先进控制技术在二氟一氯甲烷生产装置中的应用

汤 阳 徐林强 刘文烈

（1.巨化集团有限公司运营督考部；2.浙江中巨智能科技有限公司）

二氟一氯甲烷CHClF2（R22）是氟利昂“家族”的一员，属氢氯氟烃类。 R22 作为使用最广泛的中、低温制冷剂，广泛应用于往复式压缩机，作为工业、商业、家庭空调系统的制冷剂。 R22 还是生产各种含氟高分子化合物的基本原料，如杀虫剂、灭火剂和喷漆用气雾喷射剂。

R22 生产装置包括原料混合、反应及精馏等生产过程，是典型的非线性、时变、大滞后和多变量耦合复杂系统。 某R22 生产装置的DCS 采用霍尼韦尔PKS 系统，实现主要工艺参数（如温度、压力、流量及液位等）的显示、记录、累计、报警和设备运行联锁功能，以及整个生产过程的远程操作和控制功能。 从目前过程控制系统的情况来看，以PID 单回路为主的常规控制策略难以达到理想的控制效果，装置的生产操作总体上仍以人工经验为主，存在操作不及时、调节幅度不匹配等问题， 难以较好地克服系统波动和外界干扰，而且不同班组的操作习惯和操作方法仍有显著差异，导致装置的关键工艺指标波动大，运行平稳性差，反应器连续运行周期短、波动大、转化率不稳定且能耗偏高。为了进一步提高R22 装置的自动化水平，提升产品质量，延长反应器运行周期，降低能耗、物耗，实现挖潜增效，企业决定引进先进控制（Advance Process Control，APC）技术开发实施R22 生产装置先进控制系统，实现装置的精细化控制和卡边优化。 先进控制系统为操作员提供了一个便捷、安全的操控工具，承担了大部分常规平稳操作工作，在减少装置波动和保证产品质量稳定方面表现优异， 是优化装置操作、挖潜增效的有效手段。 研究表明，先进控制技术投资回收期一般为1.0～1.5 年［1］，投资回收期短、回报率高，实施先进控制技术将有利于企业实现生产装置的“安、稳、长、满、优”运行。

APC 技术需要使用专业的先进控制软件通过对历史数据和阶跃测试数据进行分析，获得该装置相关MV-CV/DV-CV动态矩阵关系模型，并集成于控制器， 通过多变量模型预测控制（MPC）［2］技术实现复杂生产装置的多目标、多层次、多变量约束优化控制。 整个过程根据模型预测，实时、自动地进行反馈校正和滚动优化［3～6］，从而达到平稳率上升、操作强度下降、节能降耗的目标，实现整套装置控制的自动化和智能化。

笔者通过对某R22 全流程生产装置上先进控制技术的应用进行解析，旨在说明先进控制技术的控制原理、建模方法和应用效果，使更多的企业能够了解和使用先进控制软件， 更全面、更高层次地提升装置的自动化水平， 达到挖潜增效、节能降效的目的。

1 R22 生产装置工艺流程简介

R22 生产装置的工艺流程，首先是来自罐区的CHCl3与液氯混合液由计量泵打入到反应器，同时来自罐区的AHF 由计量泵打入到加热器内加热到约120 ℃进入反应器。 反应产物进入重组分分离塔，在塔顶冷凝，重组分回流到反应器，塔顶气相出料经冷却后进入HCl 精馏塔。 HCl 精馏塔塔顶采出HCl 统一回收，塔釜内的组分大部分为R22 和少量反应器未反应完全的HF， 塔釜出料进入产品精馏塔，经过进一步精馏，塔顶得到提纯后的R22。 塔釜出料打回反应器，将未反应完全的重组分HF 和一氟二氯甲烷CHCl2F（R21）重新投入反应生成终产品R22。

