1、APC 系统在离子膜烧碱装置电解工序中的应用顾亚凤1刘炳杰1方宁2曾子睿2李龙1（1浙江中控技术股份有限公司，浙江 杭州310053；2浙江巨化股份有限公司，浙江 衢州324004）摘要：为解决离子膜烧碱装置负荷调节，对电解槽温度及出口碱液浓度造成的不良影响1，装置采用APC-Suite先进控制软件，建立电解槽APC系统。系统实施后，关键工艺参数标准方差降幅50.820%以上。同时，电解槽温度提高0.676以上，电解槽出口碱液浓度降低0.046%。关键词：离子膜烧碱；电解槽；电流效率；先进过程控制Abstract:In order to solve the load regulation of
2、 ionic membrane caustic soda plant,the adverse impact on the tem-perature of electrolytic cell and the concentration of outlet lye.APC-Suite advanced control software is used to establish theAPC system of electrolytic cell.After the implementation of the system,the critical process parameters standa
3、rd variance bymore than 50.820%.At the same time,the electrolyzer temperature increased by 0.676 above,lye concentration of outletof the electrolytic cell by 0.046%.Keywords:ionic membrane caustic soda,electrolysis cell,current efficiency,advanced process control我国是世界上烧碱产能最大的国家，占全球产能的40%以上2。目前烧碱装置主要
4、生产工艺有水银法、隔膜法、苛化法以及离子膜法。其中离子膜法制碱是20世纪80年代氯碱工业中崛起的新技术，相较于水银法、隔膜法及苛化法，离子膜法制碱工艺流程更加简单，该工艺装置排出的废液废气可回收利用，且具有能耗低、产品产量高以及生产安全稳定等优点3。国内离子膜烧碱装置基本采用DCS系统和PLC系统，实现了主要工艺参数，如电流、温度等参数的显示、报警及常规控制等功能4。目前，离子膜烧碱电解工序主要依靠人工调节，且因负荷调节、进料温度波动等干扰因素，造成人工调节不及时、幅度不匹配等问题。针对离子膜烧碱装置中常规控制不能解决的难题，装置采用浙江中控技术股份有限公司APC-Suite先进控制软件，建立
5、电解槽APC系统。在保证电解槽安全稳定运行基础上，提高装置自动化水平，降低人工劳动强度，达到挖潜增效的目的。APC-Suite先进控制软件主要包括以下4部分：先进控制平台APC-iSYS，包含核心实时数据库、各种应用组件，主要为上层应用软件提供与DCS间双向数据通信功能；多变量预测控制软件APC-Adcon，实现生产过程多约束、多目标优化的解耦控制，将稳态优化与动态控制相结合；智能控制软件APC-Studio，模块化组态方式与脚本程序语言设计，实现了专家经验控制、生产安全监控与保护；软测量软件APC-Sensor，利用易测变量与难以直接测量变量间的数学关系，通过机理、经验或者混合建模方法，实现
6、对待测变量的间接计算功能5。1工艺简介及原理离子膜烧碱装置工艺以原盐为原料，经过过滤、反应等工序除去盐水中夹带的泥沙、Ca2+、Mg2+、SO42-等杂质，得到一次盐水。一次盐水通过盐水过滤器和离子树脂交换塔进行二次精制。精制后的饱和精盐水通过阳极汇总管流入各单元槽，电解生成的淡盐水和氯气Cl2去往阳极液槽，生成的32%碱和氢气H2去往阴极液槽。为防止阳极入口总管因加酸引起腐蚀，阳极液槽中部分淡盐水返回电解槽，另一部分淡盐水送往脱氯塔进行脱氯。脱氯后的淡盐水加入Na2SO3和NaOH除去游离氯后，去往一次盐水，氯气汇入Cl2总管。阴极液槽的32%碱部分返回电解槽，部分作为产品送产品槽，H2收集
