張 立

（新疆天業(yè)（集團）有限公司，石河子832000）

氯乙烯（VCM）是一種重要的化工單體，主要生產(chǎn)方法包括乙烯法、電石法等[1]。其中電石法作為煤化工提高產(chǎn)品附加值的一種方法，在我國得到了廣泛的應(yīng)用。電石水解產(chǎn)生的乙炔氣體與氯乙烯氣體在合成轉(zhuǎn)化器中進行反應(yīng)，生成的產(chǎn)物經(jīng)精制即可得到高純度的VCM[2]。

VCM 合成裝置屬于氯堿工業(yè)中的中間裝置，其原料為氣體，不僅受前續(xù)裝置的穩(wěn)定性的影響，也因回收氯乙烯帶水而影響合成爐配比的穩(wěn)定控制[3]；另外，由于單套設(shè)備的加工能力限制，通常VCM 合成裝置需要采用多條線并聯(lián)的生成方式，這極大地增加了設(shè)備間的耦合關(guān)聯(lián)，工藝控制的難度進一步增加。針對VCM 合成裝置的特點及生產(chǎn)要求，利用多變量模型預(yù)測、專家控制以及軟測量等先進控制技術(shù)解決裝置平穩(wěn)控制、變量耦合等問題[4-8]，實現(xiàn)VCM 合成過程配比穩(wěn)定控制的前提下，實現(xiàn)各條線加工負(fù)荷的分配[9]，達(dá)到降低操作勞動強度，提升裝置控制穩(wěn)定性的目標(biāo)。

1 VCM 合成控制現(xiàn)狀分析

1.1 VCM 合成流程簡介

VCM 合成轉(zhuǎn)化器部分作為VCM 精餾的前續(xù)裝置，是VCM 裝置的一個組成部分。其主要作用是實現(xiàn)氯乙烯及乙炔在合成轉(zhuǎn)化器中反應(yīng)， 為VCM 精餾裝置提供含VCM 的原料。VCM 合成裝置前后工序如圖1所示。

精制的氯乙烯以及乙炔從前續(xù)裝置過來，分別分成3 個支路后，進入3 條線的合成轉(zhuǎn)化器進行反應(yīng)，反應(yīng)完成經(jīng)過組合塔等除去混合氣中攜帶的多余氯乙烯后進入下游工序。

1.2 VCM 合成先進控制需求分析

VCM 合成部分處于裝置的中游，不僅受制于上游乙炔及氯化氫裝置，還受下游裝置的影響。雖然裝置已采用DCS 控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基礎(chǔ)的自動控制，但由于裝置的特殊性，單回路的PID 控制難以解決存在復(fù)雜干擾以及變量耦合的裝置控制問題。因而，常規(guī)生產(chǎn)操作還存在如下的改進方向：

1）配比的穩(wěn)定控制

由于VCM 合成的原料氯化氫受回收部分的影響，造成氯化氫純度的波動，從而影響合成的實際配比控制，操作人員主要以化驗分析數(shù)據(jù)以及水堿洗系統(tǒng)的組合塔塔溫的變化作為參考，手動調(diào)節(jié)進各反應(yīng)器的氯化氫、乙炔流量，實現(xiàn)配比控制，但由于化驗分析時間間隔長且與實際生產(chǎn)之間存在較長的時間滯后，而組合塔溫度還受組合塔補酸以及補水量的影響，故以化驗分析數(shù)據(jù)以及后續(xù)流程的塔溫作為調(diào)節(jié)依據(jù)難以滿足快速調(diào)整的要求，也難以保證控制過程的穩(wěn)定性。

2）加工負(fù)荷的分配

VCM 合成部分屬于加工裝置的中游部分，前續(xù)乙炔及氯化氫裝置的提降量，以及合成轉(zhuǎn)化器本身的問題都會引起3 條線間的不同負(fù)荷需求。正常生產(chǎn)過程中，需要不斷地根據(jù)乙炔及氯化氫總管壓力等判斷負(fù)荷總量情況，同時，需要根據(jù)后路石墨冷卻器的壓力情況判斷單條線的加工能力。如果單條線阻力過大，需要適當(dāng)?shù)貙⒓庸へ?fù)荷平衡給其他兩條線。

