鹽水在線分析系統(tǒng)及自動控制技術(shù)應(yīng)用

羅 強，曾兆欽，于文杰

（1.宜賓海豐和銳有限公司，四川 宜賓644002；2.江蘇一脈科技有限公司 江蘇 泰興225400）

1 裝置背景

宜賓海豐和銳有限公司現(xiàn)有兩套鹽水生產(chǎn)裝置，分別供應(yīng)兩條離子膜電解槽生產(chǎn)線，鹽水工序一次鹽水過濾器出口關(guān)鍵檢測項目Ca2++Mg2+，前反應(yīng)桶粗鹽水檢測關(guān)鍵項目為密度、燒堿、純堿和濁度，是整個鹽水制備的關(guān)鍵指標。生產(chǎn)過程間斷性加鹽與制鹽過程影響一次鹽水制備質(zhì)量，同時，公司水合肼、鈦白粉裝置廢鹽水資源綜合利用需要，導(dǎo)致鹽水制備系統(tǒng)指標波動較大，最終影響離子膜電解槽電流效率和槽電壓，也給離子膜造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷。

公司鹽水精制采用過堿量法：在鹽水折流槽中加入精制劑碳酸鈉和氫氧化鈉。碳酸鈉溶液和鹽水中的Ca2＋反應(yīng)，生成不溶性的碳酸鈣沉淀，經(jīng)氣浮槽和過濾器除去；氫氧化鈉和鹽水中的Mg2＋反應(yīng)，生成不溶性的Mg（OH）2沉淀，經(jīng)氣浮槽上排泥去除。為了將Ca2＋+Mg2＋除凈，精制劑碳酸鈉和氫氧化鈉的加入量必須稍超過反應(yīng)式的理論需要量。

鹽水的質(zhì)量是離子膜電解的關(guān)鍵因素，鹽水質(zhì)量的優(yōu)劣不僅關(guān)系到燒堿產(chǎn)品的電耗高低，而且影響到電解槽離子膜的使用壽命，提高鹽水質(zhì)量是氯堿行業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)，提高經(jīng)濟效益的重要途徑。鹽水中的金屬離子容易與碳酸根和氫氧根反應(yīng)生成顆粒以鹽泥形式沉淀，生產(chǎn)中要精確控制過堿量的加入量，加入量過少會使鹽水鈣鎂超標，增加二次鹽水單元樹脂塔的工作負荷，嚴重時會造成二次鹽水樹脂塔中的樹脂結(jié)塊，失去吸附能力和交換能力，樹脂塔的再生頻率高，增加運行成本；更嚴重時不合格的鹽水進入電解槽，造成離子膜的不可逆損傷，電流效率下降，槽電壓上漲，制堿成本升高；加入量過多則會造成精制劑消耗增加。

一次鹽水中過堿量、Ca2++Mg2+的檢測采用人工滴定法。人工分析取樣和檢測繁瑣，監(jiān)控頻率受到限制，人為因素對分析結(jié)果影響較大，存在檢測頻次少，分析結(jié)果滯后且誤差大，不能及時準確監(jiān)控到生產(chǎn)過程中的鹽水品質(zhì)的變化，不能對生產(chǎn)異常起到及時預(yù)警和調(diào)整的作用，離子膜電解生產(chǎn)存在不可控性；崗位需配置1名分析員，生產(chǎn)效率低下；滴定分析需消耗大量標液，分析廢液的收集、處置也較困難。

根據(jù)現(xiàn)有在線技術(shù)結(jié)合公司裝置實際情況，通過技術(shù)論證及同行交流學(xué)習(xí)，在現(xiàn)有兩條鹽水生產(chǎn)裝置使用1套在線分析的理念，采用在線分析鈣鎂-兩堿-濁度整體鹽水系統(tǒng)解決方案平臺，打破了裝置十余年較為被動的生產(chǎn)控制局面。

