基于DCS的氯碱装置控制系统设计

毕业设计（论文）手册学院：专业班级：姓名：指导教师：年月摘要中国氯碱工业发展起步于上世纪三十年代，迄今已有70余年的发展历史。

氯碱工业是国民经济的重要组成部分，是基础化工原材料行业，其碱、氯、酸等产品广泛地应用于建材、化工、冶金、造纸、纺织、石油等工业，在整个国家工业体系中占据着十分重要的基础性地位。

氯碱工业以盐为原料，电解工业盐水制成烧碱、盐酸、氯气、氢气，氯气进一步制成以聚氯乙烯为代表的多种耗氯产品，目前我国能够生产200多种耗氯产品，主要品种70多个。

分布式控制系统( DCS ) 是集计算机技术、控制技术、通信技术和 C R T 显示技术为一体的高新技术产品，DCS监控系统已经广泛应用于氯碱行业，并且具有强大的竞争力与广阔的前景。

本设计中的控制方案运用了PID控制算法和串级控制回路，主要对氯碱装置的液位、温度、压力和流量进行检测和控制，控制阀门选择自动调节阀门（气动阀门）。

控制方案配有控制流程图，并且对控制方案中用到硬件也做了选型。

采用组态王 6.5对上位机系统进行了组态设计，各画面之间可以实现相互切换的功能。

本文设计的控制系统是按照工业标准要求和氯碱装置的生产工艺实际情况进行设计的，如果能在实际生产中进行安装调试，会基本满足氯碱生产要求，对生产过程实现集中监视,操作，管理和分散控制等。

从经济的角度来看，基本能够促进生产管理水平的提升和企业经济效益的提高，达到预期的运行效果，同时也对国内外同行氯碱生产企业有可借鉴的参考价值。

关键词：集散控制系统组态技术氯碱装置传感器目录摘要 (I)目录 ................................................................................................................................................. I I 1我国氯碱工业的发展现状及存在的问题.. (1)1.1 氯碱工业发展现状 (1)1.2 我国氯碱工业存在的问题 (1)1.2.1 规模、技术问题 (1)1.2.2 氯与碱平衡问题 (2)1.2.3 氯产品的结构问题 (3)2工艺流程概述 (4)2.1 氯碱工艺介绍 (4)2.2 工艺生产流程 (4)3集散控制技术介绍 (6)3.1 集散控制系统概述 (6)3.2 集散控制系统的体系结构 (6)3.2.1 现场级 (7)3.2.2 控制级 (7)3.2.3 监控级 (8)3.2.4 管理级 (9)3.3 集散控制系统特点 (9)4控制系统的设计 (10)4.1 总设计方案 (10)4.1.1 JX-300X控制系统结构 (11)4.1.2 JX-300X控制系统网络结构及硬件 (12)4.2 高沸塔液位控制 (14)4.3 聚合釜温度控制 (15)5 仪表的选择 (17)5.1 传感器 (17)5.1.1 传感器的作用 (17)5.1.2 温度传感器 (17)5.1.3 流量传感器 (18)5.1.4 压力传感器 (20)5.1.5 液位传感器 (21)5.1.6 传感器的选型的注意事项 (23)5.2 控制阀 (24)5.2.1 控制阀工作原理 (24)5.2.2 控制阀选型 (24)6 系统组态 (26)6.1 组态软件的介绍 (26)6.2 组态界面的功能 (27)6.2.1 登陆界面 (27)6.2.2 工艺流程界面 (27)6.2.3 数据采集界面 (27)6.2.4 参数设定界面 (28)6.2.5 趋势图显示界面 (29)6.2.6 报表生成界面 (29)6.2.7 系统报警界面 (29)7总结 (30)谢辞 (31)参考文献 (32)1我国氯碱工业的发展现状及存在的问题1.1 氯碱工业发展现状氯碱工业，在我国国民经济中占有重要的地位。