反应器中发生的主要化学反应如下：

各组分常温常压下的分子量和沸点见表1，R22 为装置生产的终产品。

表1 各组分常温常压下的分子量和沸点

2 装置先进控制系统架构和建模方法

某R22 生产装置采用先进控制软件包CybiMPC 完成数据采集、建模、控制器设计及控制器组态等工作。

2.1 系统架构

测量仪表数字化、通信系统网络化及DCS 等技术的日趋成熟，推动工业生产过程控制步入微机化、数字化和网络化［7］。

2.1.1 硬件架构

先进控制系统在DCS 的上层实施，采用先进控制上位机方式实现。 先进控制上位机所使用的服务器， 通过交换机与安装有标准OPC 接口软件的服务器通过以太网实现互联，从而建立先进控制上位机与DCS 控制站数据传送的物理连接。先进控制服务器主要实现在线计算、在线优化及在线控制等功能。 先进控制系统的硬件架构如图1 所示。

图1 先进控制系统的硬件架构

2.1.2 软件架构

物理通信实现后，需要通过安装相应软件完成先进控制系统与DCS 的实时数据交互。涉及的软件有：微软操作系统、先进控制软件及DCS 厂商提供的OPC 接口软件［8］等。 OPC Server 软件是实现先进控制上位机与DCS 数据交互的桥梁。OPC 服务器通过DCS 通信协议获取DCS 的实时过程数据，以标准OPC 接口向先进控制系统上位机发布，多变量预测控制软件可以对数据进行读写。 先进控制系统的软件架构如图2 所示。

图2 先进控制系统的软件架构

2.2 建模方法

先进控制软件能够实现复杂装置的解耦控制［9］，是从装置的整体甚至全流程角度进行控制。先进控制建模方法的研究对实现这两方面的优良控制效果至关重要，有效的建模方法是保证控制器对装置自动化有效提升的前提之一。

先进控制软件最终形成的控制器中包含许多子控制器， 具体子控制器需要结合装置特点、数据分析及工程人员经验等进行设计。 单个子控制器中一对多、多对多控制需要使用控制器组态中各类参数实现受控变量的权重分级，或者引入控制变量作为扰动变量实现预测控制。 具体实施时，必须保证所有受控变量的上、下限控制等级均高于任何目标值控制等级。 一对多控制时，选取最主要的受控变量作为优先控制变量，且控制等级高，其他受控变量控制等级低，同时作为目标值控制且目标值控制等级一样的受控变量还可以通过改变目标值等效偏差进行受控等级的二次权重分配。 多对多控制时，选取控制效果好且工艺允许的量作为控制变量，其他控制变量作为扰动变量进行模型组态，从而实现多变量预测控制。

2.2.1 R22 反应器先进控制建模方法

R22 反应器的先进控制目标如下：

a. 通过卡边优化控制反应器的温度和液位，提高其稳定性；

b. 实现反应器生产负荷平稳自动升降，实现调整负荷过程中的反应温度和液位平稳控制。

R22 反应器先进控制建模方法如下：

a. 通过氯仿进料控制反应器液位、氯仿/氟化氢比值，克服蒸馏塔出料和蒸汽扰动的影响，进行分级控制，当氯仿/氟化氢比值在控制范围内时优先控制液位使之平稳，反之进行卡边控制；

b. 通过蒸汽流量控制反应温度，克服进料比的影响，对反应温度进行优化，使之达到目标值；

c. 通过对生产负荷HF 目标值的设定， 调节HF 进料，使之达到目标负荷，并在负荷调整过程中，不断对反应温度、液位和氯仿/氟化氢比值进行卡边控制，以使负荷调整过程平稳。

2.2.2 HCl 精馏塔先进控制建模方法

HCl 精馏塔先进控制目标如下：

a. 通过卡边优化控制塔顶温度、 压差、HCl/HF 比值、灵敏板温度，提高其稳定性；

b. 通过卡边优化控制塔釜温度、HCl 单耗，以使HCl 单耗最小化。

HCl 精馏塔先进控制建模方法如下：

a. 通过调节塔顶HCl 采出量，克服进料负荷扰动的影响，并对塔顶温度、压差、HCl/HF 比值、灵敏板温度进行分级，各条件满足后对塔灵敏板温度进行卡边优化；

b. 通过调节塔釜热水流量， 克服塔进料量、进料温度、热水温度和塔顶采出量的扰动，对塔釜温度和HCl 单耗进行分级控制，当塔釜温度在控制范围内后， 优先对HCl 单耗进行卡边优化，使HCl 单耗最小化，反之优先控制塔釜温度。2.2.3 R22 产品精馏塔先进控制建模方法

