電石生產(chǎn)全流程一體化控制與優(yōu)化

高智祥(內(nèi)蒙古鄂爾多斯電力冶金集團股份有限公司氯堿化工分公司電石公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016064)

0 引言

電石是指碳化鈣，為PVC、醋酸乙烯、BDO、石灰氮的生產(chǎn)原料，還可用于焊接等領(lǐng)域，是化工行業(yè)重要原料。電石生產(chǎn)列入危險化學(xué)品生產(chǎn)工藝的兩重點一重大監(jiān)管中。在電石生產(chǎn)中，企業(yè)應(yīng)盡最大限度減少人工操作，利用控制系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能控制，精準調(diào)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)，提高生產(chǎn)安全性。

1 電石生產(chǎn)流程控制問題

1.1 電石生產(chǎn)流程

電石生產(chǎn)由密閉電石爐裝置完成，該設(shè)備屬于礦熱電爐，生產(chǎn)原理如下：通過電極向電石爐內(nèi)通入電流，在電石爐內(nèi)將電流和弧光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽岣唠娛癄t的溫度，在電石爐內(nèi)添加生石灰及半焦、焦炭等碳素材料，在高溫條件下，反應(yīng)生成電石。密閉電石爐裝置包括配料、料倉、液壓、出爐系統(tǒng)、電極、壓放裝置、升降裝置及凈化系統(tǒng)等部分組成，生產(chǎn)流程如下：(1)對生石灰及半焦、焦炭等碳素材料進行烘干處理，分別存儲于石灰倉及料倉；(2)按照生產(chǎn)配比，準確稱量適量原料，置于環(huán)形布料倉內(nèi)，在環(huán)形布料倉下方安裝投料管，與電石爐連接，負責投料；(3)通過變壓器及導(dǎo)電設(shè)備，將電流通入電極內(nèi)，在電流作用下發(fā)生電弧熱反應(yīng)，提高電石爐內(nèi)溫度，在溫度達到1 900～2 200 ℃時，生產(chǎn)原料生成電石與一氧化碳，此時電石呈熔融狀態(tài)，一氧化碳為氣態(tài)；(4)通過出爐系統(tǒng)將熔融電石轉(zhuǎn)移至電石鍋內(nèi)冷卻(電石鍋由小車運輸)，冷卻后通過破碎機破碎為固定形狀，完成電石生產(chǎn)；一氧化碳隨高溫爐氣運輸至凈化系統(tǒng)，進行除塵、冷卻處理，處理后的氣體運輸至用氣單元，循環(huán)利用生產(chǎn)副產(chǎn)物[1]。

1.2 生產(chǎn)控制問題

雖然集散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)的應(yīng)用，替代人工操作控制電石生產(chǎn)過程，能夠?qū)崟r監(jiān)測、調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，實施設(shè)備聯(lián)鎖保護，有助于生產(chǎn)質(zhì)量、安全性的提升。但該控制系統(tǒng)仍存在一定缺陷，需與人工操作配合，具體問題體現(xiàn)在：

(1)響應(yīng)不及時。在集散控制系統(tǒng)中，不能及時獲取電石生產(chǎn)原料組分狀況，配料速度較慢，降低電石爐生產(chǎn)效率。而以人工操作方式配料，會加大工作人員勞動強度，提高成本，威脅工作人員身體健康[2]。

(2)電極升降問題。在電石生產(chǎn)中，三相電流間存在非線性耦合關(guān)系，需根據(jù)耦合關(guān)系、電極在電石爐內(nèi)的深度等要素，控制電極的升降，確保電極的電流和功率處于穩(wěn)定狀態(tài)。但在實際生產(chǎn)控制中，集散控制系統(tǒng)不能控制電極升降，大都由工作人員根據(jù)自身工作經(jīng)驗控制，易出現(xiàn)電極升降不及時、不合理等問題，影響電石生產(chǎn)質(zhì)量與產(chǎn)量，加大生產(chǎn)能源損耗。

(3)電極壓放問題。在電石生產(chǎn)中，工作人員綜合考慮電石爐運行狀況、運行負荷及電極長度等要素，設(shè)置電極壓放次數(shù)。電極長度等參數(shù)由工作人員人工檢測獲取，易出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致電極壓放次數(shù)不合理，影響電石生產(chǎn)。

(4)智能診斷問題。集散控制系統(tǒng)不能根據(jù)電石爐的電能、電氣等參數(shù)開展綜合分析，不能及時發(fā)現(xiàn)電石爐裝置故障，需人工操作輔助監(jiān)測運行故障，智能化水平偏低[3]。

2 電石生產(chǎn)全流程一體化控制與優(yōu)化建議

以某企業(yè)的電石生產(chǎn)流程控制工作為例，總結(jié)電石生產(chǎn)全流程一體化控制方式，提出集散控制系統(tǒng)的優(yōu)化建議，解決上述電石生產(chǎn)控制問題。該企業(yè)的電石生產(chǎn)裝置為三相圓形密閉電石爐，技術(shù)人員引進APC-Suite軟件，優(yōu)化電石生產(chǎn)控制系統(tǒng)。

