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化工氧化工藝全流程自動化控制設(shè)計
發(fā)布時間：
2024-02-26 11:28
引言
氧化工藝作為國家重點工藝之一 ，其原料及產(chǎn)品有著燃爆的危險性 。在生產(chǎn)過程中，溫度的控制須在 95 ℃以內(nèi)，否則有沖料的可能 。因為溫度的傳熱滯后與人工控制存在著眾多危險，所以全流程向自動化 、數(shù)字化與規(guī)范化發(fā)展十分必要，本文選擇 DCS 系統(tǒng)來制作全流程自動化順控程序。
在氧化工序中投入 DCS 系統(tǒng)有如下優(yōu)點： ①此系統(tǒng)可以完成分散控制與集中處理等眾多復(fù)雜操作，可靠性高 ；② DCS 可以把控制功能分散在多臺計算機(jī)，因此某一臺計算機(jī)出現(xiàn)故障不會影響其他計算機(jī)、所有功能還能盡數(shù)實現(xiàn) ； ③擁有開放性，采用開放式的標(biāo)準(zhǔn) 、 模塊和系列化設(shè)計，各臺計算機(jī)用局域網(wǎng)方式通訊，擴(kuò)充系統(tǒng)時方便快捷 ；④ DCS 系統(tǒng)還擁有靈活性 、協(xié)調(diào)性和控制功能齊全的特性,
為實現(xiàn)全流程自動化提供了軟件支持 。在氧化工藝現(xiàn)場投用眾多自動化設(shè)備，如溫度傳感器 、液位傳感器 、 壓力傳感器等設(shè)備可以實時傳輸現(xiàn)場控制參數(shù)，切斷閥 、調(diào)節(jié)閥 、電機(jī)等設(shè)備控制物料進(jìn)出速率 。通過自動化設(shè)備可實現(xiàn)各種生產(chǎn)操作，為實現(xiàn)全流程自動化提供了硬件支持 。
氧化工藝使用 DCS 系統(tǒng)制作全流程自動化控制，一是可以解決從前人工控制的弊端，人工控制時需要時刻注意溫度，在溫度超溫后才進(jìn)行降溫處理，溫度降溫過度后才進(jìn)行升溫，這樣導(dǎo)致生產(chǎn)及其不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量不能保證,并且對人力耗費巨大，需要投入大量人力時刻關(guān)注，出現(xiàn)注意力不集中時容易發(fā)生危險 。然而投入設(shè)想中的全流程自動化后，溫度滯后的問題通過系統(tǒng)處理溫度速率變化,提前預(yù)測并作出反應(yīng)，并且工序可以趨于穩(wěn)定，保證產(chǎn)品質(zhì)量，減少人員成本 。
1 氧化工藝全流程自動化總體設(shè)計
1.1 系統(tǒng)設(shè)計方案
1.1.1 系統(tǒng)整體控制設(shè)計
現(xiàn)場通過各類傳感器儀表采集各類參數(shù)進(jìn)行整合進(jìn)入DCS 系統(tǒng)， 再通過集中控制室計算機(jī)顯示 ， 通過參數(shù)判斷現(xiàn)場工況處于什么狀態(tài) ， 從而發(fā)出指令到輸出設(shè)備 ， 控制如調(diào)節(jié)閥與切斷閥等可控設(shè)備動作 ， 以達(dá)到進(jìn)行工藝流程各個步驟的目的 。
1.1.2 工藝流程圖
如圖 1 所示 。
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1.1.3 氧化工藝設(shè)計流程
本工序是在氧化反應(yīng)釜中投入合成液 1/2, 再放入硫磺酸 ， 控溫 ， 滴加 35% 雙氧水 ， 滴畢 ， 升溫 ， 保溫 。
本工序是在氧化反應(yīng)釜中投入合成液 1/2, 開啟攪拌,控制溫度 45.0 ℃? 55. 0 ℃ ， 再放入硫磺酸：950kg, 控溫 65.0 ℃? 70. 0 ℃， 滴加 35% 雙氧水：1200kg, 滴畢 ，升溫至 75.0 ℃~82. 0 ℃, 保溫 18h, 反應(yīng)結(jié)束 。
