挑戰(zhàn)

　　氧化鋁工業(yè)是公認(rèn)的資源消耗和污染行業(yè)，長(zhǎng)期以來工廠對(duì)于裝置的精細(xì)操作和控制方面投入嚴(yán)重不足，資源產(chǎn)出效率低污染大，存在著很大的節(jié)約潛力，企業(yè)可以充分利用先進(jìn)技術(shù)改造提升氧化鋁行業(yè)的操作水平，節(jié)約資源消耗，降低對(duì)環(huán)境的影響。

　　解決方案

　　先進(jìn)控制技術(shù)(APC)，特別是模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)(MPC)可被看作是一個(gè)使過程變量保持在設(shè)定點(diǎn)的工具，它把整個(gè)過程視為單一個(gè)體而不是一個(gè)個(gè)被隔絕的控制回路集成，在滿足多種約束條件的情況下，保證生產(chǎn)的安全平穩(wěn)，協(xié)調(diào)優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)過程。

　　成果

　　2016年2月，羅克韋爾自動(dòng)化基于Pavilion8的模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)正式上線。系統(tǒng)上線后，在穩(wěn)定焙燒爐爐溫和灼減波動(dòng)，降低能耗方面效果顯著，為企業(yè)帶來了實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益。

　　背景

　　中國(guó)是全球最大的氧化鋁生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)量已占到全球總產(chǎn)量的50%以上。在過去幾年，全球的氧化鋁產(chǎn)能增量主要來自于中國(guó)。2008~2016年中國(guó)氧化鋁產(chǎn)能年均復(fù)合增長(zhǎng)率為11.87%，而全球其他地區(qū)氧化鋁年均復(fù)合增長(zhǎng)率為-3.66%。但隨著產(chǎn)能的迅速擴(kuò)張，近年來氧化鋁的價(jià)格出現(xiàn)了疲軟震蕩，人工成本的增長(zhǎng)和礦石及能源價(jià)格的上升，進(jìn)一步導(dǎo)致氧化鋁行業(yè)利潤(rùn)率的銳減。作為氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)，如何提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品品質(zhì)，降低原材料和能源成本，實(shí)現(xiàn)降本增效，是企業(yè)需要考慮的核心問題，也是企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。

　　某氧化鋁企業(yè)是2014年投資新建的大型氧化鋁生產(chǎn)、銷售及深加工型企業(yè)。企業(yè)規(guī)劃建設(shè)階段適逢工業(yè)4.0風(fēng)靡全球，該企業(yè)目標(biāo)建設(shè)成為國(guó)內(nèi)氧化鋁行業(yè)的標(biāo)桿企業(yè)，在生產(chǎn)工藝技術(shù)、裝備自動(dòng)化及信息化技術(shù)方面做到行業(yè)領(lǐng)先。秉承打造智慧工廠的目標(biāo)，公司特別成立了智能制造團(tuán)隊(duì)，全力推進(jìn)氧化鋁由傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)向智能化加速轉(zhuǎn)型。一期年產(chǎn)80萬(wàn)噸氧化鋁項(xiàng)目建成投產(chǎn)后，該企業(yè)發(fā)現(xiàn)焙燒爐系統(tǒng)在生產(chǎn)平穩(wěn)性和節(jié)能方面仍有可提升的空間，希望引進(jìn)一套先進(jìn)控制系統(tǒng)(APC)優(yōu)化焙燒過程，降低煤氣消耗，實(shí)現(xiàn)進(jìn)料和燃料的自動(dòng)控制以及自動(dòng)烘爐。從而提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，降低噸產(chǎn)品的能源消耗，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的利潤(rùn)水平。

　　挑戰(zhàn)

　　焙燒是去除從分解綜合過濾來的氫氧化鋁晶體中包含的結(jié)晶水，產(chǎn)品的質(zhì)量取決于焙燒的溫度和時(shí)間長(zhǎng)短。另外焙燒過程存在大量的時(shí)變、交互作用的變量。這將使它難于進(jìn)行穩(wěn)定的控制。焙燒爐的生產(chǎn)過程本質(zhì)上互相影響，控制變量之間相互關(guān)聯(lián)，而且多以手動(dòng)操作為主，因此系統(tǒng)操作很不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的常規(guī)控制較難穩(wěn)定過程的操作，操作人員工作強(qiáng)度很大。