3）組合塔溫度的控制

組合塔的主要作用利用稀酸以及水吸收混合氣中的氯化氫，凈化混合氣的同時，回收多余的氯化氫，減少損失。吸收過程屬于放熱反應(yīng)過程，吸收塔溫度的高低主要受混合氣中氯化氫含量的多少影響，同時也受稀酸濃度、稀酸量以及加水量等的影響。可以說，組合塔溫度就是合成轉(zhuǎn)化器配比高低的指示器。在稀酸濃度及加入量，水加入量不變的情況下，對于相同的乙炔加工負(fù)荷，如果組合塔溫度升高，說明配比過低，混合氣中的氯化氫含量過高，反之，則說明配比過低，混合氣中的氯化氫含量過少。因而，生產(chǎn)過程中需要不斷的溫度進行控制，同時也要利用組合塔的溫度實現(xiàn)對配比的穩(wěn)定控制。

2 氯乙烯合成裝置先進控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 先進控制系統(tǒng)框架設(shè)計

根據(jù)VCM 合成裝置的特點，VCM 合成裝置先進控制系統(tǒng)從負(fù)荷平衡、配比平穩(wěn)以及安全控制的角度出發(fā)，利用模型預(yù)測控制、專家控制以及軟測量相結(jié)合的方式實現(xiàn)裝置的整體控制，如圖2所示。

VCM 合成裝置先進控制系統(tǒng)利用OPC 標(biāo)準(zhǔn)接口在DCS 系統(tǒng)的上層實施。該先進控制系統(tǒng)共包含負(fù)荷分配、配比控制以及組合塔溫度控制3 個功能，其中核心層為配比控制， 實現(xiàn)配比平穩(wěn)控制后，負(fù)荷分配以及組合塔溫度的控制即可實現(xiàn)平穩(wěn)控制。

2.2 先進控制系統(tǒng)功能設(shè)計

2.2.1 負(fù)荷分配系統(tǒng)

利用專家控制策略對VCM 合成的負(fù)荷分配系統(tǒng)建立知識庫，分別針對正常生產(chǎn)情況下的負(fù)荷分配、乙炔或氯化氫裝置出現(xiàn)生產(chǎn)波動時的負(fù)荷分配以及某條線的合成轉(zhuǎn)化裝置出現(xiàn)故障時的負(fù)荷分配進行操作經(jīng)驗總結(jié)，結(jié)合生產(chǎn)工藝要求，建立不同情況下負(fù)荷分配的操作思路及操作步驟，為后續(xù)的配比控制提供調(diào)節(jié)目標(biāo)及依據(jù)，如圖3所示。

（1）實現(xiàn)乙炔及氯化氫裝置生產(chǎn)工況的實時監(jiān)測，確定VCM 合成加工負(fù)荷；

（2）實現(xiàn)VCM 合成裝置生產(chǎn)工況的實時監(jiān)測，確定單條線加工能力；

（3）實現(xiàn)VCM 合成裝置單條線生產(chǎn)負(fù)荷目標(biāo)的計算，并給定配比控制系統(tǒng)實現(xiàn)負(fù)荷分配控制。

圖3 VCM 合成裝置負(fù)荷分配子系統(tǒng)圖Fig.3 Structure of VCM synthesis load distribution system

2.2.2 配比及組合塔溫度控制系統(tǒng)

配比及組合塔溫度的控制主要采用多變量模型預(yù)測控制策略實現(xiàn)。實現(xiàn)配比的穩(wěn)定控制以及組合塔盡量減少稀酸產(chǎn)量的控制。配比及組合塔溫度控制需要克服總管壓力波動等干擾的影響， 還需要解決如3條線乙炔流量相互干擾、3 條線組合塔補酸補水相互干擾等變量之間的強耦合問題，在實現(xiàn)配比穩(wěn)定控制的前提下，方能確保負(fù)荷分配按照既定的目標(biāo)實現(xiàn)。

（1）實現(xiàn)正常生產(chǎn)過程中，克服解析氯化氫流量及組分波動對配比控制的影響， 實現(xiàn)配比的按需、穩(wěn)定調(diào)節(jié)；

（2）實現(xiàn)正常生產(chǎn)過程中，克服組合塔補酸及補水耦合干擾的影響，穩(wěn)定補酸補水量，減少補酸補水量對判斷合成配比高低的影響；

（3）實現(xiàn)給定負(fù)荷目標(biāo)的快速、穩(wěn)定調(diào)節(jié)，并確保配比滿足要求。

該系統(tǒng)涉及的變量如表1所示。

表1 配比及組合塔溫度控制變量列表Tab.1 Variable list of the controller of mixture ratio and temperature control

2.2.3 軟儀表系統(tǒng)

