中控DCS控制系统在新型节能置换蒸煮系统中应用

一、前言

传统的间歇式蒸煮锅是在一个间歇的程序中进行操作：将蒸煮原料与碱等反应剂放入到一个立锅中进行反应生产成纸浆，完成一个周期，间歇式地生产出纸浆。纸浆中纤维和黑液一起从蒸煮锅中排出来，浆料含有残余的热量与未曾用完的化学药品，虽然残碱通过碱回收设备能回收，但大量的热能没有获得进一步再利用，蒸煮成为制浆高能耗的一部分。

在八十年代，瑞典的Radar公司开始尝试在浆料喷放之前从蒸煮锅中收集黑液，并希望在下一个蒸煮周期中回用黑液里含有的残余热能，即在喷浆之前，用冷的液体来置换蒸煮锅中的热液，被置换出来的液体根据它们的温度被贮存在一个由压力容器与常压容器所组成的不同槽区内。增加这些额外设施的最初目的是为了减少能耗。出乎意料的是，发现这种方法还有其它好处，就是循环的液体中含有残余的化学药品，这些化学品增加了蒸煮反应的选择性，允许在蒸煮锅内把原料中更多的木质素去除（蒸煮到较低的卡价）并增加纸浆纤维的强度，减少了在漂白工段木质素的去除量。本套系统国外简称Radar Displacement Heating，RDH技术被加拿大的GL&V公司收购后改良为DDS系统在中国推广使用，但DCS系统全部由国外公司实施。

经国家有关科研单位的多年实验与研究，对超级置换蒸煮系统工艺有了深入的了解，并开发出适合中国国情的新型节能置换蒸煮系统，如何效好地完成新型节能置换蒸煮系统生产正常运行全过程，功能强大的自动化控制系统及其先进的控制方法的应用不可缺少。

中控科技集团有限公司的核心成员企业——浙江中控技术股份有限公司组织包括知深的工艺工程师、自控工程师、软件工程师、项目工程师在内的专业攻关团队，合作完成了新型节能置换蒸煮系统的工业化转化和先进控制技术的应用，自动化控制系统采用中控最先进的ECS-700分散控制系统，确保了控制过程的稳定及生产的正常运行。

中控科技集团有限公司企业何谓？

中控科技集团有限公司始创于1993年，是中国领先的自动化与信息化技术、产品、解决方案供应商，业务涉及流程工业综合自动化、公用工程信息化、装备自动化等领域。集团拥有8家子公司、17家分公司、4家办事处及3家海外分支机构。公司现有员工2800余人，其中有30多位博士，70多位硕士及千余名各行业的佼佼者。

浙江中控技术股份有限公司是中控集团的核心成员企业，主要从事流程工业综合自动化领域，能够为用户提供从底层到上层的全面解决方案（InPlant)，提供包括：控制系统、自动化仪表、优化与先进控制软件、过程信息管理系统等产品的研究开发、生产制造、市场营销及工程服务。

中控集团总部位于杭州滨江区美丽的钱塘江畔占地200亩,分为中控科技园和中控软件园,它依托浙江大学也是全国唯一的三个研究所及试验室 "工业自动化国家工程研究中心"、 "工业控制技术国家重点试验室"、"先进控制研究所" 长期的科研积累,使公司始终站在自动化、信息化技术发展的最前沿。

作为国家首批863计划成果产业化基地之一的中控，经过自己十五年的努力，截止2010年底，现为全球16000多家用户服务，创造产值21.5亿多元。获得过多项省级、部级、国家级的奖励，制订国际标准1项，国家和行业标准5项，拥有专利145项(其中发明专利100项）。也在中国造纸行业创造了若干个奇迹，如：安庆华泰30万吨化学浆线DCS控制系统、福建南纸17万吨化机浆DCS控制系统、晨鸣纸业目前已应用了十几套DCS系统、泰格林纸、博汇纸业、太阳纸业、南宁糖业、广西永凯等知名企业的重要装备不断的装上了中控“芯”。

二、新型节能置换蒸煮系统D C S控制系统说明

1、DCS控制系统配置方案及要求

新型节能置换蒸煮系统是一个控制等级很高的制浆项目，它的正常稳定运行对控制系统要求很高，因而自动控制的设计方案采用目前先进的集散控制系统(DCS)，辅以部分盘装仪表及就地指示仪表，实现对工艺生产过程的自动化控制。DCS是一种综合了计算机技术和网络技术的先进控制系统，因此，它比常规仪表更具有高控制精度及高可靠性、操作直观方便、控制功能完善、控制策略多样及组态灵活、系统扩展容易、调试维护方便、性价比高等优点。采用DCS可较大地提高生产过程的自动化水平、确保产品质量的稳定。DCS主要包括工程师站、操作员站、过程控制站及计算机通讯网络。操作人员可通过计算机屏幕对各参数的显示来实现工艺生产过程参数的最佳控制。

