基于DCS系统的干吸工序自动控制生产实践.doc

基于DCS系统的干吸工序自动控制生产实践田善江（陕西锌业有限公司，陕西 商洛 726007）摘 要根据200kt/a锌精矿焙烧烟气制酸装置干吸工序自动调节系统的应用实践，对基于DCS系统的干吸工序各循环槽的酸浓度及液位的自动控制的实现、影响自动调节系统的因素、关键的检测仪表的选型等进行了介绍。关键词 硫酸，自动调节，酸浓度，液位，串酸，调节阀Auto-control in drying and absorption section based on DCS systemTian shanjiang(Shaanxi Zinc Industry Co., Ltd, Shangluo 726007, China) Abstract：According to the productionpractice of auto-control in drying andabsorption section of a 200kt/a sulphuric acid plant， It is Introduced that the realizationof auto-control of concentrationandliquid level in drying andabsorption section and the factors influencing the auto-adjust system and the selection of measuring instruments which are important.Keywords: sulfuric acid，auto-adjust，acid concentration，level，acid-mixing，valve0前言某企业200kt/a锌精矿焙烧烟气制酸装置于2009年6月建成投产，工艺流程为酸洗净化、二转二吸流程。该装置采用上海新华DCS系统实现对过程参数的控制1。干吸工序共有6套自动调节系统，用于控制各循环槽的酸浓度和液位。刚投产时，干吸工序自动调节系统尚未发挥作用，仅能通过DCS系统对调节阀进行远程软手操控制。经过几年的实践，干吸工序自动调节系统早已完全正常运行，在保证成品酸质量及遏制环境污染等方面均发挥了重要作用。现将该制酸装置干吸工序的自动调节系统应用实践介绍如下：1干吸工序工艺流程及参数控制要求 1.1工艺流程： 该制酸装置干吸工序带控制点的工艺流程图见图1。根据图1，将干吸工序的烟气流程及酸流程简述如下：（1）烟气流程：1）干燥塔：来自净化工序的经除雾处理的SO2烟气，进入干燥塔，经干燥循环酸喷淋干燥后，出干燥塔，经SO2风机，送至转化工序，进行一次转化。2）中间吸收塔：经转化工序一次转化的SO3、SO2混合烟气（含少量SO2）进入中间吸收塔，经一吸循环酸喷淋吸收SO3后，出中间吸收塔，从b换热器进转化工序，进行二次转化。3）最终吸收塔：经转化工序二次转化的SO3烟气（含微量SO2）进入最终吸收塔，经二吸循环酸喷淋吸收SO3后，出最终吸收塔，至尾气脱硫工序，经脱硫处理后排空。（2）酸流程：1）酸循环基本流程：a、干燥循环酸：浓度约93%的干燥循环酸从干燥循环槽泵出，至干燥阳极保护酸冷器降温后，从干燥塔上部进入塔体，喷淋SO2烟气，吸收其中的水分，使酸的浓度降低、温度升高、体积膨胀。干燥循环酸汇聚到干燥塔底部后，回流到干燥循环槽。b、一吸循环酸：浓度约98%的一吸循环酸从一吸循环槽泵出，至一吸阳极保护酸冷器降温后，从中间吸收塔上部进入塔体，喷淋并吸收烟气中的SO3，使酸的浓度、温度均升高。一吸循环酸汇聚到中间吸收塔底部后，回流到一吸循环槽。c、二吸循环酸：浓度约98%的二吸循环酸从二吸循环槽泵出，至二吸阳极保护酸冷器降温后，从最终吸收塔上部进入塔体，喷淋并吸收烟气中的SO3，使酸的浓度、温度均升高。二吸循环酸汇聚到最终吸收塔底部后，回流到二吸循环槽。2）酸循环基本流程引起的后果及其解决：如前所述，酸循环基本流程引起的后果主要为：（a）各循环槽酸温均升高；（b）干燥循环酸浓度降低、体积膨胀；（c）一吸循环酸、二吸循环酸浓度升高。