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化工氧化工藝全流程自動(dòng)化控制設計
發(fā)布時(shí)間:
2024-02-26 11:28
引言
氧化工藝作為國家重點(diǎn)工藝之一 ,其原料及產(chǎn)品有著(zhù)燃爆的危險性 。在生產(chǎn)過(guò)程中,溫度的控制須在 95 ℃以?xún)?,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(zhù)眾多危險,所以全流程向自動(dòng)化 、數字化與規范化發(fā)展十分必要,本文選擇 DCS 系統來(lái)制作全流程自動(dòng)化順控程序。
在氧化工序中投入 DCS 系統有如下優(yōu)點(diǎn): ①此系統可以完成分散控制與集中處理等眾多復雜操作,可靠性高 ;② DCS 可以把控制功能分散在多臺計算機,因此某一臺計算機出現故障不會(huì )影響其他計算機、所有功能還能盡數實(shí)現 ; ③擁有開(kāi)放性,采用開(kāi)放式的標準 、 模塊和系列化設計,各臺計算機用局域網(wǎng)方式通訊,擴充系統時(shí)方便快捷 ;④ DCS 系統還擁有靈活性 、協(xié)調性和控制功能齊全的特性,
為實(shí)現全流程自動(dòng)化提供了軟件支持 。在氧化工藝現場(chǎng)投用眾多自動(dòng)化設備,如溫度傳感器 、液位傳感器 、 壓力傳感器等設備可以實(shí)時(shí)傳輸現場(chǎng)控制參數,切斷閥 、調節閥 、電機等設備控制物料進(jìn)出速率 。通過(guò)自動(dòng)化設備可實(shí)現各種生產(chǎn)操作,為實(shí)現全流程自動(dòng)化提供了硬件支持 。
氧化工藝使用 DCS 系統制作全流程自動(dòng)化控制,一是可以解決從前人工控制的弊端,人工控制時(shí)需要時(shí)刻注意溫度,在溫度超溫后才進(jìn)行降溫處理,溫度降溫過(guò)度后才進(jìn)行升溫,這樣導致生產(chǎn)及其不穩定,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(shí)刻關(guān)注,出現注意力不集中時(shí)容易發(fā)生危險 。然而投入設想中的全流程自動(dòng)化后,溫度滯后的問(wèn)題通過(guò)系統處理溫度速率變化,提前預測并作出反應,并且工序可以趨于穩定,保證產(chǎn)品質(zhì)量,減少人員成本 。
1 氧化工藝全流程自動(dòng)化總體設計
1.1 系統設計方案
1.1.1 系統整體控制設計
現場(chǎng)通過(guò)各類(lèi)傳感器儀表采集各類(lèi)參數進(jìn)行整合進(jìn)入DCS 系統, 再通過(guò)集中控制室計算機顯示 , 通過(guò)參數判斷現場(chǎng)工況處于什么狀態(tài) , 從而發(fā)出指令到輸出設備 , 控制如調節閥與切斷閥等可控設備動(dòng)作 , 以達到進(jìn)行工藝流程各個(gè)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 氧化工藝設計流程
本工序是在氧化反應釜中投入合成液 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釜中投入合成液 1/2, 開(kāi)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, 反應結束 。
2 全流程自動(dòng)化設計
2.1 程序設計原則
氧化釜滴加雙氧水過(guò)程中溫度達到 80 ℃ , SIS 系統報警 , DCS 中控室操作人員立即通知崗位操作人員 , SIS 系統自動(dòng)關(guān)閉蒸汽閥門(mén) , 同時(shí)自動(dòng)將冰鹽水閥門(mén)打開(kāi)至最大 。當降溫至 65 ℃~ 70 ℃ , 崗位人員通知 DCS 操作人員消除報警 , SIS 系統自動(dòng)將冰鹽水閥門(mén)關(guān)閉 , 繼續滴加 ; 保溫溫度一旦達到 83 ℃ , DCS 中控室通知崗位員工 , 此時(shí)現場(chǎng)操作人員應及時(shí)停止升溫 , 關(guān)閉蒸汽閥門(mén) , 開(kāi)大循環(huán)水閥H, 降溫至 75 ℃~82 ℃, 崗位員工通知 DCS 消除報警,報警消除后繼續保溫 ; 保溫溫度一旦達到 85 ℃ , 達到報警高高限 , SIS 系統報警 , DCS 中控室操作人員立即通知崗位操作人員 , SIS 系統自動(dòng)關(guān)閉蒸汽閥門(mén) , 同時(shí)自動(dòng)將冰鹽水閥門(mén)打開(kāi)至最大 。 當降溫至 75 ℃? 82 ℃, 崗位人員通知 DCS 操作人員消除報警 , SIS 系統自動(dòng)將冰鹽水閥門(mén)關(guān)閉 , 繼續保溫 。
