多晶硅精餾塔的基礎控制優化及APC控制器應用

摘 要 為提高多晶硅精餾塔生產的自控率和控制精度，確保運行穩定性并降低能耗，采用先進過程控制（APC）實施控制性能優化。通過對基礎控制回路PID參數自適應優化，提升生產裝置自動化水平，并對精餾粗分塔進行系統性控制性能優化，提升主要過程參數的控制品質，提升再生效率并降低蒸汽消耗量，從而提高現場裝置運行平穩性，節約生產運行成本。

關鍵詞 APC 多晶硅精餾塔 控制性能優化 PID控制回路

中圖分類號 TQ205 " 文獻標志碼 B " 文章編號 1000-3932（2024）04-0719-06

近年來，先進過程控制（Advanced Process Control，APC）已廣泛應用于精細化工、石化行業精餾塔的控制上。APC不僅可以顯著提高精餾塔運行的穩定性、自動化程度，而且利用其卡邊控制功能，還可以提升產品品質，提高裝置產能，降低能耗［1，2］。然而，目前APC還沒有用于多晶硅行業精餾塔的控制，其控制方式比較粗放。為此，筆者從自控專業入手，針對多晶硅精餾塔控制中存在的問題，優化基礎回路控制參數，并通過引入APC算法，最終實現多晶硅精餾塔生產的提質、提產、節能、降耗。

1 精餾塔生產中存在的問題

以多晶硅精餾粗分塔為研究對象，其主要功能是將生產的混合氯硅烷中的三氯氫硅與四氯化硅分離。該塔在實際運行過程中存在以下問題：

a. 基礎控制回路參數整定不合理，部分關鍵變量依然處于手動控制；部分PID回路雖然投用了自動模式，但依然存在PV波動大、閥門輸出振蕩等現象。

b. 沒有設計整體控制策略，僅采取單一PID控制，無法處理多變量場景，導致各控制器之間不協調，粗分塔整體波動大，產品質量不合格，能耗大幅提升。

c. 操作工勞動強度大，當進料組分或塔整體負荷發生變化時，操作工需要進行大量的操作來保證塔的運行平穩。

1.1 粗分塔基礎控制回路現狀

表1為粗分塔基礎控制回路現狀，可以看出，粗分塔涉及的基礎控制回路并沒有得到合理的整定，導致操作工很難將這些控制回路投用自動模式，各被控變量波動較大。

1.2 粗分塔整體控制現狀

目前，粗分塔的控制主要以基礎PID控制器為主，各關鍵變量均采用獨立的單回路PID控制，彼此無關聯邏輯。由于粗分塔的基礎回路PID控制器未得到良好的整定，因此其具有較大的優化空間。例如，經過優化后塔底蒸汽存在的振蕩能夠被消除，這不僅能減輕閥門的磨損，提高控制器本身的性能，同時還能減少對蒸汽網絡的干擾以及對下游單元的擾動。

粗分塔屬于較為復雜的工藝單元，各變量之間均存在不同程度的聯系。然而，基礎PID控制器屬于單輸入單輸出（SISO）控制器，且只基于SP與PV之間的偏差進行調節，對于存在關聯的多變量控制場景，使用單一的PID控制器很難取得良好的控制效果，而多個單一的PID控制器之間又極易產生干擾，導致明顯的共同振蕩現象。這種周期振蕩的穩態一旦被打破，例如進料組分、負荷發生變化，或者塔底、塔頂溫度被修改，那么操作工就需要耗費大量的精力去重新使裝置進入穩態，導致期間出現產品不合格或蒸汽浪費的現象［3］。

2 控制優化方案

基礎回路控制性能優化主要致力于優化粗分塔本身的基礎控制回路，實現長期且穩定的投自動模式，且對于外部工藝干擾能夠進行有效的響應。基礎回路自動控制的投用能夠有效降低操作工的操作負擔，減少各關鍵變量的波動，為實施進一步的控制優化打下良好的基礎。

由于單元控制性能優化是基于單回路控制無法解決的控制問題，所以要引入多變量控制器進行處理。例如塔頂溫度不僅受回流影響，也受到塔頂壓力的制約，單變量PID控制無法處理這一類問題，因此需要采用多變量控制器進行處理和解決。單元控制性能優化是在基礎控制回路優化的基礎上進一步對被控單元的控制邏輯進行優化，目標是實現被控單元的智能化自動控制。

2.1 基礎控制回路優化實施

2.1.1 技術實施方案

基礎控制回路的性能優化方案如下：

a. 對所有基礎控制回路進行有效整定，提高其控制性能，使之能夠投自動。

b. 使用整定工具對裝置的基礎控制回路繼續維護。

表2是針對粗分塔各PID控制回路提出的性能優化建議。使用回路整定軟件，通過對各回路進行階躍測試、建模，從而計算出合理的PID參數，使其能夠投用到自動控制并具有良好的控制性能。

2.1.2 實施步驟

粗分塔基礎回路控制性能優化具體實施步驟如下：

a. 自控工程師和裝置工藝團隊對每個單元所包含的控制回路的控制性能進行評估，確定需要優化的回路列表；

b. 確認并記錄列表中回路的原始PID參數；

c. 在DCS工作站安裝、配置回路整定軟件；

d. 自控工程師和裝置工藝團隊按照已經確定的回路列表，在確保生產穩定的前提下確定合理的測試幅度；

e. 基于測試結果和工藝需求，計算并配置合理的PID參數；

f. 經工藝團隊確認后，投用優化后的PID參數；

g. 根據回路控制情況，對已優化回路進行微調。

2.2 復雜回路優化實施

對整個粗分塔回路進行分析后，發現存在部分大滯后干擾變量的控制回路，建議現場測試時在整定的基礎上，根據測試情況添加對應的前饋變量作為補償，即將干擾變量添加至當前的PID控制器中，使當前的PID控制器從單輸入單輸出回路變為多輸入單輸出回路，從而提高控制器控制性能，減少由控制問題所導致的產品質量問題。