R22 精馏塔先进控制目标如下：

a. 通过卡边优化控制塔顶温度、塔釜液位和采出进料比，提高其稳定性；

b. 通过卡边优化控制塔釜温度、 塔中温度、压差和R22 单耗，以使R22 单耗最小化。

R22 精馏塔先进控制建模方法如下：

a. 通过调节塔顶R22 采出量，克服进料负荷、塔釜采出的扰动，并对塔顶温度、塔釜液位和采出进料比进行分级控制，以使R22 采出量最大化；

b. 通过调节塔釜热水流量， 克服塔进料量、热水温度和塔釜采出量的扰动， 对塔釜温度、塔中温度、 压差和R22 单耗进行分级控制， 以使R22 单耗最小化。

3 应用效果

某R22 生产装置实施APC 系统后， 经过连续3 个月的运行，系统的关键控制指标平稳性得到大幅改善，自动化程度大幅提升。 下面列举几个关键指标进行对比说明。

3.1 R22 反应器先进控制应用效果

APC 系统投运前后， 反应器液位2LIC0140.PV 的趋势如图3 所示，APC 系统投运后标准方差降低了87.43%。

图3 APC 系统投运前后反应器液位2LIC0140A.PV 的趋势

APC 系统投运前后， 反应器温度2TIC0091.PV 的趋势如图4 所示，APC 系统投运后标准方差降低了88.98%。

图4 APC 系统投运前后反应器温度2TIC0091.PV 的趋势

3.2 HCl 精馏塔先进控制应用效果

APC 系统投运前后，2C1001 塔釜温度2TI0095.PV 的趋势如图5 所示，APC 系统投运后标准方差降低了45.33%。

图5 APC 系统投运前后2C1001 塔釜温度2TI0095.PV 的趋势

APC 系统投运前后，2C1001 塔中温度2TIC0093.PV 的趋势如图6 所示。 由图中数据可计算得出，APC 系统投运后标准方差降低了50.15%。

图6 APC 系统投运前后2C1001 塔中温度2TIC0093.PV 的趋势

3.3 R22 产品精馏塔先进控制应用效果

APC 系统投运前后，2C1010A 塔釜液位2LIC0025A.PV 的 趋 势 如 图7 所 示，APC 系 统 投运后标准方差降低了59.87%。

图7 APC 系统投运前后2C1010A 塔釜液位2LIC0025A.PV 的趋势

APC 系统投运前后，2C1010A 塔釜温度2TIC0029A.PV 的趋势如图8 所示。由图中数据可计算得出，APC 系统投运后标准方差降低了74.98%。

图8 APC 系统投运前后2C1010A 塔釜温度2TIC0029A.PV 趋势

4 效益分析

某企业年产R22 产品6 万吨，生产装置DCS岗设有操作员2 名。 R22 生产装置先进控制系统效益从两方面进行分析：

a. 节能效益核算。APC 系统投运前的蒸汽单耗为0.873 t/t，APC 系统投运后的蒸汽单耗降低到0.766 t/t，降低幅度达到12.26%。 按年产R22产品6 万吨计算，将能耗折算为蒸汽消耗，中压蒸汽按每吨170 元计算，通过投运APC 系统降低装置能耗每年所产生的经济效益为109.14 万元（60000×（0.873-0.766）×170=1091400）。

b. 人力成本分析。随着先进控制系统的全面上线，极大程度地减少了操作人员在正常情况下对系统的人为干预， 减轻了操作人员的劳动强度，为岗位融合创造了便利条件。 目前，R22 岗位实现了每班精减1 名操作人员的预期目标。

5 结束语

将先进控制技术和软件系统应用到某企业R22 生产装置上，关键控制指标的标准方差至少降低了45.00%，蒸汽单耗降低了12.26%，实现了卡边操作，有效提升了产品质量、实现了节能降耗、降低了操作人员的劳动强度，节约了人力成本，为生产装置长久运转在最佳状态提供了坚实的基础，为企业带来了显著的经济利益和社会效益。