湯 陽(yáng) 徐林強(qiáng) 劉文烈

（1.巨化集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)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(yīng)用于往復(fù)式壓縮機(jī)，作為工業(yè)、商業(yè)、家庭空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑。 R22 還是生產(chǎn)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(chǎn)裝置包括原料混合、反應(yīng)及精餾等生產(chǎn)過(guò)程，是典型的非線性、時(shí)變、大滯后和多變量耦合復(fù)雜系統(tǒng)。 某R22 生產(chǎn)裝置的DCS 采用霍尼韋爾PKS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主要工藝參數(shù)（如溫度、壓力、流量及液位等）的顯示、記錄、累計(jì)、報(bào)警和設(shè)備運(yùn)行聯(lián)鎖功能，以及整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的遠(yuǎn)程操作和控制功能。 從目前過(guò)程控制系統(tǒng)的情況來(lái)看，以PID 單回路為主的常規(guī)控制策略難以達(dá)到理想的控制效果，裝置的生產(chǎn)操作總體上仍以人工經(jīng)驗(yàn)為主，存在操作不及時(shí)、調(diào)節(jié)幅度不匹配等問題， 難以較好地克服系統(tǒng)波動(dòng)和外界干擾，而且不同班組的操作習(xí)慣和操作方法仍有顯著差異，導(dǎo)致裝置的關(guān)鍵工藝指標(biāo)波動(dòng)大，運(yùn)行平穩(wěn)性差，反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行周期短、波動(dòng)大、轉(zhuǎn)化率不穩(wěn)定且能耗偏高。為了進(jìn)一步提高R22 裝置的自動(dòng)化水平，提升產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)反應(yīng)器運(yùn)行周期，降低能耗、物耗，實(shí)現(xiàn)挖潛增效，企業(yè)決定引進(jìn)先進(jìn)控制（Advance Process Control，APC）技術(shù)開發(fā)實(shí)施R22 生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝置的精細(xì)化控制和卡邊優(yōu)化。 先進(jìn)控制系統(tǒng)為操作員提供了一個(gè)便捷、安全的操控工具，承擔(dān)了大部分常規(guī)平穩(wěn)操作工作，在減少裝置波動(dòng)和保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定方面表現(xiàn)優(yōu)異， 是優(yōu)化裝置操作、挖潛增效的有效手段。 研究表明，先進(jìn)控制技術(shù)投資回收期一般為1.0～1.5 年［1］，投資回收期短、回報(bào)率高，實(shí)施先進(jìn)控制技術(shù)將有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置的“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”運(yùn)行。

APC 技術(shù)需要使用專業(yè)的先進(jìn)控制軟件通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)和階躍測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得該裝置相關(guān)MV-CV/DV-CV動(dòng)態(tài)矩陣關(guān)系模型，并集成于控制器， 通過(guò)多變量模型預(yù)測(cè)控制（MPC）［2］技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜生產(chǎn)裝置的多目標(biāo)、多層次、多變量約束優(yōu)化控制。 整個(gè)過(guò)程根據(jù)模型預(yù)測(cè)，實(shí)時(shí)、自動(dòng)地進(jìn)行反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化［3～6］，從而達(dá)到平穩(wěn)率上升、操作強(qiáng)度下降、節(jié)能降耗的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)整套裝置控制的自動(dòng)化和智能化。

筆者通過(guò)對(duì)某R22 全流程生產(chǎn)裝置上先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行解析，旨在說(shuō)明先進(jìn)控制技術(shù)的控制原理、建模方法和應(yīng)用效果，使更多的企業(yè)能夠了解和使用先進(jìn)控制軟件， 更全面、更高層次地提升裝置的自動(dòng)化水平， 達(dá)到挖潛增效、節(jié)能降效的目的。

1 R22 生產(chǎn)裝置工藝流程簡(jiǎn)介

R22 生產(chǎn)裝置的工藝流程，首先是來(lái)自罐區(qū)的CHCl3與液氯混合液由計(jì)量泵打入到反應(yīng)器，同時(shí)來(lái)自罐區(qū)的AHF 由計(jì)量泵打入到加熱器內(nèi)加熱到約120 ℃進(jìn)入反應(yīng)器。 反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入重組分分離塔，在塔頂冷凝，重組分回流到反應(yīng)器，塔頂氣相出料經(jīng)冷卻后進(jìn)入HCl 精餾塔。 HCl 精餾塔塔頂采出HCl 統(tǒng)一回收，塔釜內(nèi)的組分大部分為R22 和少量反應(yīng)器未反應(yīng)完全的HF， 塔釜出料進(jìn)入產(chǎn)品精餾塔，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步精餾，塔頂?shù)玫教峒兒蟮腞22。 塔釜出料打回反應(yīng)器，將未反應(yīng)完全的重組分HF 和一氟二氯甲烷CHCl2F（R21）重新投入反應(yīng)生成終產(chǎn)品R22。

