大數據在電解槽管理中的應用

劉昌盛

(新疆中泰化學(集團)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830009)

【電 解】

大數據在電解槽管理中的應用

劉昌盛*

(新疆中泰化學(集團)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830009)

數據庫管理系統；電壓；電解槽管理；計算點

介紹了利用大數據概念自主開發的電解槽數據庫管理系統。該管理系統具備電解槽運行數據異常預警、DCS數據集成平臺應用、長周期電解槽運行數據對比分析、異常工況原因快速分析等功能，實現了對電解的全面管控。對管理系統的具體應用進行了簡要介紹。

1 電解槽信息管理庫開發背景

2014年，新疆中泰化學(集團)股份有限公司阜康能源有限公司(以下簡稱“阜康能源”)響應國家信息化工業化兩化融合號召，投資引進實時數據庫系統，成功將DCS、PLC、手工點、計算點、質檢分析等數據導入數據庫中，實現DCS、PLC等數據與數據庫數據同步記錄。

在數據庫使用初期，生產技術管理人員并未能深刻理解數據庫對生產管理工作帶來的改變，僅是數據的初級采集、生產原始記錄自動生成、運行數據統計及再次計算等簡單工作，未能真正發揮實時數據庫應用軟件和數據結合的真正能力。

為實現離子膜電解裝置長周期穩定運行，阜康能源氯堿廠電解車間成立電解槽管理小組，對電解槽的運行進行持續性監控及周期性分析，及早發現電解槽運行過程中出現的異常，并控制異常，最終為電解槽的長周期運行提出行之有效的管理辦法。

電解槽管理主要數據有：電解槽電壓、電流效率、電耗、鹽水質量、出槽鹽水質量、成品堿質量等[1]。電流效率、電耗等直關生產成本的日常數據，基本靠現場實測后進行人工記錄或DCS采集后進行計算得出，通常每12 h內記錄一次上述電解槽主要性能的數據，而對電解槽運行數據在短時間出現的微小異常不能及時發現，從而只能對電解槽長周期運行數據進行粗略分析，并不能準確快速查找電壓短時間內上漲、電流效率突然下降等原因，使電解槽精細化管理不能有效實施。

2 數據庫及應用介紹

PI(Plant Information System)是由美國OSIsoft公司開發的一套基于Client/Server結構的商品化軟件應用平臺，是過程工業全廠信息集成的必然選擇。作為工廠底層控制網絡與上層管理信息系統網絡連接的橋梁，PI在工廠信息集成中扮演著特殊和重要的角色[2]。

電解槽管理小組成員利用PI-processbook軟件的功能和現有數據庫的數據自動同步采集的特點，將所有電解槽運行相關數據進行集合、計算、程序設定，形成了一個用于訪問數據庫的固定程序，組成了電解槽數據庫管理系統[3]。

數據庫管理系統在開發過程中共設計顯示界面45個，基層數據點1 342個，數據計算點289個，對標曲線圖302張，“一鍵巡檢”界面4個。

那么電解槽數據庫管理系統的基本功能是如何實現呢？

數據庫后臺計算配置設置舉例介紹如下。

例1 電流效率公式配置為：

(TAGVAL('FLDJ1-CJIANA-SUM','*')-TAGVAL('FLDJ1-CJIANA-SUM','*-1m'))/((TAGAVG('FLDJ1-IINO1REC-PV','*-1m','*')+TAGAVG('FLDJ1-IINO2REC-PV','*-1m','*')+TAGAVG('FLDJ1-IINO3REC-PV','*-1m','*')+TAGAVG('FLDJ1-IINO4REC-PV','*-1m','*')+TAGAVG('FLDJ1-IINO5REC-PV','*-1m','*')+TAGAVG('FLDJ1-IINO6REC-PV','*-1m','*'))*130*1.4923*1)*100000

公式顯示：1#裝置A線電解槽電流效率通過每小時產堿量的實時變化和電流負荷的實時平均值，進行陽極效率的計算，實現電流效率的實時監控，通過PI-processbook軟件曲線的自動生成功能完成對電解槽運行效率的監控。

5天內1#裝置A線電流效率的實時曲線如圖1所示。

圖1 5天內1#裝置A線電流效率的實時曲線圖

例2 氯氣總管閥門開度變化率公式配置為：

abs(TAGVAL('FLDJ1-PIC2001A-MV','*')-TAGVAL('FLDJ1-PIC2001A-MV','*-5H'))