過堿量在線分析儀的使用可以更加準確、有效地監(jiān)控過堿量變化，結(jié)合在線鈣鎂分析儀分析結(jié)果，將分析數(shù)值遠傳至DCS畫面，DCS通過對在線分析儀數(shù)據(jù)的變化進行分析，及時發(fā)現(xiàn)并糾正偏離控制的軌跡，優(yōu)化一次鹽水生產(chǎn)過程指標控制、節(jié)約精制劑的使用，降低生產(chǎn)成本的同時有效保障鹽水Ca2+、Mg2+指標穩(wěn)定，最大限度減輕二次鹽水精制螯合樹脂塔的處理量。

2 工藝裝置

來自電解的脫氯淡鹽水、水合肼和鈦白粉裝置廢鹽水（統(tǒng)稱稀鹽水）進入稀鹽水貯桶，粗鹽水貯桶貯存鹵水，稀鹽水桶的鹽水經(jīng)稀鹽水泵進入地下化鹽池中溶解固體鹽形成飽和粗鹽水，溢流到中轉(zhuǎn)池，在中轉(zhuǎn)池用稀鹽水調(diào)節(jié)粗鹽水比重，經(jīng)虹吸罐和中轉(zhuǎn)泵輸送到前反應(yīng)折流槽中加入鹵水，并加入純堿溶液和燒堿溶液作為精制劑去除鈣鎂離子，混合液進入1#前反應(yīng)桶，溢流到2#前反應(yīng)桶，再溢流到3#反應(yīng)桶，充分反應(yīng)后由強制循環(huán)泵強制抽取到1#反應(yīng)桶構(gòu)成循環(huán)混合，在3#反應(yīng)桶上部則溢流到折流槽，之后溢流到一線折流槽和二線3個前反應(yīng)桶，之后用加壓泵輸送到加壓溶氣罐，經(jīng)溶氣后進入浮槽進行分離，碳酸鈣等重質(zhì)雜質(zhì)沉入氣浮槽底部，氫氧化鎂及有機物等懸浮物上浮于氣浮槽表層，上下部定時排泥，鹽泥進入鹽泥池，鹽泥經(jīng)鹽泥泵進入一期板框壓濾機壓濾處理。清液溢流到U型反應(yīng)器，再加入純堿溶液充分反應(yīng)后進入進料緩沖罐，再進入過濾器過濾除去固體雜質(zhì)，制得合格精鹽水，進入精鹽水貯桶，經(jīng)過二線一次鹽水泵輸送供電解使用，裝置工藝流程簡圖見圖1。

圖1 裝置工藝流程簡圖

3 原生產(chǎn)工藝的控制瓶頸

裝置大量回用水合肼和鈦白粉生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的回收鹽，鹽水質(zhì)量指標波動較大，過程控制以班組運行人員自檢分析和人為干預(yù)調(diào)整為主，導(dǎo)致生產(chǎn)控制調(diào)整滯后，控制指標長期脫標，原輔料消耗居高不下，生產(chǎn)系統(tǒng)問題層出不窮。

（1）分析指標較多、勞動強度大。

（2）間隔時間長不易及時發(fā)現(xiàn)指標波動。

（3）分析人員責(zé)任心不強，導(dǎo)致分析精準度不高。

（4）分析頻次及數(shù)據(jù)不能快速反饋及時響應(yīng)并調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)。

（5）裝置自動化較低，無法精準控制，造成原輔料的浪費。

（6）沒有全面在線過程數(shù)據(jù)無死角支撐，鹽水質(zhì)量控制沒有方向。

（7）裝置長期安全可靠運行無法得到保障，設(shè)備檢修頻率高。

4 雙系統(tǒng)裝置在線取樣分析系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1 一次鹽水高鈣鎂采樣系統(tǒng)