氧化釜滴加雙氧水過(guò)程中 , 壓力至 0.05Mpa 達到報警高限 , DCS 中控室通知崗位員工 , 此時(shí)現場(chǎng)操作人員應及時(shí)停止滴加 , 關(guān)閉滴加閥門(mén) , 開(kāi)大循環(huán)水閥門(mén) , 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(kāi)滴加閥 , 繼續滴加 ; 壓力一旦達到 0.08Mpa,達到報警高高限 , 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(dòng)關(guān)閉滴加閥門(mén) , 同時(shí)自動(dòng)將循環(huán)水
閥門(mén)打開(kāi)至最大 。 當降溫至常壓 , 崗位人員通知 DCS 操作人員消除報警 , 打開(kāi)滴加閥門(mén) , 繼續滴加 , 報警消除 。 閥門(mén)打開(kāi)后 , 現場(chǎng)操作人員調整滴加速度 , 正常滴加 。
反應釜設置爆破片 , 泄爆壓力為 0 .133Mpa。
2.2 程序設計要求
在 3000L 氧化反應釜中投入上步所得的 PBL 合成液的 1/2, 開(kāi)啟攪拌 , 再放入 950kg 硫磺酸 , 控制 A3 合成反應釜中料液溫度在 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 合成反應釜中料液溫度在 45. 0 ℃-55.0 ℃,開(kāi)始滴加高位槽中的 35% 雙氧水,此時(shí)溫度上升 。當溫度上升至 65.0 ℃-70.0 ℃, 控制滴加溫度在65.0℃~70. 0℃, 繼續滴加 l0h-13h( 先慢后快 , 具體時(shí)間以能控制滴加溫度為準,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 18h, 待反應液顏色變?yōu)闇\黃色清亮液體為反應結束 。
3 氧化工序聯(lián)鎖設計與順控程序
3.1 氧化反應聯(lián)鎖設計
為了保證生產(chǎn)過(guò)程中不發(fā)生危險,要控制料液溫度在75.0℃~82.0℃, 反應釜壓力不超過(guò) 0.08Mpa, 生產(chǎn)過(guò)程中攪拌不停止,設置 DCS 與 SIS 聯(lián)鎖。
3.1.1 氧化反應 DCS 聯(lián)鎖
如圖 2 所示 。
3.1.2氧化反應 SIS 聯(lián)鎖
如圖 3 所示 。
3.2 程序設計
氧化工藝在準備階段需要氧化反應釜中投入合成液1/2, 再放入硫磺酸 , 控溫 , 將溫度控制在 69 ℃以下 , 準備滴加 35 %雙氧水 。
氧化工藝在滴加階段應工藝要求需要控制在65℃~ 70 ℃之間,由于在投入雙氧水發(fā)生氧化反應時(shí)將劇烈放熱,所以需要給反應釜通循環(huán)水降溫 。如果降溫不及時(shí),溫度快速上升至 95 % 以上時(shí),此時(shí)反應釜的狀態(tài)將非常危險, 隨時(shí)可能發(fā)生沖料或者爆炸的危險 。并且如果降溫過(guò)多,溫度低于 60 ℃以下 , 氧化反應將非常緩慢 , 導致原料堆積并不反應 。
為了防止溫度過(guò)高或者過(guò)低 , 需要準確地將溫度控制在 65℃~70 ℃之間 , 在超過(guò)70 ℃時(shí)需要停止滴加雙氧水,并加大循環(huán)水的輸入用于降溫 。 為此設計 DCS 聯(lián)鎖 , 為了防止危險發(fā)生 , 設計更為安全的 SIS 聯(lián)鎖 ,在溫度超過(guò)95℃ 時(shí),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,設計控溫程序控制溫度 , 在滴加管道與循環(huán)水加入調節閥,用程序自動(dòng)調節開(kāi)度來(lái)控制滴加雙氧水的流量和循環(huán)水的流量,在 PID 調節的作用下將溫度控制在 65°C~70℃之間達到動(dòng)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(guò)控制滴加調節閥與循環(huán)水調節閥 , 并使用PID 調節控制滴加速率使溫度控制在 65℃? 70 ℃之間達到動(dòng)態(tài)平衡 。但由于反應的不同階段放出的熱量也不同 ,所以滴加階段分為了3 個(gè)不同的階段來(lái)應對各個(gè)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 18h 。 所以在下一個(gè)階段要停止輸入循環(huán)水,通過(guò)氧化反應的不完全反應繼續升溫 。
升溫到 75.0 ? 82.0℃時(shí) , 需要保溫 18h 。 使不完全反應的原料完全反應 , 此階段的反應還將繼續放熱 , 所以還需要輸入循環(huán)水來(lái)控制料液溫度在 75.0 ℃? 82. 0℃:之間 , 所以寫(xiě)以下程序達到要求 。