2 全流程自動化設(shè)計
2.1 程序設(shè)計原則
氧化釜滴加雙氧水過程中溫度達(dá)到 80 ℃ ， SIS 系統(tǒng)報警 ， DCS 中控室操作人員立即通知崗位操作人員 ， SIS 系統(tǒng)自動關(guān)閉蒸汽閥門 ， 同時自動將冰鹽水閥門打開至最大 。當(dāng)降溫至 65 ℃~ 70 ℃ ， 崗位人員通知 DCS 操作人員消除報警 ， SIS 系統(tǒng)自動將冰鹽水閥門關(guān)閉 ， 繼續(xù)滴加 ； 保溫溫度一旦達(dá)到 83 ℃ ， DCS 中控室通知崗位員工 ， 此時現(xiàn)場操作人員應(yīng)及時停止升溫 ， 關(guān)閉蒸汽閥門 ， 開大循環(huán)水閥H, 降溫至 75 ℃~82 ℃， 崗位員工通知 DCS 消除報警,報警消除后繼續(xù)保溫 ； 保溫溫度一旦達(dá)到 85 ℃ ， 達(dá)到報警高高限 ， SIS 系統(tǒng)報警 ， DCS 中控室操作人員立即通知崗位操作人員 ， SIS 系統(tǒng)自動關(guān)閉蒸汽閥門 ， 同時自動將冰鹽水閥門打開至最大 。 當(dāng)降溫至 75 ℃? 82 ℃， 崗位人員通知 DCS 操作人員消除報警 ， SIS 系統(tǒng)自動將冰鹽水閥門關(guān)閉 ， 繼續(xù)保溫 。
氧化釜滴加雙氧水過程中 ， 壓力至 0.05Mpa 達(dá)到報警高限 ， DCS 中控室通知崗位員工 ， 此時現(xiàn)場操作人員應(yīng)及時停止滴加 ， 關(guān)閉滴加閥門 ， 開大循環(huán)水閥門 ， 降溫至常壓 ， 崗位員工通知 DCS 消除報警 。 報警消除后 ， 崗位操作人員打開滴加閥 ， 繼續(xù)滴加 ； 壓力一旦達(dá)到 0.08Mpa,達(dá)到報警高高限 ， DCS 中控室操作人員立即通知崗位操作人員 ， 停止滴加并自動關(guān)閉滴加閥門 ， 同時自動將循環(huán)水
閥門打開至最大 。 當(dāng)降溫至常壓 ， 崗位人員通知 DCS 操作人員消除報警 ， 打開滴加閥門 ， 繼續(xù)滴加 ， 報警消除 。 閥門打開后 ， 現(xiàn)場操作人員調(diào)整滴加速度 ， 正常滴加 。
反應(yīng)釜設(shè)置爆破片 ， 泄爆壓力為 0 .133Mpa。
2.2 程序設(shè)計要求
在 3000L 氧化反應(yīng)釜中投入上步所得的 PBL 合成液的 1/2, 開啟攪拌 ， 再放入 950kg 硫磺酸 ， 控制 A3 合成反應(yīng)釜中料液溫度在 45. 0 ℃~55.0 ℃
在 1500L 雙氧水高位槽中放入 1200kg 的 35% 雙氧水 ， 備用 。
控制 A3 合成反應(yīng)釜中料液溫度在 45. 0 ℃-55.0 ℃,開始滴加高位槽中的 35% 雙氧水，此時溫度上升 。當(dāng)溫度上升至 65.0 ℃-70.0 ℃, 控制滴加溫度在65.0℃~70. 0℃, 繼續(xù)滴加 l0h-13h（ 先慢后快 ， 具體時間以能控制滴加溫度為準(zhǔn)，不能滴加太快）。
滴加完畢，將料液升溫至 75.0℃-82.0℃, 控制料液溫度 75.0 ℃~82. 0℃, 保溫反應(yīng) 18h, 待反應(yīng)液顏色變?yōu)闇\黃色清亮液體為反應(yīng)結(jié)束 。
3 氧化工序聯(lián)鎖設(shè)計與順控程序
3.1 氧化反應(yīng)聯(lián)鎖設(shè)計
為了保證生產(chǎn)過程中不發(fā)生危險，要控制料液溫度在75.0℃~82.0℃, 反應(yīng)釜壓力不超過 0.08Mpa, 生產(chǎn)過程中攪拌不停止，設(shè)置 DCS 與 SIS 聯(lián)鎖。