本次設(shè)計高鈣鎂采樣系統(tǒng)將Ⅰ-Ⅱ線裝置，位于戈爾膜出水總管進行樣水取樣布管采用低鈣鎂塑管設(shè)計高差自留進入分析小屋前樣水通道自動切換采樣，通過DCS程序邏輯順控程序執(zhí)行，自動采集樣水進入在線高鈣鎂分析系統(tǒng)，按照分析儀與公司工藝生產(chǎn)定制設(shè)計雙通道內(nèi)置進樣進行實時在線取樣分析，儀器輸出標準的分析結(jié)果4~20 mA信號進入DCS系統(tǒng)IO模件數(shù)據(jù)狀態(tài)識別數(shù)據(jù)預(yù)處理，實現(xiàn)Ⅰ-Ⅱ線裝置DCS上的生產(chǎn)控制和生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES數(shù)據(jù)共享應(yīng)用。

4.2 一次鹽水兩堿采樣系統(tǒng)

本次設(shè)計兩堿采樣系統(tǒng)將Ⅰ-Ⅱ線裝置，位于化鹽前反應(yīng)桶出口折流槽出水進行樣水取樣布管進入分析小屋前樣水通道自動切換采樣，實現(xiàn)DCS程序自動采集樣水進入在線兩堿分析系統(tǒng)，按照分析系統(tǒng)，定制設(shè)計雙通道內(nèi)置進樣進行實時在線分析，輸出標準的4~20 mA信號進入DCS進行進樣狀態(tài)識別數(shù)據(jù)預(yù)處理，實現(xiàn)Ⅰ-Ⅱ線裝置DCS上層的生產(chǎn)控制和生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES數(shù)據(jù)共享應(yīng)用。

4.3 一次鹽水濁度采樣系統(tǒng)

本次濁度采樣系統(tǒng)將Ⅰ-Ⅱ線裝置，直接采用一次鹽水兩堿采樣系統(tǒng)樣水管路將化鹽前反應(yīng)桶出口折流槽出水進行樣水取樣管，無需單獨布管進入分析小屋前樣水通道自動切換采樣，實現(xiàn)DCS程序自動采集樣水進入在線濁度分析系統(tǒng)，按照分析系統(tǒng)，公司定制設(shè)計雙通道內(nèi)置進樣進行實時在線分析，輸出標準的4~20 mA信號進入DCS進行進樣狀態(tài)識別數(shù)據(jù)預(yù)處理，實現(xiàn)Ⅰ-Ⅱ線裝置DCS上層的生產(chǎn)控制和生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES數(shù)據(jù)共享應(yīng)用。

5 在線分析儀工作原理

5.1 鈣鎂分析儀工作原理

鈣鎂在線分析儀是利用吸光光度法來進行監(jiān)測的。吸光光度法進行定量測定的理論基礎(chǔ)是比耳定律。一束單色光通過有吸收物質(zhì)的溶液后，溶液的吸光度與溶液中吸光物質(zhì)的濃度成正比，即同一物質(zhì)不同濃度的溶液，在一定波長處吸光度隨濃度增加而增大。溶液吸光度與吸光物質(zhì)濃度關(guān)系見圖2。

圖2 溶液吸光度與吸光物質(zhì)濃度關(guān)系

鈣鎂在線分析儀適用于氯堿行業(yè)飽和鹽水中鈣鎂的分析。可以根據(jù)不同檢測點，選用不同量程，實時監(jiān)測鹽水質(zhì)量。鈣鎂離子在線分析儀采用610 nm波長可見光分析鹽水中0～3 000μg/L的鈣鎂離子，分析儀采用濃度為0.1%的Calver-B顯色劑，該顯色劑在pH值大于11的鹽水中顯示藍色，當與鹽水中游離的鈣鎂離子進行絡(luò)合后溶液顯示紅色，分析儀自動記錄吸光度M1值，在含有Ca-Calver-B絡(luò)合物的鹽水中繼續(xù)加入0.01 mol/L的乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）后，EDTA將鈣鎂離子掩蔽，檢測鹽水重新恢復(fù)藍色，此時分析儀記錄吸光度M2值，M1減去M2的變化值即為鹽水中含有鈣、鎂離子的濃度。依據(jù)朗伯—比爾定律，計算鈣、鎂離子在鹽水中濃度，反應(yīng)式如下：