反應(yīng)器中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

各組分常溫常壓下的分子量和沸點(diǎn)見表1，R22 為裝置生產(chǎn)的終產(chǎn)品。

表1 各組分常溫常壓下的分子量和沸點(diǎn)

2 裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)架構(gòu)和建模方法

某R22 生產(chǎn)裝置采用先進(jìn)控制軟件包CybiMPC 完成數(shù)據(jù)采集、建模、控制器設(shè)計(jì)及控制器組態(tài)等工作。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

測(cè)量?jī)x表數(shù)字化、通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化及DCS 等技術(shù)的日趨成熟，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制步入微機(jī)化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化［7］。

2.1.1 硬件架構(gòu)

先進(jìn)控制系統(tǒng)在DCS 的上層實(shí)施，采用先進(jìn)控制上位機(jī)方式實(shí)現(xiàn)。 先進(jìn)控制上位機(jī)所使用的服務(wù)器， 通過(guò)交換機(jī)與安裝有標(biāo)準(zhǔn)OPC 接口軟件的服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，從而建立先進(jìn)控制上位機(jī)與DCS 控制站數(shù)據(jù)傳送的物理連接。先進(jìn)控制服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)在線計(jì)算、在線優(yōu)化及在線控制等功能。 先進(jìn)控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 先進(jìn)控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

2.1.2 軟件架構(gòu)

物理通信實(shí)現(xiàn)后，需要通過(guò)安裝相應(yīng)軟件完成先進(jìn)控制系統(tǒng)與DCS 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。涉及的軟件有：微軟操作系統(tǒng)、先進(jìn)控制軟件及DCS 廠商提供的OPC 接口軟件［8］等。 OPC Server 軟件是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制上位機(jī)與DCS 數(shù)據(jù)交互的橋梁。OPC 服務(wù)器通過(guò)DCS 通信協(xié)議獲取DCS 的實(shí)時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)OPC 接口向先進(jìn)控制系統(tǒng)上位機(jī)發(fā)布，多變量預(yù)測(cè)控制軟件可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。 先進(jìn)控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 先進(jìn)控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

2.2 建模方法

先進(jìn)控制軟件能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜裝置的解耦控制［9］，是從裝置的整體甚至全流程角度進(jìn)行控制。先進(jìn)控制建模方法的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)這兩方面的優(yōu)良控制效果至關(guān)重要，有效的建模方法是保證控制器對(duì)裝置自動(dòng)化有效提升的前提之一。

先進(jìn)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(jié)合裝置特點(diǎn)、數(shù)據(jù)分析及工程人員經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行設(shè)計(jì)。 單個(gè)子控制器中一對(duì)多、多對(duì)多控制需要使用控制器組態(tài)中各類參數(shù)實(shí)現(xiàn)受控變量的權(quán)重分級(jí)，或者引入控制變量作為擾動(dòng)變量實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)控制。 具體實(shí)施時(shí)，必須保證所有受控變量的上、下限控制等級(jí)均高于任何目標(biāo)值控制等級(jí)。 一對(duì)多控制時(shí)，選取最主要的受控變量作為優(yōu)先控制變量，且控制等級(jí)高，其他受控變量控制等級(jí)低，同時(shí)作為目標(biāo)值控制且目標(biāo)值控制等級(jí)一樣的受控變量還可以通過(guò)改變目標(biāo)值等效偏差進(jìn)行受控等級(jí)的二次權(quán)重分配。 多對(duì)多控制時(shí)，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(dòng)變量進(jìn)行模型組態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)多變量預(yù)測(cè)控制。