公式顯示：1#裝置A線目前氯氣總管調節閥PV2001A閥門開度顯示值較5 h前顯示的差值。利用PI-processbook軟件對該差值的大小進行監控，在生產平穩情況下，該差值會在一定范圍內波動，根據對該值一年內穩定負荷下運行的波動范圍，設定一個波動的上下限，超過該波動值預示氯氣系統發生異常變化，系統將異常情況進行報警。該設置的方法可以推廣至每一個可以DCS監控數據，從而可以實現電解槽運行數據微小變化的智能提醒功能。

例3 小組電壓變化率監控公式配置為：

abs(TAGVAL('FLDJ1-EI20010101-PV','*')-TAGVAL('FLDJ1-EI20010101-PV','*-12H'))

公式顯示：1#裝置A線1#電解槽第一組小組電壓顯示值較12 h前變化量的差值。根據負荷穩定情況，正常波動范圍設置上下限報警值，起到異常狀態下的提前預警，減少了DCS中的報警泛濫和誤報造成的連鎖單槽停車。

小組電壓變化率在30天內的實時曲線如圖2所示。

利用PI-processbook軟件強大的功能與數據庫匹配后，實現了電解工藝DCS數據，質檢分析數據，電解槽相關電壓、電耗、電流效率的實時集成顯示，并根據后臺程序設定，實現每個數據在微小異常情況下自動預警的功能，大大縮減了操作監控人員的勞動強度，實現了電解槽的精細化管理。

電解槽信息管理系統集成平臺如圖3所示。

通過對類似以上范例中各種公式的配置，以及結合電解槽設備的運行特點，數據庫系統具備了以下3個區別于其他電解槽管理軟件的特點。

通過大數據庫的應用，電解槽管理實現了以下功能。

圖2 小組電壓變化率在30天內的實時曲線

圖3 電解槽信息管理系統集成平臺

2.1 智能巡檢功能

(1)通過對電解工藝運行數據進行整合，形成4條線數據對標，異常數據自動閃爍和變色報警，無須逐條翻看曲線以及填寫紙板記錄發現異常數據，規避了人為判斷異常數據的缺點。

在DCS操作畫面中，60萬t/a離子膜法燒堿生產線的日常巡檢任務為每次巡檢需要8個儀表工，點擊鼠標至少1 200次，記錄數據240個，每班次每人都須重復巡檢12次，并同時進行紙板記錄的填寫，來發現生產異常數據。一線主控操作人員的壓力和操作繁瑣性導致工作效率普遍不高，僅是配合性完成巡檢工作，并不能每次都能及時發現問題。自2012年開車以來，因生產異常數據不能及時發現導致的停車多達6次。

(2)智能巡檢系統應用后，逐步取消紙板記錄，無須逐條查看曲線，只須關注一個顯示畫面中異常報警的數據即能發現生產異常。

例如，2015年12月16日00：45，1#裝置4#槽小組電壓波動0.02 V，觸動數據庫后臺計算異常預警，儀表工發現后通知現場檢查，發現第63片單元槽槽電壓線脫落，摘除電壓連鎖后人工檢測電壓時，顯示值波動已達到連鎖停車條件，避免了一次電解槽連鎖停車的事故。

60萬t/a燒堿項目電解工藝“一鍵巡檢”畫面一如圖4所示。

2.2 大數據的時間縱橫向和數據間交叉分析功能

2.2.1 時間縱橫向和數據間交叉分析法介紹

利用PI-processbook軟件的多刻度功能和數據庫的實時同步采集數據的功能，可以實現多個不同數據區域內的生產數據在同一個曲線圖中顯示，并能很直觀地發現在某段時間內幾個數據的變化趨勢的相關性。

這對電解槽電壓、電流效率、電耗等數據的變化原因的查找非常有用，在及時發現電解槽電壓異常變化時，可以快速通過將所有影響電壓的數據在幾秒鐘制取一個趨勢圖，通過趨勢的相關性，即可快速判斷影響電解槽電壓異常變化原因。當然這種方法在查找氫氯氣氣相壓力波動、其他溫度、液位波動等所有相關性數據時都非常實用，在下文的實例中就具體介紹了一次典型的案例。這種方法打破了專業的限制，只須了解基本的曲線制作方法，一線生產操作人員、工藝、安全、設備技術管理人員都可利用此種方法來查找生產異常數據原因、生產隱患、事故調查、日常案例分享等。