3.1.1 氧化反應(yīng) DCS 聯(lián)鎖
如圖 2 所示 。
3.1.2氧化反應(yīng) SIS 聯(lián)鎖
如圖 3 所示 。
3.2 程序設(shè)計
氧化工藝在準(zhǔn)備階段需要氧化反應(yīng)釜中投入合成液1/2, 再放入硫磺酸 ， 控溫 ， 將溫度控制在 69 ℃以下 ， 準(zhǔn)備滴加 35 %雙氧水 。
氧化工藝在滴加階段應(yīng)工藝要求需要控制在65℃~ 70 ℃之間，由于在投入雙氧水發(fā)生氧化反應(yīng)時將劇烈放熱，所以需要給反應(yīng)釜通循環(huán)水降溫 。如果降溫不及時，溫度快速上升至 95 % 以上時，此時反應(yīng)釜的狀態(tài)將非常危險， 隨時可能發(fā)生沖料或者爆炸的危險 。并且如果降溫過多，溫度低于 60 ℃以下 ， 氧化反應(yīng)將非常緩慢 ， 導(dǎo)致原料堆積并不反應(yīng) 。
為了防止溫度過高或者過低 ， 需要準(zhǔn)確地將溫度控制在 65℃~70 ℃之間 ， 在超過70 ℃時需要停止滴加雙氧水，并加大循環(huán)水的輸入用于降溫 。 為此設(shè)計 DCS 聯(lián)鎖 ， 為了防止危險發(fā)生 ， 設(shè)計更為安全的 SIS 聯(lián)鎖 ，在溫度超過95℃ 時，加入冰鹽水進(jìn)行急速降溫 。
由于溫度的滯后性與人工控制的局限性，設(shè)計控溫程序控制溫度 ， 在滴加管道與循環(huán)水加入調(diào)節(jié)閥，用程序自動調(diào)節(jié)開度來控制滴加雙氧水的流量和循環(huán)水的流量，在 PID 調(diào)節(jié)的作用下將溫度控制在 65°C~70℃之間達(dá)到動態(tài)平衡 。溫度較高就減緩滴加，加大循環(huán)水輸入 ； 溫度較低就加快滴加以放出更多的熱，并且減少循環(huán)水的輸入 。這樣溫度就一宜可控 。
此程序通過控制滴加調(diào)節(jié)閥與循環(huán)水調(diào)節(jié)閥 ， 并使用PID 調(diào)節(jié)控制滴加速率使溫度控制在 65℃? 70 ℃之間達(dá)到動態(tài)平衡 。但由于反應(yīng)的不同階段放出的熱量也不同 ，所以滴加階段分為了3 個不同的階段來應(yīng)對各個階段放熱不均勻的情況 。
在雙氧水滴加完成之后，工藝要求控制料液溫度75.0-82. 0℃， 保溫反應(yīng) 18h 。 所以在下一個階段要停止輸入循環(huán)水，通過氧化反應(yīng)的不完全反應(yīng)繼續(xù)升溫 。
升溫到 75.0 ? 82.0℃時 ， 需要保溫 18h 。 使不完全反應(yīng)的原料完全反應(yīng) ， 此階段的反應(yīng)還將繼續(xù)放熱 ， 所以還需要輸入循環(huán)水來控制料液溫度在 75.0 ℃? 82. 0℃：之間 ， 所以寫以下程序達(dá)到要求 。
這個階段只需要控制循環(huán)水單回路就可以達(dá)到控制料液溫度在 75.0-82.0℃之間的要求 ， 但由于反應(yīng)到最后階段放出的熱量逐漸減少 ， 所以滴加階段分為了3 個不同的階段來應(yīng)對各個階段放熱不均勻的情況 。
4 程序調(diào)試與結(jié)果分析
4.1 程序調(diào)試結(jié)果
在滴加階段溫度可以控制在 65 ℃? 70℃之間達(dá)到動態(tài)平衡，再滴加開始時候，溫度并不在 65℃~70 ℃之間 ，低于 65 ℃不完全反應(yīng)，部分反應(yīng)并升溫 。當(dāng)達(dá)到適宜溫度開始完全之前沒完全反應(yīng)的余料，故溫度會繼續(xù)上升，有個超調(diào)量，在從最高值溫度下降后將符合控制條件，在自動控制下溫度達(dá)到在65 ℃? 70 ℃之間的動態(tài)平衡 。3 個不同的階段的溫度變化曲線如圖 5。