2.2.1 R22 反應(yīng)器先進(jìn)控制建模方法

R22 反應(yīng)器的先進(jìn)控制目標(biāo)如下：

a. 通過(guò)卡邊優(yōu)化控制反應(yīng)器的溫度和液位，提高其穩(wěn)定性；

b. 實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器生產(chǎn)負(fù)荷平穩(wěn)自動(dòng)升降，實(shí)現(xiàn)調(diào)整負(fù)荷過(guò)程中的反應(yīng)溫度和液位平穩(wěn)控制。

R22 反應(yīng)器先進(jìn)控制建模方法如下：

a. 通過(guò)氯仿進(jìn)料控制反應(yīng)器液位、氯仿/氟化氫比值，克服蒸餾塔出料和蒸汽擾動(dòng)的影響，進(jìn)行分級(jí)控制，當(dāng)氯仿/氟化氫比值在控制范圍內(nèi)時(shí)優(yōu)先控制液位使之平穩(wěn)，反之進(jìn)行卡邊控制；

b. 通過(guò)蒸汽流量控制反應(yīng)溫度，克服進(jìn)料比的影響，對(duì)反應(yīng)溫度進(jìn)行優(yōu)化，使之達(dá)到目標(biāo)值；

c. 通過(guò)對(duì)生產(chǎn)負(fù)荷HF 目標(biāo)值的設(shè)定， 調(diào)節(jié)HF 進(jìn)料，使之達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷，并在負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中，不斷對(duì)反應(yīng)溫度、液位和氯仿/氟化氫比值進(jìn)行卡邊控制，以使負(fù)荷調(diào)整過(guò)程平穩(wěn)。

2.2.2 HCl 精餾塔先進(jìn)控制建模方法

HCl 精餾塔先進(jìn)控制目標(biāo)如下：

a. 通過(guò)卡邊優(yōu)化控制塔頂溫度、 壓差、HCl/HF 比值、靈敏板溫度，提高其穩(wěn)定性；

b. 通過(guò)卡邊優(yōu)化控制塔釜溫度、HCl 單耗，以使HCl 單耗最小化。

HCl 精餾塔先進(jìn)控制建模方法如下：

a. 通過(guò)調(diào)節(jié)塔頂HCl 采出量，克服進(jìn)料負(fù)荷擾動(dòng)的影響，并對(duì)塔頂溫度、壓差、HCl/HF 比值、靈敏板溫度進(jìn)行分級(jí)，各條件滿足后對(duì)塔靈敏板溫度進(jìn)行卡邊優(yōu)化；

b. 通過(guò)調(diào)節(jié)塔釜熱水流量， 克服塔進(jìn)料量、進(jìn)料溫度、熱水溫度和塔頂采出量的擾動(dòng)，對(duì)塔釜溫度和HCl 單耗進(jìn)行分級(jí)控制，當(dāng)塔釜溫度在控制范圍內(nèi)后， 優(yōu)先對(duì)HCl 單耗進(jìn)行卡邊優(yōu)化，使HCl 單耗最小化，反之優(yōu)先控制塔釜溫度。2.2.3 R22 產(chǎn)品精餾塔先進(jìn)控制建模方法

R22 精餾塔先進(jìn)控制目標(biāo)如下：

a. 通過(guò)卡邊優(yōu)化控制塔頂溫度、塔釜液位和采出進(jìn)料比，提高其穩(wěn)定性；

b. 通過(guò)卡邊優(yōu)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(jìn)控制建模方法如下：

a. 通過(guò)調(diào)節(jié)塔頂R22 采出量，克服進(jìn)料負(fù)荷、塔釜采出的擾動(dòng)，并對(duì)塔頂溫度、塔釜液位和采出進(jìn)料比進(jìn)行分級(jí)控制，以使R22 采出量最大化；

b. 通過(guò)調(diào)節(jié)塔釜熱水流量， 克服塔進(jìn)料量、熱水溫度和塔釜采出量的擾動(dòng)， 對(duì)塔釜溫度、塔中溫度、 壓差和R22 單耗進(jìn)行分級(jí)控制， 以使R22 單耗最小化。

3 應(yīng)用效果

某R22 生產(chǎn)裝置實(shí)施APC 系統(tǒng)后， 經(jīng)過(guò)連續(xù)3 個(gè)月的運(yùn)行，系統(tǒng)的關(guān)鍵控制指標(biāo)平穩(wěn)性得到大幅改善，自動(dòng)化程度大幅提升。 下面列舉幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明。