2.2.2 電解槽電壓檢測監控

電解槽電壓是檢測電解槽運行狀態的重要數據，阜康能源電解槽電壓檢測監控主要有3種。

(1)整流系統傳感器電壓顯示。該值導入DCS顯示，波動幅度較大，在2～20 V之間，不能作為電壓的監控。

(2)小組電壓的監控。每6片單元槽為一組電壓，該值導入DCS顯示，顯示準確、有效；但只能檢測一組電解槽電壓的變化，數據較多，不易于進行記錄和分析，實現不了檢測整臺電解槽總電壓的變化。

(3)人工檢測。每2 h檢測1次電解槽總電壓。檢測時間不連續，受手持式檢測設備和人為因素影響較大，而且很難檢測短時間內電解槽電壓的變化。檢測處的數據需要按時記錄，通過長時間記錄的數據，進行分析電壓的變化，分析和監控均較為滯后。

通過軟件功能開發后，將每臺電解槽的22組小組電壓顯示值進行加和計算，實現了電解槽總電壓的實時在線監控。

例4 單槽總電壓監控公式配置： ('FLDJ2-EI220010101-PV'+'FLDJ2-EI220010102-PV'+'FLDJ2-EI220010103-PV'+'FLDJ2-EI220010104-PV'+'FLDJ2-EI220010105-PV'+'FLDJ2-EI220010106-PV'+'FLDJ2-EI220010107-PV'+'FLDJ2-EI220010108-PV'+'FLDJ2-EI220010109-PV'+'FLDJ2-EI220010110-PV'+'FLDJ2-EI220010111-PV'+'FLDJ2-EI220010201-PV'+'FLDJ2-EI220010202-PV'+'FLDJ2-EI220010203-PV'+'FLDJ2-EI220010204-PV'+'FLDJ2-EI220010205-PV'+'FLDJ2-EI220010206-PV'+'FLDJ2-EI220010207-PV'+'FLDJ2-EI220010208-PV'+'FLDJ2-EI220010209-PV'+'FLDJ2-EI220010210-PV'+'FLDJ2-EI220010211-PV')

公式顯示：2#裝置A線1#電解槽22組小組電壓進行總和計算，得出電解槽總電壓，該值經過與現場實測電壓對比，顯示值準確、有效。該值30 s計算一次，可以實現總電壓的實時在線監控，并通過總電壓的變化實現電壓變化率的預警，完成對電解槽電壓數據的智能監控。

2015年8月22日，2#裝置儀表工發現總電壓顯示變化率報警，之后查看曲線，發現電壓在2 h內上升了1.5 V。

利用軟件的快速制取曲線和多刻度功能，快速將影響電壓變化的主要運行參數進行拉取，曲線顯示槽溫和精鹽水溫度與電壓變化趨勢正好相反，顯示由于鹽水溫度下降4 ℃，造成了槽溫的下降，從而造成電壓上升。處理后，電壓得到恢復[4]。

鹽水溫度降低造成電壓短時間內升高的示意圖如圖5所示。

圖5 鹽水溫度降低造成電壓短時間內升高

2.3 協助技術管理人員對電解槽運行長周期的分析和總結功能

大數據應用前，電解槽管理小組定期召開小組分析會議，針對電解槽運行狀況進行評估，但受限于數據少、分析問題的方法少，只能抓住較大的異常問題進行分析，很難做到精細化的分析。

項目實施后，電解槽管理小組通過應用電壓總和的實時顯示，以及自主創新的時間縱橫向和數據間交叉分析的方法，對電解槽長周期的運行情況進行了分析。

通過分析發現了以下幾個問題。

(1)利用管理系統對以往電壓情況進行了分析，發現在2014年10月20—30日，4條生產線的電壓均上漲0.5～0.8 V。

利用縱橫向分析方法發現這段時間內精鹽水中的雜質硅離子和鋁離子質量濃度同時升高，分別由0.04 mg/L、0.8 mg/L升高至0.08 mg/L、1.3 mg/L；而其他運行數據均不具備與電壓上漲的相關性[5]。經過與離子膜開發單位的溝通與交流，發現鹽水中這兩種雜質雖然沒有超出控制指標，但在達到一定值后，通過綜合作用一樣可以造成在離子膜內部的富集沉淀，造成離子膜電壓在短時間內的上升。針對后期鹽水質量的管控提出了要求和控制措施，杜絕此類情況的發生，這也是歷次電解管理小組會議分析中沒有發現的問題[6]。

(2)利用管理系統分析發現，由于公司所在地理位置原因，每年冬夏季交替時期，電解槽的電流效率均出現小幅起伏，特別是入冬前，外界環境的急劇降溫，造成鹽水溫度整體偏低2 ℃左右，雖然槽溫變化只有0.2 ℃左右，但電流效率會在短時間內下降0.2%～0.3%。經過改造和提出控制措施后，實現鹽水溫度的精細化控制，實現了電解槽電耗下降5.8 kW·h/t，每年冬季4個月將為企業節約電量達到116萬kW·h。