5.2 兩堿分析儀工作原理

過堿量在線分析儀是利用電位滴定的方法來進行監(jiān)測的。電位滴定法是通過向樣品溶液滴加與待測物質(zhì)起反應(yīng)的滴定劑，在滴定過程中監(jiān)測指示電極電位的變化并根據(jù)電極電位的“突躍”來確定滴定終點的一種電位分析法。

過堿量在線分析儀是用鹽酸標準滴定溶液和氫氧化鈉及碳酸鈉反應(yīng)，至第一個電極電位的“突躍”為第一等當點，此時，氫氧化鈉完全被中和，碳酸鈉轉(zhuǎn)化成碳酸氫鈉，然后繼續(xù)用鹽水標準滴定溶液反應(yīng)，至第二個電極電位的“突躍”為第二等當點，此時碳酸鈉完全被中和。

反應(yīng)式如下：

6 雙系統(tǒng)裝置在線取樣分析DCS程序設(shè)計

本次一次鹽水鈣鎂、兩堿、濁度在線分析采用一套在線分析，實時分析公司Ⅰ-Ⅱ線兩套獨立裝置，并在DCS數(shù)據(jù)處理時增加邏輯設(shè)計，實現(xiàn)了設(shè)計初衷并達到預(yù)期效果，數(shù)據(jù)處理邏輯設(shè)計圖見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)處理邏輯設(shè)計圖

7 基于DCS遠程協(xié)控智能在線分析系統(tǒng)的硬件軟設(shè)計

本次在線分析硬件系統(tǒng)配置結(jié)合裝置現(xiàn)場實際情況，與設(shè)備廠家進行系統(tǒng)設(shè)計和定制智能提升，為滿足公司DCS協(xié)控需要，在軟件開發(fā)硬件配置上進行了提高和智能化理念注入，具備兩種在線分析工作模式：本地在線分析模式和DCS遠程協(xié)控在線分析模式。

7.1 本地在線分析模式

高鈣鎂分析本地模式運行示例，在線分析儀表預(yù)先設(shè)計程序步驟進行順控工作：進樣—吸光池置換—再次進樣—定量—脈沖泵試劑1進—啟磁力攪拌—柱塞泵進顯色劑—脈沖泵試劑2進—程序計算吸光度綜合運算結(jié)果呈現(xiàn)。

7.2 DCS遠程協(xié)控在線分析模式

DCS遠程協(xié)控在線分析模式需要將在線分析儀切換到遠程控制模式，遠程控制模式在分析儀器內(nèi)部設(shè)計了DCS協(xié)控指令優(yōu)先程序，在線分析儀在正常樣水分析循環(huán)前由DCS上位程序發(fā)出進樣許可指令，與DCS采樣閥組切換周期，進樣Ⅰ-Ⅱ線裝置狀態(tài)校對完成后，遠程給在線分析儀運行指令后分析儀進行預(yù)設(shè)內(nèi)部程序開始工作，實現(xiàn)DCS與現(xiàn)場的同步協(xié)控聯(lián)動運行。

8 在線分析自動控制投用應(yīng)用研究

通過在線分析數(shù)據(jù)含量作為主調(diào)，流量作為副控，當在線數(shù)據(jù)監(jiān)測發(fā)生變化時，自動控制兩堿加入量達到指標控制范圍，NaOH 0.1 g/L，Na2CO30.5 g/L。

NaOH自動控制見圖4。

圖4 NaOH自動控制

在線分析AE1302監(jiān)測到濃度變化與DCS預(yù)先設(shè)定的濃度給定值進行比較，偏差給濃度控制器進行PID運算，給NaOH流量控制副控作為外給定實現(xiàn)濃度精準控制，Na2CO3流量控制作為加入量的穩(wěn)態(tài)單回路控制。