2.1 總體優(yōu)化方案

APC-Suite軟件包括多個功能組件，具備多元控制功能，可全面替代電石生產(chǎn)中的人工操作，真正實現(xiàn)智能化控制。在該企業(yè)的全流程一體化控制中，技術(shù)人員利用如下功能組件，制定總體優(yōu)化方案。

(1)APC-Adcon軟件，該軟件具備多變量預(yù)測控制功能，可同時管控電石生產(chǎn)的各類參數(shù)，優(yōu)化電石生產(chǎn)過程；(2)APC-Studio軟件，該軟件具備智能控制功能，可為多變量預(yù)測控制提供輔助，實現(xiàn)電石生產(chǎn)工況的智能診斷；(3)APC-Sensor軟件，該軟件具備軟測量功能，可實現(xiàn)電石生產(chǎn)的平穩(wěn)控制；(4)APC-iSYS平臺，該平臺具備模擬優(yōu)化功能，可降低生產(chǎn)能耗，提質(zhì)增效。

2.2 優(yōu)化方案要點

在APC-Suite系列軟件平臺的支持下，該企業(yè)妥善解決了電石生產(chǎn)流程控制的各項問題。

2.2.1 配料控制

基于集散控制系統(tǒng)在配料方面的響應(yīng)不及時問題，電石生產(chǎn)采用人工配料方式，工作強度大，受人為因素影響，易出現(xiàn)配料失誤。針對該問題，技術(shù)人員利用APC-Suite系列軟件，實現(xiàn)配料自動控制。在電石生產(chǎn)過程中，APC控制系統(tǒng)可獲取料倉進料、刮板參數(shù)，根據(jù)料倉下料狀況，對料倉的配料需求進行排序；再按照系統(tǒng)設(shè)定的規(guī)范配料比和料倉料位需求，分別計算各個料倉的配料量，將配料量信號傳輸至配料系統(tǒng)，配料系統(tǒng)根據(jù)配料量需求進行精準配料；最后實施打料操作，完成自動配料。如發(fā)現(xiàn)刮板參數(shù)出現(xiàn)異常，APC控制系統(tǒng)自動實施應(yīng)急預(yù)案，調(diào)整料倉，確保刮板故障診斷與維修期間，配料系統(tǒng)正常運行，持續(xù)供給電石生產(chǎn)原料。

2.2.2 電極升降控制

針對電極升降問題，APC控制系統(tǒng)配置電極升降控制器，準確控制三相電極，提高電極做功的穩(wěn)定性，使電石生產(chǎn)更為穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量保持一致。細化來說，電極升降控制器可結(jié)合電石爐運行狀況，計算電壓、電流等參數(shù)；分析三相電極間的耦合關(guān)系，了解電極規(guī)格參數(shù)，總結(jié)電石爐運行期間電極長度變化狀況，進而計算三相電極的升降需求，自動完成控制工作。

同時，在電極升降控制中，未實施優(yōu)化改進措施前，操作人員需綜合監(jiān)測、記錄各項生產(chǎn)參數(shù)，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析電極升降檔位的調(diào)節(jié)方案，易使電極檔位調(diào)節(jié)失誤，導(dǎo)致電極電流出現(xiàn)較大變化，影響電石爐生產(chǎn)穩(wěn)定性。APC控制系統(tǒng)可結(jié)合監(jiān)測的電石爐生產(chǎn)負荷、生產(chǎn)工況變化，自動調(diào)節(jié)三相電極的檔位，使電石爐在安全環(huán)境下保持高負荷運行，規(guī)避干擾因素的影響，提高檔位調(diào)節(jié)的合理性，進而減少運行能耗，提高生產(chǎn)效率。

2.2.3 電極壓放控制

針對電石生產(chǎn)控制中的電極壓放問題，技術(shù)人員利用APC系統(tǒng)測量電極長度、自動提升負荷，綜合控制結(jié)果，設(shè)置電極壓放次數(shù)，自動完成電極壓放操作。在電極長度測量中，APC控制系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測的爐況數(shù)據(jù)，計算不同運行工況下的電石爐電極消耗速率，通過偏最小二乘算法模型處理消耗速率數(shù)據(jù)，估算電極長度；再進行停爐操作，人工測量電極長度，基于估算數(shù)值與人工測量間的差值，修正偏最小二乘算法模型，使電極長度估算結(jié)果更貼合生產(chǎn)實際，進而實現(xiàn)電極長度測量的自動控制，為電極壓放周期計算提供幫助。在負荷自動提升中，APC控制系統(tǒng)中內(nèi)置18種開爐流程，每個流程程序配置相應(yīng)原則，自動完成提升負荷操作，避免人為因素影響負荷提升參數(shù)，減輕工作人員工作強度，實現(xiàn)智能化控制。在負荷自動提升后，APC控制系統(tǒng)可自動轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)模式，控制電石爐實施高效生產(chǎn)。在電極壓放自動控制中，APC控制系統(tǒng)內(nèi)置智能控制器，在智能控制器使用前，通過電極軟硬參數(shù)、電極壓放控制經(jīng)驗，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行智能控制器的知識學(xué)習(xí)，使智能控制器結(jié)合測量的電極長度、計算的電極壓放周期等參數(shù)，自動計算電極壓放操作的間隔時間，確保電石爐運行安全，提高爐況穩(wěn)定性。

