拜耳法氧化鋁蒸發(fā)工序的智能制造方案探討

茹文濤，張軍

（杭州錦江集團(tuán)，浙江 杭州，310005）

1 拜耳法氧化鋁生產(chǎn)過程概述

采用拜耳法工藝生產(chǎn)氧化鋁，即鋁土礦與一定量的苛性堿溶液（循環(huán)母液）一起在磨機(jī)中進(jìn)行研磨，磨好后的鋁土礦漿用蒸汽或其他熱源加熱到溶出溫度后進(jìn)行保溫溶出，在此過程中堿與礦石中的氧化鋁反應(yīng)成為鋁酸鈉溶液，而礦石中的鐵、鈦等雜質(zhì)和大部分硅成為不溶解的化合物留在溶出后的礦漿經(jīng)稀釋后送入赤泥分離及洗滌工段，礦漿中不溶解的化合物（由于被氧化鐵染成紅色，故稱為赤泥）與鋁酸鈉溶液分離，經(jīng)洗滌達(dá)到環(huán)保要求后排入赤泥堆場堆存。分離后得到的鋁酸鈉溶液，經(jīng)控制過濾得到純凈的鋁酸鈉精制液，用加晶種分解的方法，使溶液中的氧化鋁成為氫氧化鋁結(jié)晶析出。分解析出的氫氧化鋁（含3個結(jié)晶水的氧化鋁）經(jīng)分離及洗滌（洗去氫氧化鋁固體附著的堿）后，用焙燒的方法（焙燒的溫度約1200℃）脫出氫氧化鋁的結(jié)晶水即得到氧化鋁成品。分解母液經(jīng)蒸發(fā)后則循環(huán)使用處理另一批鋁土礦。拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的工藝流程如圖1。

圖1 拜耳法氧化鋁生產(chǎn)工藝流程圖

2 智能制造與氧化鋁生產(chǎn)的結(jié)合

中國制造2025明確提出，著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進(jìn)生產(chǎn)過程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平。中國制造2025的首要任務(wù)是加強(qiáng)企業(yè)制造的創(chuàng)新能力，而智能制造是推進(jìn)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的主攻方向。智能化是中國制造破局突圍的關(guān)鍵一環(huán)，中國企業(yè)首先必須有長遠(yuǎn)的產(chǎn)品技術(shù)戰(zhàn)略。制造業(yè)龍頭企業(yè)應(yīng)該肩負(fù)起中國制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型的探索和引領(lǐng)作用。同時，要加強(qiáng)在智能制造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)協(xié)同合作，形成智能產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。

某氧化鋁企業(yè)在智能制造上不斷探索，采用AB、和利時和浙大中控DCS分別實現(xiàn)氧化鋁、熱電站和脫硫生產(chǎn)過程檢測和控制。氧化鋁生產(chǎn)包含原礦、溶出、沉降、分解、蒸發(fā)、焙燒幾個工序，生產(chǎn)過程、設(shè)備的數(shù)據(jù)采集齊全，電氣設(shè)備全部受控，高壓設(shè)備連鎖保護(hù)、生產(chǎn)順控、PID生產(chǎn)調(diào)節(jié)都已具備，并在中控室實現(xiàn)了全廠各個工序的工藝、電氣設(shè)備全廠集中監(jiān)控等。下面就某氧化鋁蒸發(fā)工序的智能制造技術(shù)方案做一個介紹。

3 蒸發(fā)工序的智能制造

3.1 蒸發(fā)工序智能化制造介紹

某氧化鋁廠母液蒸發(fā)系統(tǒng)流程如下圖所示：

圖2 母液蒸發(fā)系統(tǒng)流程圖

該流程的特點是：采用六效逆流強(qiáng)制循環(huán)的作業(yè)制度。其中5-6效為負(fù)壓蒸發(fā)。來自分解工序的母液經(jīng)過分流，按照1：1的比例分別進(jìn)入4效和6效蒸發(fā)器。進(jìn)入4效蒸發(fā)器的母液經(jīng)過4效、3效、2效和1效蒸發(fā)，1級、2級和3級閃蒸；進(jìn)入6效蒸發(fā)器的母液經(jīng)過6效和5效蒸發(fā)。3級閃蒸和5效蒸發(fā)后的母液混合后送回溶出工序。飽和蒸汽進(jìn)入1效蒸發(fā)器，1效蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入2效蒸發(fā)器，2效蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入3效蒸發(fā)器，以此類推。各自乏汽通過冷凝水自蒸發(fā)器進(jìn)一步回收其中的熱，溶液則通過蒸汽直接預(yù)熱后再進(jìn)入蒸發(fā)器組，經(jīng)間接預(yù)熱，強(qiáng)制循環(huán)至蒸發(fā)室蒸發(fā)。

