模块，形成多个含有操作变量MV、被控变量CV、扰动变量DV 的子控制器，通过不断优化控制器参数去实现控制器的解耦控制[3]。

针对特殊工况和异常工况，通常引入智能专家控制技术即对操作人员的处理工况方式归纳总结，结合装置长期以来累计的数据分析、化工原理，由项目实施工程师将条件、方式等进行整合、程序编写、形成针对特殊工况的智能专家控制器，实现一键开停车、故障自动处理、控制器参数自适应调节等功能。

对于环境恶劣、手段受限的工况，通常使用软测量技术作为零手动操作的辅助手段，该技术的核心是建立工业对象精确可靠的模型，以实现闭环优化控制[4]。

2.2.1 树脂塔控制器

树脂塔控制器包括二期、三期和四期树脂塔，根据离子交换树脂塔生产需求，拟树脂塔控制器设计变量如表1。

表1 树脂塔控制器设计变量Tab 1 Resin tower controller design variable

2.2.2 电解槽质量控制器

电解槽质量控制器包括一期～四期碱液含量优化控制。控制策略为（以三期为例）：被控变量CV，出口碱液密度3DRCA-274；操纵变量MV，高纯水流量3FICA-221。

2.2.3 电解槽温度控制器

电解槽温度控制器包括二期电解槽A 槽至G槽、三期电解槽A槽至F槽、四期电解槽A槽至F槽。

对于电解槽温度控制，由于多个被控变量之间、以及被控变量与操作变量之间存在着相互耦合，因此考虑采用多变量模型预测控制，以循环碱液温度设定量为操纵变量，以电解槽槽温为被控变量，以电解槽电流量为干扰变量，建立多变量模型预测控制，在调节过程中，保证最高槽温不超过设定上限，最低槽温不低于设定下限。温度模型控制矩阵（以三期为例）见表2。

表2 温度模型控制矩阵Tab 2 Temperature model control matrix

2.2.4 电解槽负荷调节控制器

电解槽负荷调节控制器包括一期～四期电解槽负荷调节操作，根据电解槽工艺特点和过程控制需求，建立先进控制器，包括降负荷操作优化调节和升负荷操作优化调节（以三期A 槽为例），负荷调节前解除零点电位差的联锁。

降负荷优化操作：

1）根据最终目标电流按比例降低盐酸量3FICA-211A；

2）降电流3IIZA-230A（电流操作由电工根据电流单步目标量完成）；

3）根据单次目标电流按比例降低高纯水量3FICA-221；

4）根据单次目标电流按比例降低盐水量3FICZA-231A；

5）交替进行步骤1～步骤4 至目标电流；

6）完毕后恢复零点电位差3ED12A-230A的联锁。

升负荷优化操作：

1）根据单次目标电流按比例提高盐水量3FICZA-231A；

2）根据单次目标电流按比例提高高纯水量3FICA-221；

3）升电流3IIZA-230A（电流操作由电工根据电流单步目标量完成）；

4）根据单次目标电流按比例提高盐酸量3FICA-211A；

5）交替进行步骤1～步骤4至目标电流；

6）完毕后恢复零点电位差3ED12A-230A 的联锁。

3 应用效果

3.1 DCS自控率

零手动改造前，部分调节阀、执行器和检测仪表使用年限较长，运行已不正常；同时，部分控制回路PID参数设置不合理，导致大部分控制回路不能打自动，装置自动化水平较低。

在改造过程中，通过对装置基础控制回路进行PID参数的整定，装置的自动化程度有了较大幅度的提升。目前，剔除掉一些因工艺原因不需要投自动的回路，离子膜烧碱装置的自动化程度已经达到90%以上。

改造前，离子膜烧碱装置主流程3天内DCS操作人员操作158次，改造后实际操作0次，大大地降低了操作次数，同时也降低了人为误操作的风险，系统的关键控制指标平稳性得到大幅改善，自动化程度得以大幅提升。

3.2 碱液含量优化

零手动操作系统项目实施后，选取投运前后3天碱液NaOH 的质量分数数据进行控制效果对比，见表3。

表3 零手动改造前后碱液含量Tab 3 Alkali content before and after zero manual transformation

由表3 可知，零手动改造后电解槽出口NaOH的质量分数稳定，标准方差分别降低了81.73%和68.52%。

与改造前相比，一期～四期碱液NaOH的质量分数分别降低0.29%、0.32%、0.38%、0.02%，平均降低0.26%。质量卡边操作，可有效降低液碱产品销售过程中的折百烧碱损失。碱液浓度通过卡边优化，每年降低损失260.3万元。

3.3 电解槽温度控制优化

零手动操作系统项目实施前后，二期电解A槽的温度变化见表4。

表4 零手动改造前后的二期电解A槽温度Tab 4 Temperature of phase II electrolytic A cell before and after zero manual transformation

由表4可知，零手动改造后二期电解槽温度控制器实现槽温的稳定控制，在保证生产安全的约束内，提高了电解槽电流效率。

3.4 树脂塔控制优化

树脂塔再生过程包括9 个步骤，即水洗I、反洗、HCl 再生、水洗II、NaOH 再生、水洗III、等待I、盐水充填和等待II。其中，水洗I 至水洗III步骤将消耗水、HCl和液碱，并产生废水，必须进行处理，以保护环境。所以再生次数越少，水、酸和碱消耗量越少，废水处理量越少。表5为三期树脂塔再生过程物料流量。

表5 三期树脂塔再生过程物料流量Tab 5 Phase III resin tower regeneration process material flow

根据统计，零手动改造前，三期树脂塔2017年月平均再生34.2 次；改造后的2018 年9 月和10月，三期树脂塔各再生31次，即每月减少再生约4次。因此每月可分别减少纯水、盐酸、液碱消耗690、12、10.52 m3。每年物料节约费用约17.35万。

4 结束语

通过零手动改造，实现了离子膜烧碱装置3天操作从158次降低到0次；碱液含量、槽温等关键控制指标的标准方差降低了40.0%以上；液碱NaOH 的质量分数平均降低0.26%，每月可分别减少纯水、盐酸、液碱消耗690、12、10.52 m3，每年可实现节能降耗创造的经济效益约为277.65万元。

零手动控制系统项目改造工程，使装置自动化程度产生了质的飞跃，一定程度上实现生产装置全流程、全过程的DCS 零手动操作。生产过程中不需要人工参与调节，操作人员变为监盘人员，且实现了节能降耗。