解决办法如下：a、酸温升高问题：通过阳极保护酸冷器来降低酸温。b、干燥循环酸浓度降低、体积膨胀问题：产98%酸时，通过与一吸循环槽的相互串酸来解决；产93%酸时，此问题已降低为次要问题，后文有详细分析，此处不赘述。c、一吸循环酸、二吸循环酸浓度升高问题：通过工艺加水可使酸浓度控制在合理范围，但会引起酸的体积膨胀（表现为循环槽液位升高）。二吸循酸的体积膨胀问题可通过将增量酸串至一吸循环槽来解决；一吸循环酸的体积膨胀问题：产98%酸时，通过将增量酸向地下槽串酸，既是成品酸产酸过程，也可解决酸的体积膨胀问题；产93%酸时，通过将增量酸串至干燥循环槽，使一吸循环槽液位控制在合理范围；但一吸循环槽的这一串酸过程将引起干燥循环酸体积膨胀、酸浓升高，可通过工艺加水，使干燥循环酸浓度控制在合理范围，将干燥循环酸的增量部分串至地下槽，可解决干燥循环酸的体积膨胀问题，也是93%成品酸的产酸过程。 图1：干吸工序带控制点的工艺流程图（Figure 1：The P&ID of drying andabsorption section）1.2 主要参数控制要求：在酸流程中，通过串酸和工艺加水使3个循环槽的液位及酸浓度保持在规定的指标范围内。串酸过程主要有：干燥循环槽与一吸循环槽的相互串酸，二吸循环槽向一吸循环槽串酸，产98%酸时一吸循环槽经成品酸阳极保护酸冷器向地下槽串酸，产93%酸时干燥循环槽经成品酸阳极保护酸冷器向地下槽串酸。这一工艺过程中，对各循环槽的工艺参数要求如下：（1）液位：因循环槽的结构特点，同样的液位变化量在循环槽上部、中部、底部对应的体积变化量差异较大，但在中位附近，相同的液位变化量对应的体积变化量差异不是很大。为便于实现自动控制，需要将液位的控制范围设置在循环槽的中位附近。该装置循环槽内净高约240cm左右，因此3个循环槽的液位参数均可设置在90160cm之间，但二吸循环槽液位上限可适当放宽，以不超过200cm为宜。（2）酸浓度：为了保证干燥后的SO2烟气水分含量小于规定指标，干燥循环槽酸浓A101应控制在9394.5%之间，最低不宜低于92.8%，最高不宜高于94.8%，当需要生产的成品浓硫酸为93%酸时，A101应控制在93.3%至93.8%；为了保证吸收率及成品98%浓硫酸的酸浓度指标，并避免尾气烟囱冒白烟或冒蓝烟，一吸循环槽酸浓A102及二吸循环槽酸浓A103应控制在98.398.8%之间。2与自动控制相关的仪表的选型历程2干吸工序自控系统共有套酸浓度检测仪表、套液位检测仪表，8台调节阀。仪表的最初选型及安装位置的确定，均系依据设计文件。液位检测仪表选用国产品牌的雷达液位计，在各循环槽的顶部安装；93%、98%硫酸浓度仪均选用美国某品牌的基于电导率原理的硫酸浓度仪。93%硫酸浓度仪的传感器安装于从干燥酸循环泵出口管引出的干燥酸取样罐上。2套98%硫酸浓度仪的传感器分别安装于从一吸、二吸循环泵出口管道引出的2个吸收酸取样罐上。装置投产后，由于中间吸收塔、最终吸收塔出口酸温均远高于设计温度（此问题不在本文讨论范围），其长期变化范围在85110之间，因此，98%硫酸浓度仪的传感器使用寿命极短，最多使用1个半月，传感器探头就会因碳化开裂而坏掉。由于进口产品交货周期较长，因此酸浓仪的传感器探头坏掉后，就会很长时间无法在线监测酸浓，使生产十分被动。后来在网上找到一家也是基于电导率测量原理的内资酸浓仪制造商南京盖恩科技发展有限公司，根据其网站介绍，他们的98%硫酸浓度仪的传感器可耐较高温度，能在120左右的介质中长期使用。我们对此很感兴趣，遂与该公司进行了接触。该公司提供了3套酸浓仪让我们免费试用6个月。该品牌的93%硫酸浓度仪量程为91%95%，98%硫酸浓度仪量程为96.5%99.5%，试用期间，我们反复将其测量结果与化验室分析值进行比较，结果表明该公司的酸浓仪完全可以满足循环槽酸浓检测的准确度要求。此后便选用该公司硫酸浓度仪用于酸浓检测，截至目前，仅更换过1只98%酸浓仪的传感器。雷达液位计在使用过程中也进行了换型。