摘要：冀中能源井矿集团凤山化工公司采用直接法工艺进行硝酸钠和亚硝酸钠生产，现有三条硝盐生产线吸收岗位均为现场手动操作，未设置自动化控制措施。为减少现场人员劳动强度和数量，同时提高自动化程度和安全水平，凤山化工公司决定对硝盐吸收系统进行自动化研究。根据公司生产工艺流程和现场实际情况，新增一套自动控制系统(DCS系统)，对三条线吸收系统进行远程控制和安全保护，增设调节阀、各类仪表等配套设施，数据与DCS系统对接，将各塔的气体温度、液体温度、进出口压力及各塔和槽的液位等数据进行实时监控，并设置报警和联锁，在同行业中首次实现了吸收系统自动化控制且长周期运行，提高了公司自动化水平，保障了安全生产。

　　关键词：硝盐吸收系统；自动化控制；仪表；安全生产；化工企业

　　0引言

　　我国作为制造业大国，制造业自动化起步却较晚。在国外的制造业发展过程中，工业自动化在其生产中占据着重要一环。德国工业4.0概念的提出在很大程度上促进了又一次工业革命，中国紧随其后，全面推行制造业强国战略。随着科技的发展，如今自动化技术已经广泛应用于工业、农业、商业、军事、医疗、科学研究、交通运输和服务等行业。化工自动化就是对化工生产过程中各种工艺参数和指标实行自动检测、调节与优化，并对整个生产过程进行更优控制和管理的过程。化工自动化通常是指机器设备、系统或过程(生产、管理过程)在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制等，实现预期目标的过程。其应用主要包括自动化生产、过程控制、设备检测与维护、安全管理和数据分析与优化等，在提高生产效率、质量控制、安全管理和资源利用等方面发挥重要作用。

　　目前，全国硝酸钠、亚硝酸钠(以下简称“两钠”)企业在生产过程中的氨氧化阶段的DCS控制常规化、普遍化、投用率较高，但在吸收工段处理中，各类工艺介质易结晶、岗位操作工凭经验手动作业等各种不利因素导致实际生产过程中生产连续性、长周期性和稳定性无法保证。全国两钠生产企业对吸收工艺的控制普遍比较简单，仅使用少量低端的现场仪表。据相关调查了解，目前只有极少数企业在吸收系统部分设备投入DCS控制系统，但都未实现正常长周期投入运行。冀中能源井矿集团凤山化工公司(以下简称“凤山化工”)采用直接法工艺(也称为浓气法，该法为用碱液直接吸收来自氨氧化系统的氧化氮气体)进行两钠生产，现有3条硝盐生产线，3条硝盐生产线吸收岗位均为现场手动操作，未设置自动化控制措施。岗位工必须时刻待在吸收现场，频繁地进行阀门切换、补液、补碱、倒液、打料等操作，且工艺参数不能实时监测，只能靠人员定期巡检时进行记录，然后根据巡检结果进行手动控制，数据和参数的读取和控制存在模糊性，造成工艺长期稳定性差。同时，化工生产现场工作环境恶劣，各机器和设备运行温度较高，长期现场操作存在一定安全风险。为了减少现场人员劳动强度和现场人员数量，同时提高自动化程度和安全水平，提高工艺参数精确度，进而提升产品质量稳定性，凤山化工决定对硝盐吸收系统(硝盐一线吸收装置、硝盐二线吸收装置、硝盐三线吸收装置)进行自动化改造研究。

　　1工艺流程概述

　　凤山化工采用直接法工艺进行两钠生产，现有3条硝盐生产线，工艺流程为：

　　(1)一线吸收工艺

　　硝盐一线氧化岗位送来的NOx气体首先依次进入1#吸收塔和2#吸收塔，与吸收塔塔顶喷淋的碱液(Na2CO3溶液)逆流接触，进行吸收反应，生成含亚硝酸钠和硝酸钠的混合溶液。吸收液通过各自的循环泵打循环，换热后从塔顶进入，然后从吸收塔塔底自流至1#循环槽或2#循环槽。当2#循环槽CO-浓度达到指标时，开启送液泵把吸收液送往硝盐工段。当2#循环槽完成送液操作时，通过现场手动阀门操作将1#循环槽的吸收液倒入2#循环槽，然后再将3#、4#和5#吸收塔的吸收液补充至1#循环槽，同时将新鲜的Na2CO3溶液从碱槽补充至3#、4#和5#吸收塔，以此循环。从2#吸收塔出来的NOX气体继续依次进入3#、4#和5#吸收塔，最终进入硝盐三线的1#尾气吸收塔。

