先進控制技術在二氟一氯甲烷生產裝置中的應用

湯 陽 徐林強 劉文烈

（1.巨化集團有限公司運營督考部；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”的一員，屬氫氯氟烴類。 R22 作為使用最廣泛的中、低溫制冷劑，廣泛應用于往復式壓縮機，作為工業、商業、家庭空調系統的制冷劑。 R22 還是生產各種含氟高分子化合物的基本原料，如殺蟲劑、滅火劑和噴漆用氣霧噴射劑。

R22 生產裝置包括原料混合、反應及精餾等生產過程，是典型的非線性、時變、大滯后和多變量耦合復雜系統。 某R22 生產裝置的DCS 采用霍尼韋爾PKS 系統，實現主要工藝參數（如溫度、壓力、流量及液位等）的顯示、記錄、累計、報警和設備運行聯鎖功能，以及整個生產過程的遠程操作和控制功能。 從目前過程控制系統的情況來看，以PID 單回路為主的常規控制策略難以達到理想的控制效果，裝置的生產操作總體上仍以人工經驗為主，存在操作不及時、調節幅度不匹配等問題， 難以較好地克服系統波動和外界干擾，而且不同班組的操作習慣和操作方法仍有顯著差異，導致裝置的關鍵工藝指標波動大，運行平穩性差，反應器連續運行周期短、波動大、轉化率不穩定且能耗偏高。為了進一步提高R22 裝置的自動化水平，提升產品質量，延長反應器運行周期，降低能耗、物耗，實現挖潛增效，企業決定引進先進控制（Advance Process Control，APC）技術開發實施R22 生產裝置先進控制系統，實現裝置的精細化控制和卡邊優化。 先進控制系統為操作員提供了一個便捷、安全的操控工具，承擔了大部分常規平穩操作工作，在減少裝置波動和保證產品質量穩定方面表現優異， 是優化裝置操作、挖潛增效的有效手段。 研究表明，先進控制技術投資回收期一般為1.0～1.5 年［1］，投資回收期短、回報率高，實施先進控制技術將有利于企業實現生產裝置的“安、穩、長、滿、優”運行。

APC 技術需要使用專業的先進控制軟件通過對歷史數據和階躍測試數據進行分析，獲得該裝置相關MV-CV/DV-CV動態矩陣關系模型，并集成于控制器， 通過多變量模型預測控制（MPC）［2］技術實現復雜生產裝置的多目標、多層次、多變量約束優化控制。 整個過程根據模型預測，實時、自動地進行反饋校正和滾動優化［3～6］，從而達到平穩率上升、操作強度下降、節能降耗的目標，實現整套裝置控制的自動化和智能化。

筆者通過對某R22 全流程生產裝置上先進控制技術的應用進行解析，旨在說明先進控制技術的控制原理、建模方法和應用效果，使更多的企業能夠了解和使用先進控制軟件， 更全面、更高層次地提升裝置的自動化水平， 達到挖潛增效、節能降效的目的。

1 R22 生產裝置工藝流程簡介

R22 生產裝置的工藝流程，首先是來自罐區的CHCl3與液氯混合液由計量泵打入到反應器，同時來自罐區的AHF 由計量泵打入到加熱器內加熱到約120 ℃進入反應器。 反應產物進入重組分分離塔，在塔頂冷凝，重組分回流到反應器，塔頂氣相出料經冷卻后進入HCl 精餾塔。 HCl 精餾塔塔頂采出HCl 統一回收，塔釜內的組分大部分為R22 和少量反應器未反應完全的HF， 塔釜出料進入產品精餾塔，經過進一步精餾，塔頂得到提純后的R22。 塔釜出料打回反應器，將未反應完全的重組分HF 和一氟二氯甲烷CHCl2F（R21）重新投入反應生成終產品R22。