然而近年来，由于市场的竞争日益激烈，我国各氯碱企业为了提高自身的竞争力，纷纷扩大烧碱装置规模，从1999年开始，掀起了一轮烧碱扩建高潮，到2000年其生产能力已从1998年的6 860 kt/a增至8 000 kt/a，目前我国烧碱的总生产能力已经达到8 620 kt/a，居世界第2位。

如此快速的增长，使国内烧碱市场趋于饱和状态，而且这种扩建热潮目前还在继续，齐鲁石化公司氯碱厂正在扩建的200 kt/a的离子膜装置，上海氯碱化工股份有限公司计划再建400 kt/a的装置，其他的一些厂家的计划项目估计还有700 kt/a, 如果这些计划项目得以实施，我国的烧碱生产能力将达到近10 000 kt/a。

1.2 我国氯碱工业存在的问题1.2.1 规模、技术问题目前我国烧碱每套装置的平均规模在40 kt/a左右。

只有24家企业达到了100 kt/a规模，大多数企业的布局分散，规模较小，与国外大型烧碱企业相比差距非常之大，国外氯碱企业的集中度相对比较高，日本、欧盟的前5家企业分别集中了它们烧碱生产能力的50%，美国的5家大公司集中了美国烧碱生产能力的80%，而我国前5家企业的生产能力不到全国总生产能力的16%，装置的规模小，效益自然差距很大。

近几年，我国的氯碱生产工艺虽然有了较大变化，采用先进生产工艺的生产装置逐年增加，但是，总的来说，生产工艺与国外相比相对落后，再加上其他的一些因素，生产成本普遍偏高。

目前我国的烧碱生产中，电解法产量已占总产量的99.3%，苛化法仅占0.7%。

在电解法烧碱中，隔膜法烧碱产量占74.0%，离子膜法烧碱所占比例占到25.9%，水银法烧碱下降仅为0.1%。

1.2.2 氯与碱平衡问题氯与碱的平衡是氯碱工业发展的关键，在20世纪80 年代，是以碱定氯，通常把氯气作为生产烧碱的副产品；而到了20 世纪90年代，由于氯产品的应用越来越广泛，氯碱工业逐步发展为以氯定碱，烧碱逐渐被一些业内人士称为副产品了。

近十几年来由于我国氯碱工业的盲目扩建，使烧碱产能增长过快，而下游相关产业发展滞后，氯与碱的需求不平衡问题越来越突显。

而且国内市场上氯产品需求旺盛，而烧碱市场疲软，目前我国成为世界上唯一有烧碱过剩需要出口，却需要大量进口氯产品的国家，估计今后这种氯与碱的供求不平衡还将会继续进一步扩大。

显然，氯产品的发展是今后氯碱工业所必须关注的一个重要问题，氯产品的开发与生产成为企业今后主要的效益增长点，也是氯碱生产中决定企业经济效益和技术水平的关键的因素之一，氯产品的生产与发展对氯碱行业的氯碱平衡起着决定性的作用。

我国的氯碱工业目前已开始由建国初期的以碱为主的产品结构转向以氯为主的产品结构的新的发展时期。

目前国内氯产品市场呈现出需求旺盛而国内生产供应不足的现象，为数不少的氯产品全部或大量从国外进口。

因此，如何合理开发生产氯产品，搞好氯碱平衡是当前需深入研究和认真探讨的重要课题1.2.3 氯产品的结构问题目前我国的氯产品主要有无机氯产品和有机氯产品。

我国氯产品开发与生产最近几年有了很大发展，但是，与国外发达国家相比，我们的差距还相当大。

从耗氯结构来看，我国的无机氯产品的耗氯量始终占据全部氯产品耗氯量的主导地位，虽然从1983年我国停止生产耗氯量占12%左右的“六六六”原粉商品后，聚氯乙烯树脂的耗氯量有所增加，尤其20世纪90年代中期，我国开始大力推广使用塑料建材，限制使用木材，使建筑行业以塑代木、以塑代钢得到迅速发展，从而推动了聚氯乙烯行业的发展。