　　(2)二线吸收工艺

　　硝盐二线吸收工艺与硝盐一线的吸收工艺相同，NOx气体经1#～4#吸收塔吸收后，最终与硝盐一线的尾气一起进入硝盐三线的1#尾气吸收塔。

　　(3)三线吸收工艺

　　硝盐三线的酸塔尾气首先经3#吸收塔和4#吸收塔吸收后，同硝盐一线、硝盐二线的尾气一并进入硝盐三线的1#尾气吸收塔。

　　尾气依次经1#尾气吸收塔、2#尾气吸收塔吸收后，再经氨还原反应装置进行处理，最终经尾气排放口排放。

　　吸收反应方程式如下：

　　2NO2+Na2CO3=NaNO3+NaNO2+CO2(1)

　　NO2+NO+Na2CO3=2NaNO2+CO2(2)

　　(4)吸收转化工艺

　　来自硝盐后工段的亚硝酸钠母液经预转化塔、氧化塔打循环后进入转化塔，在转化塔里亚硝酸钠母液与来自大酸槽的硝酸反应生成硝酸钠和一氧化氮。硝酸钠溶液从塔底经转化泵打到硝盐后工段处理，一氧化氮气体从塔顶引出，依次进入预转化塔、大返碱塔、硝盐一线1#吸收塔、2#吸收塔吸收处理。

　　转化反应方程式如下：

　　3NaNO2+2HNO3=3NaNO3+2NO+H2O(3)

　　工艺流程框图如图1所示。

　　2吸收系统自动化研究方案设计

　　根据以上生产工艺流程和特点、现场设备和实际情况，对硝盐一、二、三线吸收装置的生产过程进行自控方案设计，并设置必要的联锁和控制措施，保障安全生产。自动控制系统采用集散控制系统(DCS系统)，主要具备数据采集和处理、模拟量闭环控制、远程监控、远程操作和自动调节等功能。

　　2.1自动控制设施设置

　　在公司硝盐一、二、三线吸收装置上设置各类检测仪表和调节阀，实现数据监测和采集等功能。

　　(1)在硝盐一线的前塔(1#吸收塔和2#吸收塔)，硝盐二线的前塔(1#吸收塔和2#吸收塔)均设置液位监测仪表和回液调节阀，实现液位的远传显示、报警、调节和联锁功能。当液位达到高/低值时报警；根据液位设定值自动调节回液调节阀，对投入使用的回路进行调节；当液位达到低低联锁值时，联锁关闭回液调节阀。

　　(2)在硝盐一线的后塔(3#吸收塔、4#吸收塔和5#吸收塔)、硝盐二线的后塔(3#吸收塔和4#吸收塔)和硝盐三线的3#、4#吸收塔均设置液位监测仪表和出液切断阀，实现液位的远传显示、报警和联锁功能。当液位达到高/低时报警；当液位达到低低联锁值时，联锁关闭出液切断阀。

　　(3)在3条硝盐生产线的所有循环槽和碱槽均设置液位监测仪表，实现液位的远传显示、报警功能。当液位达到高/低时报警。

　　(4)在硝盐一线的预转化器、氧化器、转化塔、酸槽和硝盐三线的1#、2#尾气吸收塔设置液位监测仪表和出液调节阀，实现液位的远传显示、报警、调节、联锁功能。当液位达到高/低时报警；根据液位设定值自动调节出液调节阀；当液位达到低低联锁值或高高联锁值时，联锁关闭出液调节阀及其打料泵或循环泵。