根据设计图纸上的型号规格，雷达液位计的天线为杆型天线，天线长度约50cm，液位计安装后，天线端部伸入循环槽内约30cm，使有效测量范围显著缩小，且当液位较高时，天线端部很容易挂上酸液、露珠或其它污物。因此在该制酸装置投产后，干吸循环槽的雷达液位计经常发生死机故障，给操作人员带来很大困扰。后经反复比较各种天线形式的雷达液位计的特性，并结合该制酸装置干吸循环槽的具体情况，选用天线形式为过程密封天线（用聚四氟乙烯制成的圆盘将锥形天线与储罐环境密封隔离）的雷达液位计用于循环槽及地下槽的液位检测，没有再出现死机现象。3干吸工序自控方案的设计思路在该制酸装置DCS系统现场组态阶段，从该企业在另一套规模较小的制酸装置的老干吸操作工那里详尽了解了手动控制各循环槽的液位、酸浓度的生产经验，并初步分析了该200kt/a制酸装置中影响各循环槽的液位、酸浓度的各种因素，在此基础上完成了自动控制方案的设计，并进行了软件组态。设计思路如下：（1）干燥循环槽与一吸循环槽之间的相互串酸是最主要的串酸操作。干燥循环槽向一吸循环槽串酸时，将影响干燥循环槽液位L101、A102、A101等3个参数。一吸循环槽向干燥循环槽串酸时，影响A101，A102、L101、一吸循环槽液位L102等4个参数。控制方案设计时，这两个循环槽之间的串酸操作应重点考虑。（2）两个吸收循环槽之间为二吸循环槽向一吸循环槽单向串酸。串酸时，影响L102及二吸循环槽的液位L103，因这两个循环槽的酸浓通常比较接近，该串酸操作对A102的影响很小。为保证在此串酸过程中使L102始终处于设定范围，可通过调节一吸循环槽向地下槽串酸的F8（产98%酸时）或向干燥循环槽串酸的F4（产93%酸时）的阀位开度来解决。（3）工艺加水过程，3个循环槽各有特点。SO3的吸收过程主要在中间吸收塔进行，因此一吸循环槽工艺加水加水量较大，加水调节阀F7阀位开度需随时调整，是工艺加水控制的重点。二吸循环槽工艺加水量较少，控制相对简单。干燥循环槽的工艺加水分为2种情况：a）产98%酸时，几乎不需要加水或仅需微量加水。b）产93%酸时，工艺加水量较大，加水调节阀F1阀位开度的调整也很频繁，往往与一吸向干燥循环槽串酸及干燥循环槽向地下槽串酸的调节同时进行，既要使A101要符合成品93%酸的要求，又要维持L101、A101、L102的动态平衡，控制难度较大。（4）不管是酸浓度控制还是液位控制，均会涉及到串酸或工艺加水，很难明确区分一个调节阀的作用是调节液位还是调节酸浓度。液位的变化与酸浓度的变化又会相互影响，因此仅靠传统的PID控制方式，可能难以取得理想的调节效果。因此，利用DCS系统的优势，引入模糊控制和智能控制功能，是十分必要的。（5）鉴于产品可能是98%酸也可能是93%酸，因此需要设置1个用于判断98%酸与93%酸的逻辑参数（可简称为BL），用于判断哪些调节阀在何种情况下如何参与一吸循环槽、干燥循环槽的串酸或加水调节。可人为规定：产98%酸时，BL的值为“真”，产93%酸时，BL的为“假”；由操作员在人机界面上输入产98%酸或产93%酸指令，给BL赋值。4应用实践该制酸装置投产后的最初一年里时，由于酸浓仪的问题、雷达液位计的问题以及操作经验不足等各种原因，干吸工序的自动控制没能实现。但通过在DCS系统上的远程软手操，也为之后自动控制的逐步实现积累了经验。经反复观察比较DCS系统中干吸工序各个调节阀的阀位开度历史趋势图及循环槽液位、酸浓度的历史曲势图，逐步总结出了一些有益的经验，如下：（1）A102是L101L103、A101A103等6个参数中最为关键的参数。A102如能控制在一个理想的区间，所有的串酸、工艺加水操作都会比较容易；如果偏离这个理想的区间，偏离越多，回调的难度越大，将会使循环槽之间的串酸、工艺加水以及循环槽向地下槽的串酸等的阀位开度需要不停调整，各被控参数很难稳定，陷入恶性循环。根据经验，该制酸装置A102的理想变化区间为98.4098.65%。（2）当产品为98%酸时，干燥循环槽不需要工艺加水。