7、后送入H2总管6。离子膜烧碱主要工艺流程如图1所示。图1离子膜烧碱工艺流程图离子膜烧碱装置电解槽的主要原理如下所述，精制后的饱和精盐水在阳极室电解为Na+和Cl-，水在阴极室电解为H+和OH-。在直流电的作用下Cl-在阳极室放电形成Cl2，阳极室的Na+则透过离子交换膜迁移至阴极室与OH-结合，生成NaOH，而H+被还原成H2。当离子膜效率降低时，阴极室中少量OH-会迁移至阳极室，因此须在阳极室中加入HCl溶液以中和迁移至阳极室的OH-，以及降低氯中氧含量，提高氯气纯度。电解的总反应方程式为：2NaCl+2H2O 直流电直流电2NaOH+H2+Cl2如图2所示为离子膜烧碱装置电解槽电解原理图：
8、图2离子膜烧碱装置电解槽电解原理图2APC系统功能设计APC服务器通过HUB或交换机，与安装有标准OPC接口软件的服务器联在以太网上。实现电解槽APC系统与DCS系统之间数据双向读写功能7。根据电解槽运行特点和过程控制需求，采用多变量模型预测控制、专家控制以及软测量等控制方法，建立电解槽APC系APC系统在离子膜烧碱装置电解工序中的应用8工业控制计算机2023年第36卷第1期统。该系统主要由电解槽负荷调节控制器、电解槽温度控制器、电解槽出口碱液浓度控制器以及碱液浓度软测量控制器组成。通过APC系统的实施，在保证生产安全稳定的基础上，克服因负荷和设备变化引起的非线性、大滞后、大耦合等控制难点。以
9、下就电解槽APC系统各控制器功能进行详细介绍8。2.1电解槽负荷调节控制器电解槽负荷调节控制器为专家智能控制器。控制器功能主要由以下5部分组成，分别为安全检测及目标值计算功能块、正常电流升高功能块、低负荷调节功能块、正常电流降低功能块以及初始化和跟踪功能块9。安全检测及目标值计算功能块。在接收到负荷调节信号时，控制器经过一系列安全检测，判断当前条件是否可以进行负荷调节。满足负荷调节条件后，根据目标电流及相关比例参数，计算盐水、电流、纯水及盐酸的目标值，并对其进行安全检测。目标值检测通过后，程序通过电流目标值来选择进入正常负荷升高功能块、正常负荷降低功能块或低负荷调节功能块。1）正常负荷升高功能
10、块。程序运行后，首先判断当前盐水是否可调节，若可调节，则调节盐水至目标值。当盐水到达目标值附近时，检测当前电流是否可调节，检测通过后，调节电流至目标值。电流到达目标值附近时，判断当前纯水是否可调节，判断通过后，调节纯水至目标值。当纯水量到达目标值附近时，检测当前盐酸是否可调节，检测通过后，调节盐酸至目标值。当盐水、电流、纯水、盐酸量达到目标值后，负荷调节结束。2）正常负荷降低功能块。与正常负荷升高功能块调节顺序相反，程序运行后，首先判断当前盐酸是否可调节，若可调节，则调节盐酸至目标值。当盐酸到达目标值附近时，检测当前纯水是否可调节，检测通过后，调节纯水至目标值。纯水到达目标值附近时，判断当前电
11、流是否可调节，判断通过后，调节电流至目标值。当电流量到达目标值附近时，检测盐酸是否可调节，检测通过后，调节盐酸至目标值。当盐水、电流、纯水、盐酸量达到目标值后，负荷调节结束。3）低负荷调节功能块。低负荷的目标值计算方式和调节模式与正常负荷升降略有不同，当计算出的电流目标值低于正常电流但还未停车时，盐酸量与盐水量目标值固定不变。因此低负荷调节时，只需检测当前纯水和电流是否可调节，检测通过后，调节纯水和电流至目标值。纯水与电流调节结束后，判断实际量是否达到目标值，达到目标值后程序运行结束。同理，当电解槽开车或者停车时，根据计算出的目标值，将盐水、电流、纯水以及盐酸调至目标负荷后结束。4）初始化及跟