通過智能制造項目推進(jìn)，用系統(tǒng)化軟件主要實現(xiàn)目的：根據(jù)DCS采集的實時數(shù)據(jù)，自動調(diào)節(jié)蒸汽閥門、四效進(jìn)料閥門和六效進(jìn)料閥門的開度，在保證生產(chǎn)安全和生產(chǎn)目標(biāo)的前提下，將蒸發(fā)后的循環(huán)母液濃度穩(wěn)定在設(shè)定的目標(biāo)值。

優(yōu)化系統(tǒng)上線運(yùn)行后，達(dá)到以下目標(biāo)：

1.將蒸發(fā)后的循環(huán)母液濃度穩(wěn)定在設(shè)定的目標(biāo)值；

2.在保證循環(huán)母液流量滿足生產(chǎn)的情況下，蒸發(fā)后的循環(huán)母液濃度波動范圍比項目實施前減少30%以上；

3.降低蒸汽消耗量；

4.提高自動化程度，減輕勞動強(qiáng)度，使操作人員由手工操作為主變?yōu)檠惨暈橹鳎?/p>

5.提高設(shè)備效率。

3.2 需求建模分析

（1）系統(tǒng)方案

本方案是在力太科技公司工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺基礎(chǔ)上，增加蒸發(fā)工序的優(yōu)化控制程序。優(yōu)化控制程序利用力太科技公司工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)與DCS數(shù)據(jù)雙向交換，完成數(shù)據(jù)采集、智能優(yōu)化判斷與計算、同時通過輸出優(yōu)化結(jié)果給DCS，實現(xiàn)蒸發(fā)工序的優(yōu)化控制。優(yōu)化控制程序作為外掛系統(tǒng)對DCS控制構(gòu)成補(bǔ)充，DCS僅需開放通訊接口，并開發(fā)簡單的控制的邏輯，對原有DCS系統(tǒng)不會出現(xiàn)影響。

主要流程說明：

優(yōu)化控制通過力太科技公司工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺從DCS內(nèi)的OPC server采集實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)；

優(yōu)化控制根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化計算后，將被控目標(biāo)的設(shè)定值寫回OPC server，DCS根據(jù)寫入的數(shù)值控制對應(yīng)閥門的開度。

當(dāng)優(yōu)化控制發(fā)現(xiàn)異常，需要告警通知DCS操作員時，將告警信息寫入力太科技公司工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺提供的OPC server中，DCS監(jiān)控對應(yīng)的數(shù)據(jù)點，收到異常后在DCS控制界面上顯示告警信息。

DCS操作員通過DCS控制優(yōu)化控制，將控制指令寫入力太科技公司工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺提供的OPC server中，優(yōu)化控制接收到指令后完成相應(yīng)動作。

（2）控制模型

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖4 模型預(yù)測控制基本原理圖

本優(yōu)化系統(tǒng)采用模型預(yù)測控制方法，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，構(gòu)建一個精準(zhǔn)的控制模型。該模型根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場采集的工藝參數(shù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計算，并根據(jù)計算結(jié)果實時調(diào)整蒸汽流量和循環(huán)母液分液比到最優(yōu)值。

模型預(yù)測控制是一種基于模型的閉環(huán)優(yōu)化控制策略，已在石油、化工、冶金和電力等復(fù)雜工業(yè)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。模型預(yù)測控制為了優(yōu)化對象的未來行為，而計算一系列被控變量的調(diào)整，是一種計算機(jī)優(yōu)化控制算法?，F(xiàn)代控制理論的特點是要求精確的模型、最優(yōu)的性能指標(biāo)、系統(tǒng)的設(shè)計方法。預(yù)測控制的特點是：對模型要求不高，不需要深入了解過程內(nèi)部機(jī)理，建模方便；魯棒性可調(diào)，有利于提高系統(tǒng)的魯棒性；較好的動態(tài)控制效果；可處理約束；可實現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化（包括經(jīng)濟(jì)指標(biāo)）；不增加理論困難，可推廣到有約束條件、大純滯后、非最小相位及非線性等過程。

