先進控制技術在VCM合成負荷分配中的應用探討

張 立

（新疆天業（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品附加值的一種方法，在我國得到了廣泛的應用。電石水解產生的乙炔氣體與氯乙烯氣體在合成轉化器中進行反應，生成的產物經精制即可得到高純度的VCM[2]。

VCM 合成裝置屬于氯堿工業中的中間裝置，其原料為氣體，不僅受前續裝置的穩定性的影響，也因回收氯乙烯帶水而影響合成爐配比的穩定控制[3]；另外，由于單套設備的加工能力限制，通常VCM 合成裝置需要采用多條線并聯的生成方式，這極大地增加了設備間的耦合關聯，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要求，利用多變量模型預測、專家控制以及軟測量等先進控制技術解決裝置平穩控制、變量耦合等問題[4-8]，實現VCM 合成過程配比穩定控制的前提下，實現各條線加工負荷的分配[9]，達到降低操作勞動強度，提升裝置控制穩定性的目標。

1 VCM 合成控制現狀分析

1.1 VCM 合成流程簡介

VCM 合成轉化器部分作為VCM 精餾的前續裝置，是VCM 裝置的一個組成部分。其主要作用是實現氯乙烯及乙炔在合成轉化器中反應， 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裝置過來，分別分成3 個支路后，進入3 條線的合成轉化器進行反應，反應完成經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 控制系統實現了基礎的自動控制，但由于裝置的特殊性，單回路的PID 控制難以解決存在復雜干擾以及變量耦合的裝置控制問題。因而，常規生產操作還存在如下的改進方向：

1）配比的穩定控制

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據以及水堿洗系統的組合塔塔溫的變化作為參考，手動調節進各反應器的氯化氫、乙炔流量，實現配比控制，但由于化驗分析時間間隔長且與實際生產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，故以化驗分析數據以及后續流程的塔溫作為調節依據難以滿足快速調整的要求，也難以保證控制過程的穩定性。

2）加工負荷的分配

VCM 合成部分屬于加工裝置的中游部分，前續乙炔及氯化氫裝置的提降量，以及合成轉化器本身的問題都會引起3 條線間的不同負荷需求。正常生產過程中，需要不斷地根據乙炔及氯化氫總管壓力等判斷負荷總量情況，同時，需要根據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，需要適當地將加工負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對配比的穩定控制。

2 氯乙烯合成裝置先進控制系統設計

2.1 先進控制系統框架設計

根據VCM 合成裝置的特點，VCM 合成裝置先進控制系統從負荷平衡、配比平穩以及安全控制的角度出發，利用模型預測控制、專家控制以及軟測量相結合的方式實現裝置的整體控制，如圖2所示。

VCM 合成裝置先進控制系統利用OPC 標準接口在DCS 系統的上層實施。該先進控制系統共包含負荷分配、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， 實現配比平穩控制后，負荷分配以及組合塔溫度的控制即可實現平穩控制。

2.2 先進控制系統功能設計

2.2.1 負荷分配系統

利用專家控制策略對VCM 合成的負荷分配系統建立知識庫，分別針對正常生產情況下的負荷分配、乙炔或氯化氫裝置出現生產波動時的負荷分配以及某條線的合成轉化裝置出現故障時的負荷分配進行操作經驗總結，結合生產工藝要求，建立不同情況下負荷分配的操作思路及操作步驟，為后續的配比控制提供調節目標及依據，如圖3所示。

（1）實現乙炔及氯化氫裝置生產工況的實時監測，確定VCM 合成加工負荷；

（2）實現VCM 合成裝置生產工況的實時監測，確定單條線加工能力；

（3）實現VCM 合成裝置單條線生產負荷目標的計算，并給定配比控制系統實現負荷分配控制。

圖3 VCM 合成裝置負荷分配子系統圖Fig.3 Structure of VCM synthesis load distribution system

2.2.2 配比及組合塔溫度控制系統

配比及組合塔溫度的控制主要采用多變量模型預測控制策略實現。實現配比的穩定控制以及組合塔盡量減少稀酸產量的控制。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，在實現配比穩定控制的前提下，方能確保負荷分配按照既定的目標實現。

（1）實現正常生產過程中，克服解析氯化氫流量及組分波動對配比控制的影響， 實現配比的按需、穩定調節；

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

（3）實現給定負荷目標的快速、穩定調節，并確保配比滿足要求。

該系統涉及的變量如表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

VCM 合成最大的控制難點在于原料氯化氫的純度波動較大，造成配比無法統一，由于難以判斷準確的配比， 需要根據化驗分析進行事后分析，因而無法實現配比的實時調節。上游氯化氫裝置的氯化氫純度相對較穩定且可測量，而解析系統返回的氯化氫則無法進行準確的計量， 要實現VCM 合成配比穩定調節，最重要的就是了解解析系統氯化氫的純度。采用軟儀表策略，對組合塔氯化氫吸收量進行建模，分析后續解析系統氯化氫解析量，從而為下一時刻配比的穩定控制提供指導。通過軟儀表策略，對組合塔吸收過程以及解析系統解析過程進行機理分析，結合生產過程實際數據，分別建立混合氣氯化氫含量、 解析系統氯化氫流量以及氯化氫純度等的軟儀表， 利用化驗分析數據進行校正以及準確度驗證，為配比及組合塔溫度控制系統提供指導及參考。

3 先進控制系統投入運行后的效果

VCM 合成負荷分配先進控制系統投入使用后，實現了長周期的連續運行，有效地解決了操作人員操作勞動強度大的問題，關鍵控制點的控制平穩性得到了很大程度的提高。混合氣氯化氫含量化驗分析穩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， 對比結果如圖4所示，統計方差對比結果如表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， 先進控制系統投運后，化驗分析所得的混合氣中的氯化氫含量明顯平穩，且未超過10%的控制指標，為后續裝置進一步優化提供了保障。

2）組合塔溫度結果對比

組合塔溫度結果對比及統計分析，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應用后，通過平穩控制實際配比，克服組合塔間的耦合影響，在實現組合塔溫度的平穩控制的基礎上，實現負產酸的控制目標。

3）組合塔補水量結果對比

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定，同時也為裝置負產酸的目標提供了可能。

4 結語

VCM 合成先進控制系統是綜合了多變量模型預測控制、智能專家控制以及軟測量等策略形成的先進控制系統解決方案，該方案實現了配比控制以及負荷分配等核心目標，很好的適應此類裝置的特點，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性、安全性，具有很好的推廣應用價值。