2.3 單元控制性能優化

2.3.1 技術方案

單元控制性能優化方案是針對1.2節中所提出的粗分塔整體控制現狀進行的補足。通過建立新的多變量控制器，解決因各變量耦合所導致的控制問題，提高粗分塔的抗干擾能力和控制性能，降低操作工的勞動強度，同時減少因為控制問題所導致的產品質量問題。由于單元控制性能優化方案涉及到多變量控制，因此需要使用APC軟件模塊。

2.3.2 多變量APC控制器設計

表3是粗分塔多變量APC控制器設計思路。該控制器由3個被控變量、4個操作變量以及部分干擾變量與約束變量組成。

多變量APC控制器是基于粗分塔當前的控制情況和工藝人員的優化需求進行設計的，并為以下預期目標服務：

a. 通過多變量控制，解決粗分塔存在的各控制場景之間相互干擾的問題，使粗分塔的控制更加協調，消除粗分塔整體波動，提高各被控變量的控制精度，增強粗分塔的抗干擾能力。

b. 降低操作工的勞動強度和粗分塔的操作難度，減少粗分塔運行的人力成本。

c. 實現優化需求，在工藝存在優化空間的前提下，通過使用“卡邊控制”的優化策略，降低粗分塔的能耗，提高粗分塔的處理能力，提高經濟效益。

2.3.3 具體實施

具體優化實施步驟如下：

a. 審核調節回路的性能，回路是否是穩定的、非周期的、響應和穩健的。

b. 組建包含用戶工藝、生產、儀表和自控相關人員在內的項目實施團隊，各部門協作確保項目的成功實施。

c. 提供現場輸入資料，如PID圖、邏輯控制、工藝參數等信息。熟悉工藝流程、了解裝置規模、運行情況、生產要求等信息，確定裝置/工段的重要工藝指標、經濟指標，用戶需提供對優化控制的具體要求和目標，然后根據實際情況對目標進行調整和優化。

d. 確定數據采集要求，了解基礎控制回路的投運情況，確定基礎回路整改要求，對不滿足先進控制要求的基礎控制回路進行整改。

e. 根據現場工藝條件和控制要求，對模塊進行選型和具體配置。例如針對多變量耦合場合，選擇MPC模型預估控制模塊，合理選擇操縱變量（MV）、被控變量（CV）、干擾變量（DV）和約束變量（LV）［4］。

f. 給出詳細的實驗測試方案，與用戶的工藝、儀表人員共同論證實驗測試方案，并確定測試時間和相關事宜。

g. 根據裝置階躍測試獲得的數據，利用軟件工具進行建模，建立相關單元的動態數學模型。

h. 基于通過驗證的動態數學模型，進行多變量APC控制器的功能和結構設計，通過仿真選擇能達到預期效果的模型與控制器，并用文件形式保存。

i. 根據DCS特點，設計并選擇安全切換邏輯的實現方案，保證異常情況下系統的安全性和穩定性以及APC與常規控制的無擾動切換。

j. 根據控制器結構，按照工藝操作習慣，確定在DCS先進控制操作界面中操作人員需要觀察的信息和可調整的參數，設計用戶友好的先進控制操作界面。

在實際溝通和實施過程中，現場可能會出現不滿足實施APC的基礎條件或者需要更改APC先進控制模塊的類型和數量，此時需要經過現場調研評估可行性后，最終確定出準確的模塊授權、模塊數量和相應的人工工時。

3 方案實施效果

控制優化方案實施效果如下：

a. 基于過程關鍵工藝和控制參數以及歷史測試數據，建立過程預測模型和控制器，避免了工藝參數的相互耦合影響并實現了工藝操作卡邊自動控制；

b. 提高了粗分塔綜合自動化水平，裝置中波動較大的重要工藝參數的標準偏差降低25%以上；

c. 提高了粗分塔自動投用率和關鍵參數運行平穩率，自動投用率達到95%以上，關鍵參數運行平穩率達到95%以上；

d. 先進控制系統的平均在線運行率達到95%以上，重要回路自動投用率100%；

e. 項目投用后產量得到了提升顯著，設計負荷由80%提升到105%；

f. 粗分塔控制優化后，生產系統運行平穩，顯著降低了人員的勞動強度。

4 結束語

從基本控制回路入手，針對多晶硅精餾塔生產運行過程中存在的問題，引入多變量APC控制器，通過復雜控制實現最優控制目標。該項目在多晶硅精餾粗分塔上實施后，很好地解決了目前生產過程中存在的一些控制優化方面的問題，顯著提高了生產產能，降低了能耗，對其他過程控制優化具有一定的借鑒意義。

參 考 文 獻

［1］ 許超，陳治綱，邵惠鶴.預測控制技術及應用發展綜述［J］.化工自動化及儀表，2002，29（3）：1-10.

［2］ 黃湘云，朱學峰.預測控制的研究現狀與展望［J］.石油化工自動化，2005，41（2）：27-31.

［3］ 劉美.儀表及自動控制［M］.北京：中國石化出版社，2015：222-224.

［4］ 褚健，王朝輝，蘇宏業.先進控制技術及其產業化［J］.測控技術，2000，19（8）：1-3；9.

（收稿日期：2023-07-11，修回日期：2024-06-07）