程平，李得銀，熊平，吳萬鋼，劉加英

(宜賓海豐和銳有限公司，四川 宜賓 644229)

1 設(shè)計背景與目的

宜賓海豐和銳有限公司(以下簡稱“海豐和銳”)離子膜法制燒堿生產(chǎn)裝置電解槽為自然循環(huán)復(fù)極式零極距電解槽。

電解槽出槽堿濃度直接影響電流效率和電耗。若出槽堿液濃度升高，則離子膜含水量降低，羧酸層的導(dǎo)電率下降，膜電阻升高，溶液電阻也升高，導(dǎo)致槽電壓升高。堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)每改變1%，單元槽槽電壓改變20～30 mV；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于35%時，電流效率開始下降，濃度再高，將永久破壞離子膜的性能。因此氯堿企業(yè)通常將出槽堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在31.0%～33.0%，此時膜的電流效率達(dá)到極值。目前海豐和銳電解槽出槽堿總管中堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制指標(biāo)為32.0%～32.5%。

隨著燒堿生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，燒堿裝置電解槽的臺數(shù)越來越多，對電解槽精細(xì)化管理要求也越來越高，以往只檢測電解裝置出槽堿總管堿液濃度的控制方式已不能滿足電解槽精細(xì)化管理的要求。為全面全程化監(jiān)控和掌握燒堿裝置中單臺電解槽出槽堿濃度，判斷電解槽運行性能，切實加強和提升電解槽的管理，海豐和銳決定對電解槽出槽堿濃度分析進(jìn)行工藝改造，實現(xiàn)單槽出槽堿濃度的在線檢測，達(dá)到電解槽堿液濃度的精確控制。

2 系統(tǒng)方案及實施

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計出總體控制方案，軟件和硬件設(shè)施包括控制器、組態(tài)軟件、切斷球閥、分析儀、調(diào)節(jié)閥及測量變送器等。在采樣總管上設(shè)計了流量調(diào)節(jié)回路和溫度調(diào)節(jié)回路。總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 堿液濃度在線檢測總體設(shè)計框圖

2.2 工藝流程的設(shè)計[1]

根據(jù)系統(tǒng)需要，采用直徑25 mm的管道為采樣管，連接到原有電解槽出槽堿液管道上，在每個采樣管道上安裝一個氣動襯氟切斷球閥和兩個手動球閥，然后將多臺電解槽的采樣管道匯合到一根直徑25 mm的總管道上。在采樣總管道上設(shè)計了一個流量調(diào)節(jié)回路，回路上設(shè)置調(diào)節(jié)閥和流量變送器各1臺，用來調(diào)節(jié)進(jìn)入分析儀的堿液流量。出槽堿液溫度高達(dá)85 ℃左右，具有強烈的腐蝕性，為防止高溫堿液對在線分析儀的腐蝕，提高分析儀檢測結(jié)果的精確度，在堿液濃度分析儀前設(shè)置了1臺換熱器，并設(shè)計了一個溫度調(diào)節(jié)回路(回路上設(shè)置氣動調(diào)節(jié)閥和溫度變送器各1臺)，用以調(diào)節(jié)采樣堿液溫度。經(jīng)過分析儀分析后的堿液送到堿液貯槽。其PID圖如圖2所示。

圖2 多臺電解槽出槽堿液濃度在線分析系統(tǒng)PID控制示意圖

2.3 采樣及流量調(diào)節(jié)閥的選擇

根據(jù)工藝條件，本設(shè)計采樣開關(guān)采用DN25氣動襯氟切斷球閥。DN25口徑大小和采樣管道大小一致，方便法蘭連接安裝。選擇氣動球閥，動作迅速，流體阻力小，體積小，并且密封性特別好，能滿足采樣閥的所有要求。流體介質(zhì)為NaOH液體，為防止腐蝕，選用了內(nèi)襯聚四氟乙烯的氟塑料襯里耐腐閥門；同理，流量調(diào)節(jié)閥也采用DN25氣動襯氟調(diào)節(jié)閥。采樣閥門實物如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場采樣閥門實物圖

2.4 堿液濃度分析儀和流量、溫度變送器的選擇[2]

本系統(tǒng)的堿液濃度分析儀采用在線分析儀，該分析儀原理是通過測量傳感器在流體中的振動頻率來獲得流體密度以及體積，計算出流體濃度。它具有準(zhǔn)確度高，響應(yīng)快，經(jīng)久耐用，維護(hù)成本低，價格合理，體積小，安裝方便等優(yōu)點，非常符合實際工況。流量計采用電磁流量計，反應(yīng)迅速，準(zhǔn)確度高。溫度變送器采用一體化溫度變送器，精度高，反應(yīng)迅速，安裝方便。分析儀如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場分析儀實物圖

2.5 采樣系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.5.1 本采樣系統(tǒng)包含的參數(shù)

手/自動切換開關(guān)K；

可設(shè)置的單臺槽采樣切換時間T1；

可調(diào)試的延遲時間T2；

當(dāng)前需要采樣的電解槽的標(biāo)志N；

采樣數(shù)據(jù)DIA；

電解槽對應(yīng)堿濃度顯示數(shù)值DIA1～DIAn；

電解槽對應(yīng)的槽電流I1～I(xiàn)n；

采樣閥門開關(guān)信號K1～Kn。

2.5.2 程序流程敘述[3-4]

本程序設(shè)計了兩種采樣模式：手動采樣模式和自動采樣模式。當(dāng)處于手動采樣模式時，由操作人員手動打開1臺電解槽的堿液采樣閥，此時程序會關(guān)閉其余電解槽的采樣閥，延遲T2時間后采樣數(shù)值被賦值給對應(yīng)電解槽。在自動模式下，首先自動初始至所有采樣閥門關(guān)閉，對應(yīng)標(biāo)志參數(shù)及采樣數(shù)據(jù)清零。然后按照電解槽運行電流是否滿足條件進(jìn)入周期性順序程序，打開對應(yīng)采樣閥開關(guān)K1，使電解槽出槽堿進(jìn)入堿液分析儀，延遲T2時間后采樣數(shù)值被賦值給對應(yīng)電解槽DIA1，直至采樣時間達(dá)到設(shè)定切換時間T1后轉(zhuǎn)到下一臺電解槽的檢測，然后依次順序執(zhí)行并循環(huán)運行。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

3 取得的效果

2021年海豐和銳完成了分析儀、閥門、配管安裝改造以及程序調(diào)試工作。改造后的自動取樣分析儀已運行了幾個月，在線分析結(jié)果與人工取樣分析結(jié)果進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)基本一致，出槽堿液濃度控制精度得到提高。

4 結(jié)語

海豐和銳在燒堿裝置單槽出槽堿液管上增加程控閥、手動閥，在采樣總管增加換熱器、調(diào)節(jié)閥等設(shè)備，只用1臺在線堿液濃度分析儀實現(xiàn)了該裝置多臺電解槽出槽堿液濃度的在線檢測分析。裝置投運幾個月以來，出槽堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在了32.1%～32.4%，單槽槽電壓下降約0.5 V，電流效率穩(wěn)定，既節(jié)省了設(shè)備投資，又提高了電解槽出槽堿液濃度的控制精度。

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[2] 王珊珊，吳凌云，余厚全．一種改進(jìn)音叉式流體密度檢測裝置的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．長江大學(xué)學(xué)報,2017,14(5)：49-53.

[3] 聶坤林，諸雪征，顧進(jìn)，等.一種多位置多時刻同步采樣系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制 ,2019,27(3)：275-278.

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