反應器中發生的主要化學反應如下：

各組分常溫常壓下的分子量和沸點見表1，R22 為裝置生產的終產品。

表1 各組分常溫常壓下的分子量和沸點

2 裝置先進控制系統架構和建模方法

某R22 生產裝置采用先進控制軟件包CybiMPC 完成數據采集、建模、控制器設計及控制器組態等工作。

2.1 系統架構

測量儀表數字化、通信系統網絡化及DCS 等技術的日趨成熟，推動工業生產過程控制步入微機化、數字化和網絡化［7］。

2.1.1 硬件架構

先進控制系統在DCS 的上層實施，采用先進控制上位機方式實現。 先進控制上位機所使用的服務器， 通過交換機與安裝有標準OPC 接口軟件的服務器通過以太網實現互聯，從而建立先進控制上位機與DCS 控制站數據傳送的物理連接。先進控制服務器主要實現在線計算、在線優化及在線控制等功能。 先進控制系統的硬件架構如圖1 所示。

圖1 先進控制系統的硬件架構

2.1.2 軟件架構

物理通信實現后，需要通過安裝相應軟件完成先進控制系統與DCS 的實時數據交互。涉及的軟件有：微軟操作系統、先進控制軟件及DCS 廠商提供的OPC 接口軟件［8］等。 OPC Server 軟件是實現先進控制上位機與DCS 數據交互的橋梁。OPC 服務器通過DCS 通信協議獲取DCS 的實時過程數據，以標準OPC 接口向先進控制系統上位機發布，多變量預測控制軟件可以對數據進行讀寫。 先進控制系統的軟件架構如圖2 所示。

圖2 先進控制系統的軟件架構

2.2 建模方法

先進控制軟件能夠實現復雜裝置的解耦控制［9］，是從裝置的整體甚至全流程角度進行控制。先進控制建模方法的研究對實現這兩方面的優良控制效果至關重要，有效的建模方法是保證控制器對裝置自動化有效提升的前提之一。

先進控制軟件最終形成的控制器中包含許多子控制器， 具體子控制器需要結合裝置特點、數據分析及工程人員經驗等進行設計。 單個子控制器中一對多、多對多控制需要使用控制器組態中各類參數實現受控變量的權重分級，或者引入控制變量作為擾動變量實現預測控制。 具體實施時，必須保證所有受控變量的上、下限控制等級均高于任何目標值控制等級。 一對多控制時，選取最主要的受控變量作為優先控制變量，且控制等級高，其他受控變量控制等級低，同時作為目標值控制且目標值控制等級一樣的受控變量還可以通過改變目標值等效偏差進行受控等級的二次權重分配。 多對多控制時，選取控制效果好且工藝允許的量作為控制變量，其他控制變量作為擾動變量進行模型組態，從而實現多變量預測控制。

2.2.1 R22 反應器先進控制建模方法

R22 反應器的先進控制目標如下：

a. 通過卡邊優化控制反應器的溫度和液位，提高其穩定性；

b. 實現反應器生產負荷平穩自動升降，實現調整負荷過程中的反應溫度和液位平穩控制。

R22 反應器先進控制建模方法如下：

a. 通過氯仿進料控制反應器液位、氯仿/氟化氫比值，克服蒸餾塔出料和蒸汽擾動的影響，進行分級控制，當氯仿/氟化氫比值在控制范圍內時優先控制液位使之平穩，反之進行卡邊控制；

b. 通過蒸汽流量控制反應溫度，克服進料比的影響，對反應溫度進行優化，使之達到目標值；

c. 通過對生產負荷HF 目標值的設定， 調節HF 進料，使之達到目標負荷，并在負荷調整過程中，不斷對反應溫度、液位和氯仿/氟化氫比值進行卡邊控制，以使負荷調整過程平穩。

2.2.2 HCl 精餾塔先進控制建模方法

HCl 精餾塔先進控制目標如下：

a. 通過卡邊優化控制塔頂溫度、 壓差、HCl/HF 比值、靈敏板溫度，提高其穩定性；

b. 通過卡邊優化控制塔釜溫度、HCl 單耗，以使HCl 單耗最小化。

HCl 精餾塔先進控制建模方法如下：

a. 通過調節塔頂HCl 采出量，克服進料負荷擾動的影響，并對塔頂溫度、壓差、HCl/HF 比值、靈敏板溫度進行分級，各條件滿足后對塔靈敏板溫度進行卡邊優化；

b. 通過調節塔釜熱水流量， 克服塔進料量、進料溫度、熱水溫度和塔頂采出量的擾動，對塔釜溫度和HCl 單耗進行分級控制，當塔釜溫度在控制范圍內后， 優先對HCl 單耗進行卡邊優化，使HCl 單耗最小化，反之優先控制塔釜溫度。2.2.3 R22 產品精餾塔先進控制建模方法