Na2CO3自動控制見圖5。

圖5 Na2CO3自動控制

在線分析AE1303監(jiān)測到濃度變化與DCS預(yù)先設(shè)定的濃度給定值進行比較，偏差給濃度控制器進行PID運算，給Na2CO3流量控制副控作為外給定實現(xiàn)濃度精準控制，Na2CO3流量控制作為加入量的穩(wěn)態(tài)單回路控制。

目前濁度的控制還在摸索階段，暫未實現(xiàn)自動控制，屬于開環(huán)控制，現(xiàn)在通過在線分析數(shù)據(jù)含量調(diào)整加鹽量和回流量，同時補充定量的鹽泥，濁度SS控制在85 NTU左右。

9 基于智慧工廠無線Modbus_RTU平臺搭建

大數(shù)據(jù)平臺對接公司質(zhì)檢部SMS系統(tǒng)及生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES數(shù)據(jù)共享應(yīng)用，對接質(zhì)檢SMS系統(tǒng)可有效與ICP分析實時同步系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采樣比對，預(yù)警性進行質(zhì)檢抽檢及在線識別，有效減少質(zhì)檢頻次同時創(chuàng)造高效勞動生產(chǎn)力，接入生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES數(shù)據(jù)共享，充分有效將數(shù)據(jù)建模預(yù)警原料消耗策略管控。

在線分析系統(tǒng)結(jié)合裝置現(xiàn)場實際情況，與設(shè)備廠家進行定制智能終端設(shè)計，滿足了公司大數(shù)據(jù)智慧平臺的接入需要，同步與公司質(zhì)檢部SMS系統(tǒng)及生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES數(shù)據(jù)共享，在線分析硬件增加Modbus_RTU通訊總線接入，采用無線Modbus_RTU 5G技術(shù)應(yīng)用，通過無線5G終端進行數(shù)據(jù)平臺搭建接入質(zhì)檢部SMS系統(tǒng)及生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES，實現(xiàn)智慧工廠數(shù)據(jù)共享。

10 經(jīng)濟效益

（1）兩套生產(chǎn)裝置共用一套在線分析系統(tǒng)，過程采樣全系統(tǒng)自流動力輸送，高落差坡度式布管保障整個采樣系統(tǒng)無需增加動力輸送裝置，同時后期設(shè)備易耗備件成本，試劑消耗管理成本也將減少一半，經(jīng)濟效益測算見表1。

表1 經(jīng)濟效益測算表

首次投資成本節(jié)約134.3萬元，后期運維成本節(jié)約2.5萬元/a。

（2）在線分析及有效的自控投運，減少現(xiàn)場自檢人員1人/班及鹽水工段的現(xiàn)場操作人員1人/班，4班人力成本優(yōu)化8人，按月平均工資5 300元/人測算，節(jié)約成本50.88萬元/a。

（3）生產(chǎn)運行超低能耗控制成本效益

現(xiàn)有工藝指標控制：NaOH 0.25 g/L降到0.18 g/L，Na2CO30.5 g/L降到0.4g/L，節(jié)約NaOH 0.029 4萬t，Na2CO30.042萬t。

燒堿、純堿價格分別按照1 700元/t和1 750元/t計，燒堿節(jié)約49.98萬元，純堿節(jié)約73.5萬元。

11 結(jié)語

海豐和銳在兩條生產(chǎn)制鹽裝置采取雙線裝置一套在線分析設(shè)計應(yīng)用方案，同時實現(xiàn)全自動調(diào)節(jié)投用研究應(yīng)用及智能智慧理念實踐探索。有效提升鹽水全分析在線過程精準低耗控制水平，最大程度挖掘現(xiàn)有氯堿裝置的最大產(chǎn)能和經(jīng)濟運行臨界點，有效保障核心設(shè)備離子膜電解槽長周期運行，提升經(jīng)濟運行效益，最終實現(xiàn)全系統(tǒng)鏈節(jié)能降耗經(jīng)濟運行。