　　(5)在各吸收塔气体入口设置温度监测仪表，实现温度的远传显示和报警功能。

　　(6)在各吸收塔气体入口设置压力监测仪表，实现压力的远传显示功能。

　　(7)在各线吸收塔后塔补碱管线上设置流量监测仪表，实现流量的远传显示功能。

　　(8)在各循环泵、送液泵和打料泵上设置电流监测仪表，实现电流的远传显示、报警功能。

　　2.2自动化控制系统

　　现场各类监测仪表和调节阀等设置完成后，新增一套DCS自动化控制系统，与现场仪表监测和采集到的数据对接。DCS系统配备系统硬件和软件，包括控制柜2台，电源柜1台，操作站2台，工程师站1台。考虑到安全生产和实际情况，DCS系统供电采用双电源+UPS供电，UPS设置两台，其中操作站设置1台20 kVA UPS，控制柜设置1台6 kVA UPS，供电时间均不小于30 min。DCS系统采用冗余结构，其主控单元、电源单元、通讯单元1∶1冗余配置，I/O点设置20%的备用余量，使故障对系统影响限制在最小范围内，保障现场安全和正常生产。冗余的设备具备在线故障诊断和报警、同时可以自动切换至备用卡件。系统可识别现场接线短路或断路并发出报警。系统所用卡件可以在线热插拔而不会影响整套系统的正常工作，冗余卡件热插拔时不会影响现场设备的正常运行。同时，DCS系统可以对常驻数据和参数进行管理、各设备在线诊断、软件数据维护、各设备定义及组态修改、图形管理，以及生产管理软件、用户应用程序、过程数据的进一步处理和文件服务等。

　　自动化控制实施完成后，可以实现对液位、温度、压力等数据和参数的远程实时监测，以及阀门切换、倒液、打料等操作的远程“一键操作”；工况异常时，还可以实现自动调节、报警和联锁。在降低操作人员劳动强度的同时，能够有效提高生产过程中的自动化程度和安全水平。

　　以硝盐二线1#吸收塔为例，在二线的1#吸收塔设置液位检测仪表LT201，回液调节阀HV-201和HV-202，液位值等数据通过DCS系统进行采集和处理。当LT201液位值≤设定值时(即达到低低低联锁值时)报警，并联锁关闭HV-201和HV-202(开度为0%)。硝盐二线2#、3#和4#吸收塔同理，因此，硝盐二线联锁系统逻辑图如2所示。

　　3吸收系统自动化工程应用

　　根据以上吸收系统自动化研究控制设计方案，凤山化工硝盐吸收系统自动化研究项目工程于2021年10月开始实施，2021年12月完成了现场设备、仪表和管道等设备和DCS系统的安装，2022年5月完成项目调试，2022年6月通过了冀中能源井矿集团的验收。本项目仪表的安装、调试和验收均严格遵循了GB 50093—2013《自动化仪表工程施工及质量验收规范》。经验收，本项目完成了硝盐吸收系统自动化控制设计方案的建设内容和要求，质量合格，经过联合试生产，达到了预期效果。经过2个月时间的试运行，2022年8月本项目正式投入生产，吸收远程操作取代现场操作。吸收系统操作人员现场撤出了3人/班，3班共撤出生产区9人，目前运行良好、稳定。2023年7月，凤山化工《吸收系统自动化项目》获得河北省煤炭学会科学技术三等奖。

　　4结语

　　凤山化工硝盐吸收系统自动化研究项目实施后，实现了硝盐吸收系统的集中控制和整体数据分析，提高了工艺参数精确度，进而提升了产品质量稳定性。吸收远程操作取代现场操作，吸收系统操作人员现场撤出了3人/班，3班共撤出生产区9人，不仅改善了劳动环境，降低了职工劳动强度，减少了现场操作带来的不安全因素，降低了企业生产成本，同时在改善和加强企业管理等方面有明显的经济效益和社会效益，为公司的安全、环保、高质量稳健运行提供技术保障。此外，本项目的实施在同行业中首次实现了吸收系统自动化控制且长周期运行，实现了吸收系统阀门切换、倒液、打料等操作的远程“一键操作”，吸收系统自动化水平在同行业处于领先地位，能够有效推动行业内吸收系统自动化的研究、发展和应用。

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