3.3 智能化的具體需求

3.3.1 功能需求

（1）開啟/關(guān)閉優(yōu)化控制 用戶可以根據(jù)實際生產(chǎn)需要，在DCS控制界面上，開啟/關(guān)閉優(yōu)化控制。優(yōu)化控制開啟時，優(yōu)化系統(tǒng)從DCS采集實時數(shù)據(jù)，并根據(jù)計算結(jié)果向DCS輸出控制指令；優(yōu)化控制關(guān)閉時，優(yōu)化系統(tǒng)僅從DCS采集實時數(shù)據(jù)，不向DCS輸出控制指令。無論優(yōu)化控制是否開啟，優(yōu)化系統(tǒng)都需要不間斷的讀取DCS的數(shù)據(jù)，用于實時跟蹤生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)，修正預(yù)測模型。優(yōu)化控制開啟后，會持續(xù)更新心跳信息，DCS可根據(jù)心跳信息判斷優(yōu)化控制是否運(yùn)行正常。

（2）優(yōu)化控制蒸汽流量 合理的控制蒸汽流量是穩(wěn)定蒸發(fā)母液中苛堿濃度、降低蒸汽消耗的關(guān)鍵。影響蒸發(fā)母液中苛堿濃度因素非常多，包括來料的流量、溫度、濃度、各個蒸發(fā)器內(nèi)的蒸汽的壓力、溫度、蒸發(fā)時間等等。本優(yōu)化控制的難點在于如何根據(jù)大量的變量來合理的調(diào)節(jié)蒸汽流量。系統(tǒng)采用的預(yù)測模型，基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)。首先，計算機(jī)通過海量的生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)輸出的苛堿濃度隨這些變量變化的規(guī)律。然后，實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并利用訓(xùn)練好的預(yù)測模型預(yù)測輸出的苛堿濃度。最后，根據(jù)預(yù)測值和設(shè)定值，計算出一個合理的調(diào)整量，使得調(diào)整后輸出的苛堿濃度符合設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。

（3）優(yōu)化控制母液分液比 進(jìn)入四、六效蒸發(fā)器的母液分液比是一個設(shè)計值，已經(jīng)通過的預(yù)先測量和計算，是一個最優(yōu)值，一般情況下保持不變。優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)控制進(jìn)入四、六效蒸發(fā)器的母液流量，使得分液比符合設(shè)定值。當(dāng)產(chǎn)出母液的苛堿濃度偏離設(shè)定值很大時，通過調(diào)整進(jìn)入四、六效蒸發(fā)器的母液分液比可以快速將產(chǎn)出母液的苛堿濃度調(diào)整到設(shè)定值附近。但這樣會大大增加蒸汽消耗量，增加生產(chǎn)成本。所以，只有在特殊情況下，才需要調(diào)整進(jìn)入四、六效蒸發(fā)器的母液分液比。

（4）優(yōu)化控制異常告警 當(dāng)優(yōu)化系統(tǒng)檢測到異常，無法通過自動控制達(dá)到穩(wěn)定目標(biāo)時，應(yīng)該通知用戶異常信息。用戶根據(jù)異常信息提示，排除異常，或切換到手工控制模式，以保證安全生產(chǎn)。優(yōu)化系統(tǒng)通過DCS界面以彈窗形式在PC上顯示，提示人員。常見的異常信息包括：蒸汽壓力異常、蒸汽流量異常、輸入母液流量異常、蒸發(fā)器換熱比異常等。

3.3.2 性能需求

（1）控制周期與讀取頻率 一般而言，控制周期越短，頻率越高，控制效果越好。但蒸發(fā)是一個物理過程，相對于其他工業(yè)控制場景，其特點是速度慢，周期長。當(dāng)控制周期短到某個值后，再縮短控制周期，并不能提升控制效果。本方案將控制周期暫定為3分鐘?？刂瞥绦蛎扛?分鐘向DCS發(fā)出一次控制指令。后期根據(jù)實際運(yùn)行效果再優(yōu)化調(diào)整控制周期。本方案將讀取數(shù)據(jù)暫定為1秒/次。優(yōu)化控制通過OPC接口一秒鐘讀取一次DCS數(shù)據(jù)。