(3)發現電流負荷調整頻次每個月6次以上時，離子膜陽極加酸提升速率，是每個月調整負荷低于3次時的2倍。調整頻次超過6次時，15萬t/a燒堿裝置陽極總管加酸量提升可達到約20 L/月。

3 大數據對比

電解槽管理小組可利用數據分析對比實現如下目的。

系統應用前：每年可供分析的電壓、電流效率、電耗等每個數據僅有720組。

大數據的采集計算后：電壓、電流效率、電耗等數據每年分別有近100萬組數據可供分析，且能通過分析工具在一個曲線中實時顯示，可以實現隨時對30 s～1年或幾年內的電解槽運行情況進行查看和分析。并能針對發現的每一個異常數據變化，將相關數據利用交叉分析法進行及時分析和查找問題，實現電解槽運行全方位全天候的監控。

電解槽管理小組通過后期的開發實現了手持智能電子設備的在線顯示，實現了在任何有網絡的地方可以實時監控和分析電解槽運行。

4 取得的效益

電解槽管理系統投入使用1年，整體電流效率下降0.6%～0.7%，而在使用之前電流效率平均每年下降1%～1.2%，按照目前本公司離子膜運行42個月的離子膜周期，可延長離子膜使用周期達到30%以上。按照整體更換一批離子膜投資預算，每延長1年將節約成本至少600萬元。

5 后期研究方向和改善

針對單元槽的電壓檢測仍然缺少。后期如能改造完成對單片單元槽電壓監控，可通過對單片單元槽電壓開停車時間變化，以及投送極化電流的電壓變化速率等數據進行收集，配置模型后，進行大數據的分析，預期可以實現對單片單元槽的針孔、電流效率以及涂層含量的測算。

后期如能實現對每片電解槽的精細化監控，可提前發現運行效果不好的離子膜或單元槽，并逐步更換，替換目前整體更換電解槽或離子膜的模式，保持電解槽電流效率在一定范圍內穩定運行。

6 結語

通過大數據的計算，準確判斷電解槽運行的實時狀態，精確計算電解槽電流效率、電耗、電壓等數據，實現了以往常規模式不能取得的效果。大數據管理運用是電解槽精細化管控中的一個探索方向，也是提高企業核心競爭力的重要措施。

[1] 曹亞格.膜極距改造的降耗效果和經濟分析[J].氯堿工業，2015，51(1):20-21.

[2] Stephen Chin， Janes L Weaver. 物聯網編程實戰應用Raspberry Pi 和Java[M].北京：清華大學出版社，2014：17-19.

[3] Abraham Silberschat， Henry F. 數據庫系統概念[M].范紅杰，譯.6版.北京：高等教育出版社，2002：17-19.

[4] 陳殿彬，陳伯森，施孝奎.離子膜法制堿生產技術[M].北京：化學工業出版社，1998：165.

[5] 張伏華，徐建博，許生峰，等.膜極距電解運行的相關要求[J].氯堿工業，2015，51(5):21-23.

[6] 田中良修.離子膜交換膜基本原理及應用[M].北京：化學工業出版社，2010：344-346.

[編輯：蔡春艷]

Application of big data in management of electrolyzers

LIUChangsheng,WANGShigang,LIYongquan,HUANGXiaohu,SONGWei,WANGLin

(Xinjiang Zhongtai Chemical (Group) Co., Ltd., Urumqi 830009, China)

database management system; voltage; electrolyzer management; calculation point

A self-developed database management system using big data concept for chlor-alkali electrolyzers was introduced. The management system had the functions such as alarm of electrolyzers’ abnormal operation data, application of DCS data integration platform, comparative analysis of electrolyzers' long-period operation data, and fast analysis of causes of abnormal conditions, and thus realizing the overall management and control of the electrolysis. The practical use of the management system was introduced briefly.

*[作者簡介] 劉昌盛(1988—)，男，工藝技術員，2010年畢業于河南省焦作大學，2011年進入新疆中泰化學(集團)股份有限公司工作。參與新疆中泰化學(集團)股份有限公司阜康能源有限公司第1期80萬t/a聚氯乙烯樹脂、60萬t/a離子膜燒堿循環經濟項目建設，2012年至今在電解車間從事工藝技術管理工作。

2016-06-22，王世剛，李永全，黃小虎，宋偉，王林

TQ114.262

B

1008-133X(2017)01-0014-07