新型节能置换蒸煮控制系统除常规配置外，还提供单独的与管理网连接的数据服务器通讯接口，内含标准的OPC通讯接口服务程序，可便捷地实现与车间及工厂管理信息网的无缝连接。

在每个的控制系统内，采用了对等式C/S的网络结构，并配置了通讯网络：过程控制网和管理信息网（根据用户要求建立）。控制网直接连接了系统的控制站和操作站节点，是传送过程控制实时信息的通道，完成实时I/O信息、控制命令、报警和各种历史数据等的传输与发送，并采用双重化冗余设计，数据传输可靠、实时、高效。管理信息网主要是实现了与管理信息网的连接。

系统内的任何操作节点，包括操作员站、工程师站节点等，均可以通过组态文件网络传输和共享发布的方法，进行系统组态、编译、下载等操作。

本系统网络结构稳固、可靠，任一网段、任一节点的故障均不会影响整个网络的正常运行，也不会影响网络上其他网段和节点的运行，完全满足竹浆新型节能蒸煮生产系统对DCS系统网络高可靠性和安全性的要求。

机柜室主要配置有控制柜、继电器柜等设备，操作室配置上述系统的工程师站、操作站以及打印机等。

2、D C S系统配置结构图

网络配置说明：控制测点均为常规测点，即：4~20mA模拟量输入测点（AI测点），Pt100模拟量输入测点（Pt100测点），4~20mA模拟量输出测点（AO测点），干触点开关量输入测点（DI测点），继电器开关量输出测点（DO测点）。根据生产能力及蒸煮器台数， I/O 数将不同，为操作方便，配置4台操作员站，1台工程筛站，一个制药用远程OP。

三、新型节能置换蒸煮工艺控制过程1、装料和温黑液预浸

1.1 原料＋黑液＋低温蒸汽＋蒸煮药剂

1.2 使用低压蒸汽预压紧辅助装料，提高装锅量，同时原料中空气通过滤板排出。

1.3冷黑液用泵送进蒸煮锅底部，于是把空气置换出来。装料完成后，冷黑液随即充满。此时关闭锅顶阀门，继续注入温黑液提升锅内压力。有时需补充白液保证PH值要求。同时开循环泵冲洗篦子。

2、热黑液置换、补充热白液

2.1从锅底部泵送注入热黑液，被置换出的温黑液进入温黑液收集槽，约155 ℃。100 ℃以下送冷黑液槽， 100 ℃以上送温黑液槽。

2.2需要补充的白液加热后与热黑液混合，一起泵送进蒸煮锅。

3、加热蒸煮

3.1蒸汽直接加热循环管中的热黑液，一般温度提升10-15 ℃便达到最高蒸煮温度。因此节约了大量蒸汽。升温之工艺要求稳定。

3.1 对应温度和压力稳定保温、有效碱浓度（有在线有效碱浓度传感器）确定反应时间，控制H因子。

3.2 蒸煮时间完成后转入二次置换

4、终止置换

4.1 当蒸煮反应达到预期的控制终点时，开启回收回流阀同时开启回收补液泵加压黑液，送进蒸煮锅置换出热黑液（蒸煮残液），控制反应时间，使纸浆不过度。热黑液从顶部引出进入温、热黑液槽。100 ℃以上送热黑液槽、 100 ℃以下送温黑液槽。当温度低于80 ℃开启初级回流阀，送入冷黑液槽。在锅内达到75 ℃时，冷黑液泵继续加压到0.6MPa。

4.2 置换过程同时也完成浆一个洗涤过程。

5、出料（蒸煮结束）

5.1 开启稀释泵流量控制稀释黑液，开喷放阀、放锅泵。

5.2经过冷黑液降温的纸浆（一般温度低于100 ℃）用纸浆泵抽出送进卸料塔或喷放锅。

四、新型节能置换蒸煮循环控制过程

(1)装锅：木片经装锅器进入蒸煮器，并泵入(85℃)A罐温黑液。

(2)温黑液预浸：装锅完毕，从蒸煮锅底部泵入B罐(127℃)中的温黑液，对木片进行预热、浸透，黑液由顶部流入A罐。

(3)热黑液和蒸煮白液的加入：开启热黑液泵，使C1罐(150℃)的热黑液经锅底进入，温黑液从锅顶溢入B罐。至一定量后，开始加入一定量的白液(168℃)。再过一段时间，改为由锅底加入C2罐的热黑液(168℃)，从锅顶溢出的黑液进入C1罐，在总碱量达到要求时停止。