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在保溫階段溫度可以控制在 75 ℃~82 ℃之間達(dá)到動態(tài)平衡，滴加結(jié)束時要將余料完全反應(yīng)，此時反應(yīng)還將繼續(xù)放熱，可自然升溫到 75 ℃以上，達(dá)到控制條件之后開始控溫，使保溫階段溫度一宜保持在 75 ℃? 82 ℃之間達(dá)到動態(tài)平衡 。
4.2 對比順控控制與手動控制
手動控制是在溫度低溫或者高溫后才采取措施，此時反應(yīng)過于滯后，這就會導(dǎo)致溫度不能控制，產(chǎn)生巨大的波動 。溫度波動過大將使溫度驟升驟降，溫度曲線會出現(xiàn)超低溫的波谷或超高溫的波峰，極易發(fā)生沖料危險 。
而自動控制是使溫度處于動態(tài)平衡，不會出現(xiàn)劇烈波動，減少了沖料的危險 。
4.3 目前存在的問題及解決方案
目前所設(shè)想達(dá)到的目標(biāo)都大致實現(xiàn)，但通過長時間使用后發(fā)現(xiàn)了之前沒有考慮到的問題 。在不同的季節(jié)，氧化使用的循環(huán)水溫度存在著一定的差異，并且不能達(dá)到水溫統(tǒng)一 。因此，在不同季節(jié)控溫效果并不相同，比如在冬天循環(huán)水溫普遍偏低，控溫效果更加明顯，更容易達(dá)到穩(wěn)態(tài) 。然而到了夏天，循環(huán)水溫度就相對較高，控溫效果就不明顯，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時間就更長 。
季節(jié)溫度的變化影響了控溫能力的強(qiáng)弱，影響生產(chǎn)效果，這是設(shè)計時沒有想到的缺陷，但是已經(jīng)有了解決的思路 。將循環(huán)水溫度也加入控溫閉環(huán)中，將溫度擾動變?yōu)榭刂茀?shù)，參與控溫動作。如此以來，系統(tǒng)抗季節(jié)干擾能力加強(qiáng)，在不同的季節(jié)條件下都可以更快地進(jìn)入穩(wěn)態(tài) 。
4.4 調(diào)試結(jié)果分析
此順控程序在滴加階段通過控制滴加調(diào)節(jié)閥與循環(huán)水調(diào)節(jié)閥的雙回路 PID 調(diào)節(jié)，將溫度控制在 65 ℃? 70 ℃之間達(dá)到動態(tài)平衡 。
在保溫階段通過控制循環(huán)水調(diào)節(jié)閥的單回路 PID 調(diào)節(jié)，將溫度控制在 75 ℃? 82 ℃之間達(dá)到動態(tài)平衡 。
但是季節(jié)性的循環(huán)水溫度差異對控溫系統(tǒng)有較大的擾動，影響控溫效果，但將循環(huán)水的變化也作為控制指標(biāo),將會大大提升系統(tǒng)的抗季節(jié)干擾能力 。
在使用順控程序時可以不需要人工操作自動滿足工藝要求進(jìn)行生產(chǎn)，并且提高了生產(chǎn)過程中的安全性 。
5 結(jié)術(shù)語
經(jīng)過多個月的調(diào)試終于有了可以滿足工藝要求的方案，在此過程中遇到了諸多困難:各個釜與可控設(shè)備的情況都不相同，但在大家的努力下研究出適合各個釜的參數(shù)來完成工藝要求 。因為多方面因素的影響，此設(shè)計還有著諸多的瑕疵，也發(fā)現(xiàn)了有很多方面可以改進(jìn)，比如說將循環(huán)水的溫度加入控制回路中，減少因為循環(huán)水溫度不同而造成控制誤差的產(chǎn)生 。這種瑕疵出現(xiàn)說明考慮還是有所欠缺,但要做的就是在失誤中不斷地打磨，下次一定比現(xiàn)在做得更好 。
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