（2）輸出母液苛堿濃度偏范圍 輸出母液中的苛堿濃度偏差是評判優(yōu)化控制程序效果的重要指標(biāo)。目前通過人工調(diào)節(jié)的方法，輸出的母液中苛堿濃度偏差一般為±3g/L。優(yōu)化控制系統(tǒng)的目標(biāo)是將該偏差穩(wěn)定在±1g/L。

3.3.3 外部接口

主要涉及用戶接口、軟件接口、硬件接口和通訊接口，氧化鋁工業(yè)的自動化和控制系統(tǒng)的積累和應(yīng)用相應(yīng)解決方案較成熟，國內(nèi)供應(yīng)商方面可供選擇的較多，不再贅述。

3.4 總體設(shè)計約束

優(yōu)化控制系統(tǒng)約束，包含以下幾點：

（1）模型準(zhǔn)確性：通過歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，保證模型控制范圍在歷史數(shù)據(jù)范圍內(nèi)；

（2）歷史數(shù)據(jù)安全值：通過對歷史數(shù)據(jù)分析，人工配置安全上下限值；

（3）專家規(guī)則：相關(guān)專業(yè)人員對重要數(shù)據(jù)的上下限值約束；

（4）監(jiān)控組：對工藝重要數(shù)據(jù)實行監(jiān)控；

（5）工藝數(shù)據(jù)調(diào)整幅度可控，包括單位時間內(nèi)閥門開度、流量等；

（6）底層控制采用更安全、穩(wěn)定的PID；

（7）所有配置內(nèi)容，包括數(shù)據(jù)上下限值、控制周期等均可動態(tài)配置；

模型異常情況自動切斷，也可人為操控。異常情況包括監(jiān)控組值異常，現(xiàn)場數(shù)據(jù)超出歷史數(shù)據(jù)安全值或?qū)＜乙?guī)則等，人為通過組態(tài)界面一鍵切斷，切斷后模型不做控制，現(xiàn)場返還至人工操作模式。

上述具體而已包括了生產(chǎn)安全、質(zhì)量、產(chǎn)能等方面的相關(guān)指標(biāo)及時管控。

3.5 軟件系統(tǒng)可靠性

優(yōu)化控制應(yīng)采用雙機(jī)熱備的方式保證其可靠性。優(yōu)化控制應(yīng)至少同時在兩個計算節(jié)點上運(yùn)行實例，其中一個實例為主控實例，其他實例為備份實例。一般情況下，主控實例將控制指令下發(fā)給DCS，備份實例實時同步主控實例狀態(tài)。當(dāng)主控實例發(fā)生異常時，其中一個備份實例升級為主控實例，接替異常的主控實例向DCS下發(fā)控制指令。主控實例和備份實例切換時，應(yīng)保證狀態(tài)延續(xù)性，備份實例能平滑無縫的接替主控實例。

4 上線運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益分析

圖5 自動控制上線前后運(yùn)行數(shù)據(jù)之一對比

APC自動控制系統(tǒng)上線運(yùn)行半月后數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，可以節(jié)約0.00788t·蒸汽/t·水，預(yù)計可在兩年內(nèi)回收投資成本。

5 總結(jié)

某氧化鋁廠在智能制造上不斷探索，仔細(xì)研究氧化鋁生產(chǎn)各工序，采集生產(chǎn)過程、設(shè)備的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電氣設(shè)備全部受控，高壓設(shè)備連鎖保護(hù)、生產(chǎn)順控、PID生產(chǎn)調(diào)節(jié)都已具備，并在中控室實現(xiàn)了全廠各個工序的工藝、電氣設(shè)備全廠集中監(jiān)控等智能化建設(shè)，針對蒸發(fā)工序的智能制造提升工程，以遠(yuǎn)程控制、分散集中控制、智能控制等結(jié)合提高勞動生產(chǎn)率，而且工人的勞動強(qiáng)度較傳統(tǒng)行業(yè)水平降低了一半。