(4)升温蒸煮：药液加入完毕后，锅内的温度已接近蒸煮条件，开启药液循环泵，一直到蒸煮的最高温度。

(5)热黑液的置换：蒸煮完成后，开启药液置换泵，将洗涤段产生的温稀黑液从E罐(70℃)泵入锅内，把锅内的高温黑液先后置换到C2罐、C1罐和B罐内。

(6)冷喷放：在热黑液的置换过程中，蒸煮锅的压力消失，用放料泵把纸浆送到储浆塔。

(7)皂化物和松节油的回收：皂化物和松节油可分别从A、B罐的顶部引至回收系统。

五、新型节能置换蒸煮连锁控制

1、装原料皮带电机、输送皮带电机、皮带秤皮带电机、提升输送皮带电机连锁控制

2、预浸螺旋电机、预浸螺旋后皮带电机控制

3、1＃-4#蒸煮锅口皮带电机控制

4、单锅装原料总量累计报警

5、预浸螺旋高液位连锁、预浸螺旋低液位连锁控制

6、1＃-4#蒸煮锅锅盖开关限位

7、1＃-4#蒸煮锅挡板控制

8、洗涤液槽液位、阀门连锁

9、置换泵电机转速变频控制

10、置换泵出口压力连锁

11、洗涤槽回流阀门控制连锁

12、喷放槽出口泵电机控制

13、浓黑液储槽液位、进口阀门连锁

14、浓黑液泵电机控制

15、碱液储存罐液位显示

16、温黑液罐温度控制连锁17、温黑液循环泵电机控制连锁

18、温黑液罐液位、进口阀门连锁

19、1＃冷凝水泵、罐液位连锁

20、温黑液泵电机、流量控制

21、蒸煮液切换阀门1、2连锁控制

22、温碱液循环泵电机、罐温度、液位控制连锁

23、一次碱液泵电机、一次碱液流量控制

24、预浸碱液泵电机、预浸碱液流量控制

25、二次碱液泵电机、二次碱液流量控制

26、热黑液罐1、2温度控制、热黑液泵循环电机、热黑液罐1液位连锁、热黑液罐2液位连锁、热黑液罐1进口阀门、热黑液罐2进口阀门

27、一次黑液泵电机、一次黑液流量控制

28、黑液泵电机

29、助剂泵电机

30、二次黑液泵电机、二次黑液泵流量控制

31、冷凝水碱度监控

32、排空风机电机

33、2＃冷凝水泵电机

34、喷放泵电机

35、粗浆浓度控制、粗浆泵电机

36、按钮按下，产生系统总启动信号。

37、按钮按下，产生1＃－4#蒸煮锅装原料开始信号。

38、按钮按下，产生1＃－4#蒸煮锅装原料急停信号。

39、按钮按下，产生1＃－4#蒸煮锅开始蒸煮信号。

40、二级蒸煮液流量累计报警

41、转换液换热器出口温度控制、直通阀门

42、温碱液罐温度显示、连锁控制

43、热黑液罐1、罐2温度显示连锁

44、 1#冷凝水槽液位连锁、2#冷凝水槽液位连锁

45、转换液换热器进口阀门

46、热黑液输送阀门

47、热黑液余热回收阀门

48、喷放锅液位连锁。

六、新型节能置换蒸煮先进控制方法的开发应用

中控在新型节能置换蒸煮系统中的先进控制方法有：

1）液体输送过程用的多变量控制 (MVC)；

2）罐区液位测量的模型预测控制 (MPC)；

3）浆料泵放采用的模糊逻辑控制 (FLC)；

4）锅内片料层的偏流控制采用的过程变量关联与多变量控制；

5）为满足新型节能置换蒸煮系统蒸煮六个基本过程所采用的顺序控制。

5）为满足新型节能置换蒸煮系统蒸煮各工艺参数实现而采用的配方管理程序控制。

七、新型节能置换蒸煮生产运行特点

1）节约更多的蒸汽消耗，新型节能置换蒸煮的蒸汽消耗为0.75－0.9t/吨浆。

2）成浆卡伯值低，强度好，得率提高。由于扩展了温充和热充的作用，在温充过程实现了大量脱木素，热充过程加入的碱量较少，对纤维的损伤小，在整个蒸煮期间蒸煮液碱的分布更均匀。随着置换的进行木素被转移出，有利于进行深度脱木素。

3）浆料具有优良的漂白特性。由于置换蒸煮可获得高强度、低卡伯值的浆料，为氧木素，ECF,TCF漂白奠定了基础。漂白浆料白度高，强度好，消耗低，污染少。

4）生产全过程实现微机自动控制，在控制策略上大量使用复杂、高级控制，整个过程人为干扰作用得到了最大程度的消除。系统运行可靠，稳定。蒸煮循环过程的偏流现象得以解决。

5）蒸煮量大，本系统可增加装锅量，提升蒸煮得率，减少蒸煮时间，提高蒸煮效率，根据客户不同的设备选型每年蒸煮产量为5-30万吨。

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