　　該氧化鋁工廠焙燒爐的工藝過程如圖1所示，含10%~15%的附著水、溫度約50℃的氫氧化鋁由膠帶輸送機(jī)送入氫氧化鋁倉(cāng)L01，出倉(cāng)濕氫氧化鋁經(jīng)倉(cāng)底的電子皮帶秤F01計(jì)量，經(jīng)膠帶輸送機(jī)F02、螺旋給料機(jī)A01，將氫氧化鋁送入文丘里干燥器A02(約340℃)。

　　圖1 焙燒工段流程圖

　　干燥后的物料(約150℃)經(jīng)一級(jí)旋風(fēng)筒P01分離然后在P02(約320~360℃)中被加熱(除去結(jié)晶水)最后在焙燒爐P03和P04內(nèi)完成焙燒及產(chǎn)品質(zhì)量的調(diào)整。產(chǎn)品通過旋風(fēng)冷卻器C01,C02,C03和C04冷卻，在流化冷卻器K01和K02內(nèi)產(chǎn)品被冷卻至存貯溫度(80℃)輸送至氧化鋁大倉(cāng)。

　　焙燒過程的熱源來自煤氣，溫度控制靠V19和V08，而助燃空氣則來自冷卻風(fēng)的預(yù)熱空氣。如果來料含水分較高時(shí)，熱發(fā)生器(T11)將提供輔助熱源。它位于干燥器(A02)之前。焙燒爐(P04)出來的高溫廢氣通過兩級(jí)旋風(fēng)分離器的冷卻然后經(jīng)電收塵(P11)除塵后排入大氣。廢氣由O2和CO分析系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制。物料流動(dòng)的動(dòng)力靠系統(tǒng)負(fù)壓，由排風(fēng)機(jī)(P17)提供。位于C02的，在烘爐階段用于預(yù)熱C01和C02，為入爐氣體提供足夠的溫度。

　　該焙燒爐過程在以下四方面需要手動(dòng)操作完成，包括：

　　? 氫氧化鋁投料量由操作人員手動(dòng)給定;

　　? 煤氣量由人工通過對(duì)主爐溫度的判斷進(jìn)行調(diào)節(jié)燃燒器的燒嘴開度進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，必要時(shí)還需調(diào)節(jié)煤氣閥開度;

　　? 引風(fēng)變頻開度由操作人員根據(jù)煙氣含氧量及電收塵出口壓力等參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié);

　　? 電除塵電壓視排放顆粒是否超標(biāo)由操作人員手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　受上述人工操作的限制，項(xiàng)目投產(chǎn)后總體運(yùn)行狀況并未達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的預(yù)期目標(biāo)，主爐溫度波動(dòng)為±25℃以上，熱灼減率的均方差波動(dòng)范圍也達(dá)0.06%，造成了產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定以及煤氣消耗量大等問題，在國(guó)內(nèi)氧化鋁產(chǎn)能過剩，利潤(rùn)率低的大環(huán)境下，該問題急需解決。該企業(yè)希望能夠通過先進(jìn)控制技術(shù)(APC)的引入，優(yōu)化焙燒爐工藝指標(biāo)，得到質(zhì)量穩(wěn)定的鋁土產(chǎn)品，并顯著降低能源消耗。

　　圖2 P04溫度和進(jìn)料以及煤氣調(diào)節(jié)趨勢(shì)圖 (藍(lán)色- P04溫度，紅色- P04溫度，棕色-V19煤氣量，藍(lán)綠色-NaOH進(jìn)料)

　　解決方案

　　軟件的先進(jìn)性，模型開發(fā)和維護(hù)的便捷性以及團(tuán)隊(duì)的專業(yè)性是用戶選擇APC供應(yīng)商的幾項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)。憑借多項(xiàng)領(lǐng)先的專利技術(shù)和對(duì)氧化鋁工藝的熟稔，羅克韋爾自動(dòng)化的Pavilion8模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)解決方案得到了企業(yè)的認(rèn)可。