R22 精餾塔先進控制目標如下：

a. 通過卡邊優化控制塔頂溫度、塔釜液位和采出進料比，提高其穩定性；

b. 通過卡邊優化控制塔釜溫度、 塔中溫度、壓差和R22 單耗，以使R22 單耗最小化。

R22 精餾塔先進控制建模方法如下：

a. 通過調節塔頂R22 采出量，克服進料負荷、塔釜采出的擾動，并對塔頂溫度、塔釜液位和采出進料比進行分級控制，以使R22 采出量最大化；

b. 通過調節塔釜熱水流量， 克服塔進料量、熱水溫度和塔釜采出量的擾動， 對塔釜溫度、塔中溫度、 壓差和R22 單耗進行分級控制， 以使R22 單耗最小化。

3 應用效果

某R22 生產裝置實施APC 系統后， 經過連續3 個月的運行，系統的關鍵控制指標平穩性得到大幅改善，自動化程度大幅提升。 下面列舉幾個關鍵指標進行對比說明。

3.1 R22 反應器先進控制應用效果

APC 系統投運前后， 反應器液位2LIC0140.PV 的趨勢如圖3 所示，APC 系統投運后標準方差降低了87.43%。

圖3 APC 系統投運前后反應器液位2LIC0140A.PV 的趨勢

APC 系統投運前后， 反應器溫度2TIC0091.PV 的趨勢如圖4 所示，APC 系統投運后標準方差降低了88.98%。

圖4 APC 系統投運前后反應器溫度2TIC0091.PV 的趨勢

3.2 HCl 精餾塔先進控制應用效果

APC 系統投運前后，2C1001 塔釜溫度2TI0095.PV 的趨勢如圖5 所示，APC 系統投運后標準方差降低了45.33%。

圖5 APC 系統投運前后2C1001 塔釜溫度2TI0095.PV 的趨勢

APC 系統投運前后，2C1001 塔中溫度2TIC0093.PV 的趨勢如圖6 所示。 由圖中數據可計算得出，APC 系統投運后標準方差降低了50.15%。

圖6 APC 系統投運前后2C1001 塔中溫度2TIC0093.PV 的趨勢

3.3 R22 產品精餾塔先進控制應用效果

APC 系統投運前后，2C1010A 塔釜液位2LIC0025A.PV 的 趨 勢 如 圖7 所 示，APC 系 統 投運后標準方差降低了59.87%。

圖7 APC 系統投運前后2C1010A 塔釜液位2LIC0025A.PV 的趨勢

APC 系統投運前后，2C1010A 塔釜溫度2TIC0029A.PV 的趨勢如圖8 所示。由圖中數據可計算得出，APC 系統投運后標準方差降低了74.98%。

圖8 APC 系統投運前后2C1010A 塔釜溫度2TIC0029A.PV 趨勢

4 效益分析

某企業年產R22 產品6 萬噸，生產裝置DCS崗設有操作員2 名。 R22 生產裝置先進控制系統效益從兩方面進行分析：

a. 節能效益核算。APC 系統投運前的蒸汽單耗為0.873 t/t，APC 系統投運后的蒸汽單耗降低到0.766 t/t，降低幅度達到12.26%。 按年產R22產品6 萬噸計算，將能耗折算為蒸汽消耗，中壓蒸汽按每噸170 元計算，通過投運APC 系統降低裝置能耗每年所產生的經濟效益為109.14 萬元（60000×（0.873-0.766）×170=1091400）。

b. 人力成本分析。隨著先進控制系統的全面上線，極大程度地減少了操作人員在正常情況下對系統的人為干預， 減輕了操作人員的勞動強度，為崗位融合創造了便利條件。 目前，R22 崗位實現了每班精減1 名操作人員的預期目標。

5 結束語

將先進控制技術和軟件系統應用到某企業R22 生產裝置上，關鍵控制指標的標準方差至少降低了45.00%，蒸汽單耗降低了12.26%，實現了卡邊操作，有效提升了產品質量、實現了節能降耗、降低了操作人員的勞動強度，節約了人力成本，為生產裝置長久運轉在最佳狀態提供了堅實的基礎，為企業帶來了顯著的經濟利益和社會效益。