2.2.4 凈化系統(tǒng)控制

針對電石生產(chǎn)的智能診斷問題，APC系統(tǒng)加強對凈化系統(tǒng)的控制，優(yōu)化調(diào)節(jié)爐壓、溫度等參數(shù)，避免電石爐出現(xiàn)運行故障。爐壓的優(yōu)化調(diào)節(jié)通過粗凈氣風(fēng)機控制來實現(xiàn)，利用APC-Suite系列軟件的模擬、預(yù)測功能，評估電石爐爐壓、過濾器出口壓力等參數(shù)的變化狀況，調(diào)節(jié)粗凈氣風(fēng)機的運行參數(shù)，為電石爐創(chuàng)造穩(wěn)定運行環(huán)境。在出現(xiàn)塌料問題時，APC控制系統(tǒng)可同時調(diào)節(jié)粗凈氣風(fēng)機設(shè)備參數(shù)，在短時間內(nèi)將爐壓下降至合理范圍，縮短鍋爐器出口的負壓時長。細化來說，在粗氣風(fēng)機控制中，控制參數(shù)為爐壓，影響因素為凈氣風(fēng)機出口壓力，APC控制系統(tǒng)可有效規(guī)避影響因素，精準調(diào)節(jié)爐壓；在凈氣風(fēng)機控制中，控制參數(shù)為過濾器出口壓力，影響因素為負壓倒計時及爐壓，APC控制系統(tǒng)可有效規(guī)避影響因素，精準調(diào)節(jié)過濾器出口壓力。溫度的優(yōu)化調(diào)節(jié)通過過濾器入口溫度控制來實現(xiàn)。在電石爐運行期間，如過濾器入口溫度超過標準數(shù)值，APC控制系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測的爐壓，調(diào)節(jié)降檔速率，在短時間內(nèi)將溫度下降至合理范圍，再提高檔位，使運行負荷恢復(fù)至正常運行狀態(tài)，實現(xiàn)運行故障的智能管控與調(diào)節(jié)，確保電石爐始終處于穩(wěn)定、安全運行狀態(tài)。

2.3 優(yōu)化改進效果

在APC控制系統(tǒng)應(yīng)用后，該企業(yè)的電石生產(chǎn)有顯著改善，電石爐各項運行參數(shù)穩(wěn)定性顯著提升：(1)三相電極的電流標準差降低超70%，電阻標準差降低超60%，電功率標準差降低超66%；(2)在電極長度中，測量誤差低于100 mm的占比70%，測量誤差低于150 mm的占比70%，測量誤差低于200 mm的占比90%；(3)不同爐況下的爐壓標準差降低超40%；(4)不同爐況下的過濾器入口溫度、壓力標準差減少超40%。同時，在應(yīng)用APC控制系統(tǒng)優(yōu)化改進前，該企業(yè)的日均發(fā)氣量為282.83 L/kg，發(fā)氣量間的標準差為14.13；在應(yīng)用APC控制系統(tǒng)優(yōu)化改進后，該企業(yè)的日均發(fā)氣量為295.1 L/kg，發(fā)氣量間的標準差為1.2，平均值增長，標準差顯著降低，生產(chǎn)效益更高。

結(jié)合上述企業(yè)生產(chǎn)實踐可知，在電石生產(chǎn)中，APC控制系統(tǒng)的應(yīng)用，可替代人工操作，顯著提升電石生產(chǎn)控制的自動化、智能化水平，提高生產(chǎn)參數(shù)控制的準確性，避免電石生產(chǎn)風(fēng)險因素危害操作人員身體健康，從整體提升電石生產(chǎn)效益。

3 結(jié)語

綜上所述，在電石生產(chǎn)中，集散控制系統(tǒng)的智能化水平不足，不滿足電石生產(chǎn)智能化、安全性要求。通過本文的分析，電石生產(chǎn)企業(yè)可引進APC-Suite軟件，配置配料、電極升降、電極壓放、凈化系統(tǒng)控制裝置，由控制系統(tǒng)替代各項人工操作，實現(xiàn)電石生產(chǎn)全流程一體化控制，提高電石生產(chǎn)質(zhì)量與產(chǎn)量。