　　羅克韋爾自動(dòng)化的氧化鋁APC解決方案能夠在短時(shí)間內(nèi)完成控制模型的開發(fā)并可在線進(jìn)行調(diào)整，與基于操作規(guī)程編程的專家系統(tǒng)相比，能夠節(jié)省大量的項(xiàng)目執(zhí)行時(shí)間，投資回報(bào)周期更短。系統(tǒng)能夠始終將生產(chǎn)過程操作控制在優(yōu)化操作點(diǎn)，為裝置帶來更大的效益。此外，系統(tǒng)控制器的抗干擾能力和魯棒性很強(qiáng)，操作人員接受度高，維護(hù)工作量小。

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施前，羅克韋爾自動(dòng)化的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)與客戶一起對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行了全面分析，分析得出了導(dǎo)致焙燒爐產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)且能耗較高的幾個(gè)原因：

　　? 氫氧化鋁受上一工序工藝影響，其含水量波動(dòng)，導(dǎo)致焙燒效果受到較大影響，此外加料系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)下料不暢，導(dǎo)致溫度的大幅波動(dòng);

　　? 電收塵的間歇式返灰對(duì)焙燒系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大影響，進(jìn)入主爐空氣溫度下降幅度大，導(dǎo)致焙燒溫度隨之波動(dòng);

　　? 由于焙燒溫度無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)定控制，無法將灼減率化驗(yàn)值與焙燒溫度的控制形成閉環(huán)，導(dǎo)致產(chǎn)品熱灼減率波動(dòng)較大;

　　? 引風(fēng)操作的及時(shí)性不夠，氧量不穩(wěn)定，導(dǎo)致電耗增大，電收塵工作不平穩(wěn);

　　? 操作人員無法獲取排放顆粒值，不能及時(shí)調(diào)整電收塵以形成閉環(huán)。

　　針對(duì)上述問題，羅克韋爾自動(dòng)化APC解決方案選取的控制操作變量定制了基于Pavilion8上位機(jī)系統(tǒng)的智能優(yōu)化解決方案，該方案能夠靈活地將不同工序但又相互關(guān)聯(lián)的單元聯(lián)系起來進(jìn)行控制。下圖所示是典型的Pavilion8? 服務(wù)器與現(xiàn)有控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，Pavilion8?服務(wù)器與現(xiàn)有的控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫通信。

　　羅克韋爾自動(dòng)化提供的Pavilion8? 最新版本產(chǎn)品主要包括：

　　? Pavilion8? PDI-OPC Process Data Interface過程數(shù)據(jù)OPC接口;

　　? Pavilion8? AM-Application Manager 應(yīng)用程序管理;

　　? Pavilion8? VOA 軟儀表運(yùn)行軟件;

　　? Pavilion8? Solution Builder 模型開發(fā)和組態(tài)軟件;

　　? Pavilion8? MPC控制器在線運(yùn)行軟件;

　　? Pavilion8? Console 控制器性能監(jiān)視。

　　Pavilion8?軟件在線運(yùn)行需要服務(wù)器級(jí)別的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)配置與DCS/PLC控制系統(tǒng)通過OPC接口進(jìn)行讀寫雙向通信，軟件包括智能優(yōu)化控制器建模和在線運(yùn)行引擎，與DCS/PLC的輸入輸出連接，必要的計(jì)算和邏輯運(yùn)算程序，以及工程師和操作人員操作界面。因此項(xiàng)目配備兩臺(tái)服務(wù)器，一臺(tái)運(yùn)行Pavilion8 APC控制器，一臺(tái)作為Pavilion8 Console服務(wù)器，是所有APC控制器操作畫面和監(jiān)視控制性能的服務(wù)器，同時(shí)這臺(tái)服務(wù)器還能夠長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)。

　　圖3 智能優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成簡(jiǎn)圖效果

　　爐溫和灼減波動(dòng)均降低約30%，焙燒爐氧量和CO%實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)，并有效降低了單位氧化鋁產(chǎn)品的煤氣消耗，整體可節(jié)約1.0~2.0%的能耗。在進(jìn)料和燃料方面徹底告別了手動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制和標(biāo)準(zhǔn)化操作，并通過集合烘爐操作程序和APC控制器，實(shí)現(xiàn)了烘爐自動(dòng)操作。Pavilion8模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的引入為客戶每年創(chuàng)造的直接經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)300萬(wàn)元左右。

（轉(zhuǎn)載）