這個(gè)階段只需要控制循環(huán)水單回路就可以達到控制料液溫度在 75.0-82.0℃之間的要求 , 但由于反應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(gè)不同的階段來(lái)應對各個(gè)階段放熱不均勻的情況 。
4 程序調試與結果分析
4.1 程序調試結果
在滴加階段溫度可以控制在 65 ℃? 70℃之間達到動(dòng)態(tài)平衡,再滴加開(kāi)始時(shí)候,溫度并不在 65℃~70 ℃之間 ,低于 65 ℃不完全反應,部分反應并升溫 。當達到適宜溫度開(kāi)始完全之前沒(méi)完全反應的余料,故溫度會(huì )繼續上升,有個(gè)超調量,在從最高值溫度下降后將符合控制條件,在自動(dòng)控制下溫度達到在65 ℃? 70 ℃之間的動(dòng)態(tài)平衡 。3 個(gè)不同的階段的溫度變化曲線(xiàn)如圖 5。
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在保溫階段溫度可以控制在 75 ℃~82 ℃之間達到動(dòng)態(tài)平衡,滴加結束時(shí)要將余料完全反應,此時(shí)反應還將繼續放熱,可自然升溫到 75 ℃以上,達到控制條件之后開(kāi)始控溫,使保溫階段溫度一宜保持在 75 ℃? 82 ℃之間達到動(dòng)態(tài)平衡 。
4.2 對比順控控制與手動(dòng)控制
手動(dòng)控制是在溫度低溫或者高溫后才采取措施,此時(shí)反應過(guò)于滯后,這就會(huì )導致溫度不能控制,產(chǎn)生巨大的波動(dòng) 。溫度波動(dòng)過(guò)大將使溫度驟升驟降,溫度曲線(xiàn)會(huì )出現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(dòng)控制是使溫度處于動(dòng)態(tài)平衡,不會(huì )出現劇烈波動(dòng),減少了沖料的危險 。
4.3 目前存在的問(wèn)題及解決方案
目前所設想達到的目標都大致實(shí)現,但通過(guò)長(cháng)時(shí)間使用后發(fā)現了之前沒(méi)有考慮到的問(wèn)題 。在不同的季節,氧化使用的循環(huán)水溫度存在著(zhù)一定的差異,并且不能達到水溫統一 。因此,在不同季節控溫效果并不相同,比如在冬天循環(huán)水溫普遍偏低,控溫效果更加明顯,更容易達到穩態(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,達到穩態(tài)所需要的時(shí)間就更長(cháng) 。
季節溫度的變化影響了控溫能力的強弱,影響生產(chǎn)效果,這是設計時(shí)沒(méi)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(dòng)變?yōu)榭刂茀?,參與控溫動(dòng)作。如此以來(lái),系統抗季節干擾能力加強,在不同的季節條件下都可以更快地進(jìn)入穩態(tài) 。
4.4 調試結果分析
此順控程序在滴加階段通過(guò)控制滴加調節閥與循環(huán)水調節閥的雙回路 PID 調節,將溫度控制在 65 ℃? 70 ℃之間達到動(dòng)態(tài)平衡 。
在保溫階段通過(guò)控制循環(huán)水調節閥的單回路 PID 調節,將溫度控制在 75 ℃? 82 ℃之間達到動(dòng)態(tài)平衡 。
但是季節性的循環(huán)水溫度差異對控溫系統有較大的擾動(dòng),影響控溫效果,但將循環(huán)水的變化也作為控制指標,將會(huì )大大提升系統的抗季節干擾能力 。
在使用順控程序時(shí)可以不需要人工操作自動(dòng)滿(mǎn)足工藝要求進(jìn)行生產(chǎn),并且提高了生產(chǎn)過(guò)程中的安全性 。
5 結術(shù)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)多個(gè)月的調試終于有了可以滿(mǎn)足工藝要求的方案,在此過(guò)程中遇到了諸多困難:各個(gè)釜與可控設備的情況都不相同,但在大家的努力下研究出適合各個(gè)釜的參數來(lái)完成工藝要求 。因為多方面因素的影響,此設計還有著(zhù)諸多的瑕疵,也發(fā)現了有很多方面可以改進(jìn),比如說(shuō)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 。這種瑕疵出現說(shuō)明考慮還是有所欠缺,但要做的就是在失誤中不斷地打磨,下次一定比現在做得更好 。
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