尽管如此，我国的无机氯产品的耗氯量依然占据我国氯产品耗氯总量的54%（包括盐酸和其他无机氯化物），其余46%用于生产有机氯化物（包括聚氯乙烯、氯乙酸和氯丁橡胶等）。

生产聚氯乙烯耗氯量约占氯总消耗量的22%。

在耗氯结构这一点上，国外一些发达国家与我国完全不同。

美国1995年有机化学品的耗氯量占其整个氯产品耗氯量的76.6%，而无机氯产品仅占12.8%；西欧1995年有机氯产品的耗氯量占其整个氯产品耗氯量的84.1%，无机氯产品耗氯量占氯产品耗氯总量的9.6%；日本1995年有机氯产品耗氯量占整个氯产品耗氯量的55%，无机氯产品耗氯量占整个氯产品耗氯量的9.6%。

和国外发达国家相比，我国的有机氯产品所占比例小，但这并不说明我国有机氯产品需求少，事实上，我国这几年进口的有机氯产品占国内总用氯量的20%以上。

造成我国有机氯产品大量进口的主要原因在于国内原料路线及生产工艺落后，生产规模小，产品成本高和质量差，竞争不过进口产品。

2工艺流程概述2.1 氯碱工艺介绍烧碱(NaOH)广泛用于化工、轻工、纺织、冶金及石油化工等工业部门。

离子膜法烧碱广泛应用于工业部门称为氯碱工业。

离子膜法烧碱工序的主要设备是螯合树脂塔。

过滤后的盐水进入电解槽之前,需经过离子交换树脂塔的净化,树脂具有很强的选择流通性,它可以吸附大量的钙、镁、锶等金属离子。

该工序一般安排2台或3台树脂塔串联运行。

1台树脂塔在离子吸附饱和后,进行树脂再生,另外1台进行离子吸附。

通常情况下,树脂塔每运行24 h需清洗1次。

在该项目中采用了3塔串联运行方式，如图2.1所示:图2.1 塔再生模式及再生步骤2.2 工艺生产流程其工艺生产流程简述如下：(1)一次盐水工序工业原盐化为溶液后，经过预处理、凯膜过滤等除去盐溶液中的盐泥、钙镁离子、硫酸根离子等，得到精制盐水。

(2)二次盐水及电解工序电解是制烧碱的核心工序。

电解槽的阴极室和阳极室用离子膜隔开，精制盐水经过螯合树脂塔吸附处理后，进入阳极室，去离子纯水进入阴极室，电解后阳极产生氯气，阴极产生烧碱溶液和氢气，所用的离子膜把两极的产品分隔开以避免相互反应和爆炸。

(3)氯氢处理工序来自电解工序的湿氯气、湿氢气分别经过冷却、干燥脱水、净化和压缩、输送等处理后送到下道工序。

(4)液氯及包装工序氯气经过净化、氯气液化、尾气处理、液氯贮存和包装得到高纯的液氯，方便储存和运输。

(5)HCL及盐酸合成工序氢气和氯气同时进入合成炉下部的套管燃烧器，进炉的氢气和氯气的摩尔比控制在1．05：1，氢气点火后与氯气生成HCL气体，HCL气体与水接触生成盐酸。

(6)蒸发及固碱工序由电解工序来的烧碱溶液一般为32％左右，经过与蒸气换热后浓缩为50％高纯烧碱溶液，但该溶液仍不便于运输和储存，需继续与熔盐换热生成固体烧碱。

3集散控制技术介绍3.1 集散控制系统概述随着现代化工业技术的飞速发展，工业生产过程的控制规模不断扩大，对过程控制和生产管理系统提出了越来越高的要求。

信息技术的飞速发展，也导致了自动化领域的深刻变革，并逐渐形成了自动化领域的开放系统互联通信网络，形成了全分布式网络集成化自控系统。

以微处理器的集散控制系统，正是在这种背景下产生的，它是继电动单元仪表和组件组装式仪表之后的新一代控制系统。

今天的集散控制系统已经不是过去的模拟控制系统，而是采用了计算机技术的数字控制系统。