3.1 R22 反應(yīng)器先進(jìn)控制應(yīng)用效果

APC 系統(tǒng)投運(yùn)前后， 反應(yīng)器液位2LIC0140.PV 的趨勢(shì)如圖3 所示，APC 系統(tǒng)投運(yùn)后標(biāo)準(zhǔn)方差降低了87.43%。

圖3 APC 系統(tǒng)投運(yùn)前后反應(yīng)器液位2LIC0140A.PV 的趨勢(shì)

APC 系統(tǒng)投運(yùn)前后， 反應(yīng)器溫度2TIC0091.PV 的趨勢(shì)如圖4 所示，APC 系統(tǒng)投運(yùn)后標(biāo)準(zhǔn)方差降低了88.98%。

圖4 APC 系統(tǒng)投運(yùn)前后反應(yīng)器溫度2TIC0091.PV 的趨勢(shì)

3.2 HCl 精餾塔先進(jìn)控制應(yīng)用效果

APC 系統(tǒng)投運(yùn)前后，2C1001 塔釜溫度2TI0095.PV 的趨勢(shì)如圖5 所示，APC 系統(tǒng)投運(yùn)后標(biāo)準(zhǔn)方差降低了45.33%。

圖5 APC 系統(tǒng)投運(yùn)前后2C1001 塔釜溫度2TI0095.PV 的趨勢(shì)

APC 系統(tǒng)投運(yùn)前后，2C1001 塔中溫度2TIC0093.PV 的趨勢(shì)如圖6 所示。 由圖中數(shù)據(jù)可計(jì)算得出，APC 系統(tǒng)投運(yùn)后標(biāo)準(zhǔn)方差降低了50.15%。

圖6 APC 系統(tǒng)投運(yùn)前后2C1001 塔中溫度2TIC0093.PV 的趨勢(shì)

3.3 R22 產(chǎn)品精餾塔先進(jìn)控制應(yīng)用效果

APC 系統(tǒng)投運(yùn)前后，2C1010A 塔釜液位2LIC0025A.PV 的 趨 勢(shì) 如 圖7 所 示，APC 系 統(tǒng) 投運(yùn)后標(biāo)準(zhǔn)方差降低了59.87%。

圖7 APC 系統(tǒng)投運(yùn)前后2C1010A 塔釜液位2LIC0025A.PV 的趨勢(shì)

APC 系統(tǒng)投運(yùn)前后，2C1010A 塔釜溫度2TIC0029A.PV 的趨勢(shì)如圖8 所示。由圖中數(shù)據(jù)可計(jì)算得出，APC 系統(tǒng)投運(yùn)后標(biāo)準(zhǔn)方差降低了74.98%。

圖8 APC 系統(tǒng)投運(yùn)前后2C1010A 塔釜溫度2TIC0029A.PV 趨勢(shì)

4 效益分析

某企業(yè)年產(chǎn)R22 產(chǎn)品6 萬(wàn)噸，生產(chǎn)裝置DCS崗設(shè)有操作員2 名。 R22 生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)效益從兩方面進(jìn)行分析：

a. 節(jié)能效益核算。APC 系統(tǒng)投運(yùn)前的蒸汽單耗為0.873 t/t，APC 系統(tǒng)投運(yùn)后的蒸汽單耗降低到0.766 t/t，降低幅度達(dá)到12.26%。 按年產(chǎn)R22產(chǎn)品6 萬(wàn)噸計(jì)算，將能耗折算為蒸汽消耗，中壓蒸汽按每噸170 元計(jì)算，通過(guò)投運(yùn)APC 系統(tǒng)降低裝置能耗每年所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為109.14 萬(wàn)元（60000×（0.873-0.766）×170=1091400）。

b. 人力成本分析。隨著先進(jìn)控制系統(tǒng)的全面上線，極大程度地減少了操作人員在正常情況下對(duì)系統(tǒng)的人為干預(yù)， 減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為崗位融合創(chuàng)造了便利條件。 目前，R22 崗位實(shí)現(xiàn)了每班精減1 名操作人員的預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

將先進(jìn)控制技術(shù)和軟件系統(tǒng)應(yīng)用到某企業(yè)R22 生產(chǎn)裝置上，關(guān)鍵控制指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)方差至少降低了45.00%，蒸汽單耗降低了12.26%，實(shí)現(xiàn)了卡邊操作，有效提升了產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗、降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了人力成本，為生產(chǎn)裝置長(zhǎng)久運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳狀態(tài)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為企業(yè)帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益。