产93%酸时，通过调节干燥循环槽的工艺加水量、干燥向一吸循环槽串酸量、一吸向干燥循环槽串酸量、干燥循环槽向地下槽串酸量的相互配合来维持L101与A101之间的动态平衡（以L101在125145cm之间、A101在93.4093.80之间为比较理想的平衡点）。（3）二吸循环槽仅需要小量加水，以便将A103控制在合理的范围（最适宜区间为98.5098.80%）。L103会随着工艺加水缓慢上升，可以通过向一吸循环槽小流量串酸，使L103不超过液位控制上限。（4）一吸循环槽的工艺加水量很大，F7的阀位变化范围大。且在产98%酸与产93%酸两种情况下，维持A102与L102之间动态平衡的方法也有差异：产98%酸时：F8一般应始终打开，结合该串酸管道管径等实际情况，F8的阀门开度控制在1525%之间比较合适；干燥循环槽至一吸循环槽的串酸阀F3及一吸循环槽至干燥循环槽的串酸阀F4均应打开，阀位开度上限不宜超过20%。工艺加水的主要目的是对吸收了SO3的浓硫酸进行稀释，使A102下降，但将引起L102的上升；通过向地下槽串酸，可抵消L102的上升趋势；调控F8的阀位开度，使其按一定比例跟随F7的阀位开度，可以使L102变化幅度很小。通过F3、F4可对A102、L102进行微调，但F3、F4的主要作用是对A101、L101进行调节。产93%酸时：F8全关，F4及干燥循环槽向至地下槽串酸的调节阀F2始终打开。与产98%酸时一样，A102的调节主要通过改变F7的阀位开度来实现，调整F3的阀位开度是调节A102的辅助手段。通过调控F4的阀位开度，使其按一定比例跟随F7的阀位开度，从而维持A102与L102之间动态平衡。（5）SO2风机出口烟气的SO2浓度ASO2是影响A102变化趋势的一个不可忽视的因素，ASO2将引起A102，ASO2引起A102。据此可根据ASO2的变化微调F7的阀位开度，使A102提前向ASO2波动的反方向变化，从而使ASO2波动时A102保持稳定。根据上述经验，对DCS系统中干吸工序各调节系统的软件功能块进行了修改。首先将ASO2作为1个输入参数引入一吸循环槽酸浓度调节功能块；其次对各被控对象进行了优先级排序，按优先级从高到低依次为：A102、A103、A101、L102、L101、L103，最后对各调节阀的作用进行了适当调整，调整后各调节阀作用如下：F5：控制A103。F6：主要调节L103，辅助调节A102、L102。F8：BL为“假”时全关，BL为“真”时，控制L102。F7：主要调节A102，辅助功能：F7的阀位开度影响L102的增量变化率。F3：BL为“真”时，主要调节L101，辅助调节A102、微调A101；BL为“假”时，对L101、A102、A101均起辅助调节作用。F4：BL为“真”时，主要调节A101，辅助调节A102、L102、L101；BL为“假”时，主要调节L102、A101，辅助调节A102，F4的阀位开度影响L101的增量变化率。F2：BL为“真”时，全关；BL为“假”时，控制L101。F1：BL为“真”时，全关；BL为“假”时，调节A101，F1的阀位开度影响L101的增量变化率。在对干吸工序3个循环槽的6大参数全部实现自动控制尚没有十分把握的情况下，率先将一吸循环槽的2个对外串酸阀F8、F4及工艺加水阀F7从“软手操”状态切到了“自动控制”状态，其它调节阀继续保持“软手操”状态。在处于“软手操”的其它相关调节阀的配合下，根据A102、L102的变化规律，启动F8、F4、F7在DCS系统中各自对应的软件功能模块的自整定功能，实现对各功能模块比例带、积分时间Ti、微分时间Td的整定。在运行过程中，又通过观察A102、L102的运行曲线，人工对、Ti、Td进一步修正。然后再启动DCS系统的参数自整定功能.。终于得到了比较理想的、Ti、Td值。在F8、F4、F7实现自动控制且稳定运行一段时间后，又逐步将F3、F5、F6切到“自动控制”状态，并完成了它们各自对应的软件功能模块的PID参数整定，使F3、F5、F6顺利转入自动运行。F1、F2投入自动运行较晚，直到2012年才有了需要93%硫酸的客户，生产了一段时间的93%硫酸，这才有了对控制F1、F2的软件功能模块进行PID参数整定，并将F1、F2