VCM 合成最大的控制難點在于原料氯化氫的純度波動較大，造成配比無法統(tǒng)一，由于難以判斷準(zhǔn)確的配比， 需要根據(jù)化驗分析進行事后分析，因而無法實現(xiàn)配比的實時調(diào)節(jié)。上游氯化氫裝置的氯化氫純度相對較穩(wěn)定且可測量，而解析系統(tǒng)返回的氯化氫則無法進行準(zhǔn)確的計量， 要實現(xiàn)VCM 合成配比穩(wěn)定調(diào)節(jié)，最重要的就是了解解析系統(tǒng)氯化氫的純度。采用軟儀表策略，對組合塔氯化氫吸收量進行建模，分析后續(xù)解析系統(tǒng)氯化氫解析量，從而為下一時刻配比的穩(wěn)定控制提供指導(dǎo)。通過軟儀表策略，對組合塔吸收過程以及解析系統(tǒng)解析過程進行機理分析，結(jié)合生產(chǎn)過程實際數(shù)據(jù)，分別建立混合氣氯化氫含量、 解析系統(tǒng)氯化氫流量以及氯化氫純度等的軟儀表， 利用化驗分析數(shù)據(jù)進行校正以及準(zhǔn)確度驗證，為配比及組合塔溫度控制系統(tǒng)提供指導(dǎo)及參考。

3 先進控制系統(tǒng)投入運行后的效果

VCM 合成負(fù)荷分配先進控制系統(tǒng)投入使用后，實現(xiàn)了長周期的連續(xù)運行，有效地解決了操作人員操作勞動強度大的問題，關(guān)鍵控制點的控制平穩(wěn)性得到了很大程度的提高?；旌蠚饴然瘹浜炕灧治龇€(wěn)定性得到了顯著提高，反映合成配比情況的組合塔溫度的波動幅度明顯下降，在相近負(fù)荷下，組合塔補水量明顯降低。

1）混合氣中氯化氫含量化驗分析結(jié)果對比

按照每2 h 采樣1 次的速率， 對混合氣中的氯化氫含量進行采樣分析， 對比結(jié)果如圖4所示，統(tǒng)計方差對比結(jié)果如表2所示。

圖4 先控投運前后混合氣氯化氫含量對比圖Fig.4 Content of HCL comparison before and after the use of APC

表2 混合氣中氯化氫含量先控投運前后統(tǒng)計對比Tab.2 Statistics of HCL content comparison before and after the use of APC

由圖4及表2可知， 先進控制系統(tǒng)投運后，化驗分析所得的混合氣中的氯化氫含量明顯平穩(wěn)，且未超過10%的控制指標(biāo)，為后續(xù)裝置進一步優(yōu)化提供了保障。

2）組合塔溫度結(jié)果對比

組合塔溫度結(jié)果對比及統(tǒng)計分析，如圖5以及表3所示。

圖5 組合塔溫度先控投運前后對比圖Fig.5 Temperature of combined tower comparison before and after the use of APC

表3 組合塔溫度先控投運前后統(tǒng)計對比Tab.3 Stastistics of combined tower temperature comparison before and after the use of APC

組合塔溫度在先進控制系統(tǒng)應(yīng)用后，通過平穩(wěn)控制實際配比，克服組合塔間的耦合影響，在實現(xiàn)組合塔溫度的平穩(wěn)控制的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)負(fù)產(chǎn)酸的控制目標(biāo)。

3）組合塔補水量結(jié)果對比

組合塔補水量先控投運前后對比如圖6以及表4所示。

圖6 組合塔補水量先控投運前后對比圖Fig.6 Water add in combined tower comparison before and after the use of APC

表4 組合塔補水量先控投運前后統(tǒng)計對比Tab.4 Stastistics comparison of water add in combined tower before and after the use of APC

組合塔補水量的平穩(wěn)及平均用量的顯著下降，從另一個方面說明混合氣中氯化氫含量更加穩(wěn)定，同時也為裝置負(fù)產(chǎn)酸的目標(biāo)提供了可能。

4 結(jié)語

VCM 合成先進控制系統(tǒng)是綜合了多變量模型預(yù)測控制、智能專家控制以及軟測量等策略形成的先進控制系統(tǒng)解決方案，該方案實現(xiàn)了配比控制以及負(fù)荷分配等核心目標(biāo)，很好的適應(yīng)此類裝置的特點，不僅降低了操作人員的操作勞動強度，而且提高了裝置控制過程的平穩(wěn)性、安全性，具有很好的推廣應(yīng)用價值。