12、踪功能块。在负荷调节时，上述功能块判断条件满足后，DCS画面信息显示“负荷调节正常”。当条件不满足时，则根据检测结果输出对应的信息提示，提醒操作人员检查更改。更改合格后，程序自动执行下一步操作，直至结束。负荷调节结束后，盐酸、电流、纯水以及盐水目标值跟踪实际值，信息输出参数初始化（DCS画面不显示）。电解槽负荷自动调节控制器功能架构如图3所示。2.2电解槽温度控制器为减小因负荷调节对电解槽离子膜、槽框垫片等设备的影响，同时克服各变量间耦合、滞后等干扰，电解槽温度控制器同时采用多变量模型预测控制与专家控制两种控制方法。以每组6台电解槽为例进行说明（假设分别为A-F槽），以循环碱液温度为操纵变量（
13、MV），A-F槽温度为被控变量（CV），A-F槽电流量为干扰变量（DV），建立电解槽温度控制器10。表1为电解槽温度控制器模型矩阵：表1电解槽温度控制器模型矩阵根据是否调节负荷，将电解槽温度控制分为负荷调节时和负荷调节后两种工况。负荷调节时，模型预测控制器开关关闭，专家控制器根据电流与各电解槽温度的关系，计算出各电解槽温度预测值，并根据预测值选择合适的区域，再根据模型比例，计算循环碱液温度并输出。负荷调节结束后，由专家控制器计算电解槽当前温度目标值（在电解槽温度低于安全上限时，为平衡电流效率和电解槽温度稳定性，电解槽温度目标值逐步上升，最终达到安全上限附近），并开启模型预测控制器，模型预测控制
14、器根据模型关系计算循环碱液温度设定值。最终实现在保证6台电解槽温度处于安全区域的前提下，6台电解槽温度的最大化控制。图4为电解槽温度控制器功能架构。2.3电解槽出口碱液浓度控制器为解决因负荷升降引起的碱液浓度剧烈变化，电解槽出口碱液浓度控制器采用了模型预测控制与专家控制两种控制算法。以高纯水量为操作变量，A-F槽电流为干扰变量，电解槽出口碱液浓度为被控变量，建立电解槽出口碱液浓度控制器。表2为电解槽温度控制器模型矩阵。与电解槽温度控制器类似，按照负荷调节时和负荷调节后两种不同工况，选择不同控制策略。负荷调节时，模型预测控制器开关关闭，专家控制器根据电流变化量，以及电流与高纯水参图3电解槽负荷调
15、节控制器功能架构9图4电解槽温度控制器功能架构数比例，计算并输出需要调节的高纯水量。负荷调节结束后，模型预测控制器开启，根据控制器模型矩阵实时计算需要输出的高纯水量。图5为电解槽出口碱液浓度控制器架构：图5电解槽出口碱液浓度控制器功能架构2.4碱液浓度软测量控制器电解槽出口碱液为离子膜烧碱中重要的产品之一，可以通过振动式密度计、超声波浓度计、音叉式密度计等在线检测仪表直接在线测量11，也可以通过质量流量计，实时测量碱液密度和温度间接计算得到。相比其它几种测量仪表，质量流量计具有价格低廉、质量稳定等优点。如图6所示，在一定温度下，碱液密度与浓度成线性关系。如图6所示，我们可以利用线性插值的方法，
16、获得当前出口碱液温度下，所有浓度对应的密度。通过最小二乘法拟合实时温度下浓度与密度的关系，最后通过质量流量计实时测量的碱液密度与温度计算出碱液浓度。具体算法如下：给定数据（xi，yi），i=1，2，m，用二次多项式函数拟合浓度-密度数据。设p（x）=a0+a1x+a2x2，作出拟合函数与数据序列的均方误差表达式：Q（a0，a1，a2）=mi=1（p（xi）-yi）2=mi=1（a0+a1xi+a2x2i-yi）2Q（a0，a1，a2）的极小值满足：Q0=2mi=1（a0+a1xi+a2x2i-yi）=0Q1=2mi=1（a0+aixi+a2x2i-yi）xi=0Q2=2mi=1（a0+aixi+a2x2i-yi）x2i=0根据以上得到的二次多项式函数，拟合出如下条件方程：mmi=1ximi=1x2imi=1ximi=1x2imi=1x3mi=1ximi=1x2imi=1x3a0a1a2=mi=1yimi=1xiyimi=1x2yi利用计算所得的浓度-密度数据，代入以上矩阵方程，求得浓度与密度关系拟合系数a0、a1和a2，然后利用实时密度计算实时的出口碱液浓度。3应用效果1）电解槽负荷自
