氯化氫合成智能化控制技術的開發及應用

李 彪

（云南天冶化工有限公司，云南 文山）

目前，國內氯化氫合成裝置均采用DCS 控制技術，因為氯化氫氣體純度、游離氯含量在線檢測技術成熟性和穩定性尚未得到行業的認可和普及應用，同時由于氯氣、氫氣流量對管網系統壓力極敏感，氫氣和氯氣配比自動控制基本沒有成功的案例[1]。目前國內氯化氫合成爐的氯氫配比控制基本采用DCS遠程手動操作模式。 氯化氫純度通過視鏡觀察火色和人工取樣分析進行判斷。 DCS 操作控制室一般設在合成爐現場，人工分析結果指導生產的滯后性和不同操作人員對通過火焰顏色判斷氯化氫純度的偏差較大，存在著較大的安全風險[2]。 一方面，采用手動控制，氯化氫純度一般慣性為低限控制，過量的氫氣帶入氯乙烯合成裝置， 造成氫資源浪費，增加生產成本。 另一方面，氯氫配比流量失控或操作人員在調整氯化氫純度過程中， 若出現操作失誤，會造成氯化氫過氯，含氯的氯化氫與后系統乙炔接觸會發生激烈反應，導致著火、爆炸事故發生，嚴重危害安全生產。

云南天冶化工有限公司 （以下簡稱 “天冶化工”） 通過對氯化氫合成爐火焰自動監測技術的開發，實現了合成爐火焰顏色和數據庫標準燃燒圖像智能對比，實時分析氯化氫純度，利用交叉限幅的氯氫比值控制方法，智能修正氫氣與氯氣的控制比值，使氫氣與氯氣時刻保持理想比值。 穩定智能控制氯化氫純度的同時，消除了因氯氣、氫氣流量波動或操作失誤導致的氯化氫過氯現象，提升了合成爐控制的本質安全， 同時實現了氯化氫合成智能化控制。

1 氯化氫合成裝置現狀

天冶化工燒堿裝置氯化氫合成工序設有3 臺副產蒸汽型合成爐， 其中1 臺產能≥120 t/d （折100%HCl），其余2 臺產能≥150 t/d（折100%HCl），該裝置在設計負荷的50%～110%范圍穩定運行。 每臺合成爐在控制室內設有兩個火焰觀測口，通過DN150的CPVC 管道將合成爐視鏡內火焰燃燒情況反饋至控制室內的鏡子上，由操作人員對火焰進行人工監火。 將人工觀察火焰顏色變化和單臺合成爐出口氯化氫氣體純度分析結果相結合，對合成爐的氯氣氫氣流量進行調整。 人工火焰監測過于滯后，存在不能及時發現合成爐斷火、過氫、過氯等異常情況發生的現象，導致無法及時作出判斷；并且控制質量較差，人工分析滯后時間長，很難保證合成爐系統運行的安全性和穩定性。 合成爐投用至今，人工火焰監測口視鏡表面被深黃色的冷凝酸覆蓋，導致火焰觀測口變得模糊不清，影響操作人員對合成爐火焰過氯或過氫的及時判斷。 同時，DCS 操作人員在對氯氣氫氣流量進行調整過程中，存在個體對火色判斷的差異、手工氯化氫純度分析的偏差及業務技能的差異，極易導致氯化氫過氯現象的發生，直接威脅到VCM 裝置的安全運行。 另外，隨著氯堿化工企業安全管理相關要求的升級，氯化氫合成爐控制室和合成爐不允許設置在同一個區域，人工監測合成爐火焰很困難。

2 氯化氫合成智能化控制技術的開發及運用

2.1 氯化氫合成爐視鏡自動清洗技術

氯化氫合成爐在使用過程中，由于燃燒過程的放熱反應及蒸汽冷凝，合成爐視鏡會出現模糊的現象，影響火焰檢測的精度及人工觀火的準確度。 為不影響使用，需要定期或擇機停爐拆卸視鏡口進行清洗，因此天冶化工對合成爐視鏡安裝位置、工藝操作模式、日常運行中易出現的問題等進行了總結研究，保持現有視鏡位置不變，自主研發視鏡自動清洗系統， 以實現合成爐運行過程中自動清洗視鏡。

視鏡自動清洗裝置的工作原理是通過自動控制程序定期或不定期對合成爐裝置中的視鏡玻璃進行水沖洗，將玻璃上的冷凝酸污漬沖洗掉，使視鏡可以清晰地觀測到合成爐內火焰顏色的變化情況。 來自外界的清洗水通過自動控制閥，經過PFA軟管進入視鏡清洗模塊， 將水噴灑到視鏡玻璃上。自動控制閥的控制組態引入燒堿DCS 系統，由操作人員通過DCS 系統遠程手動或自動清洗。在手動模式下控制閥的動作需通過手動執行； 在自動模式下，通過對自動清洗時間的預先設定，實現控制閥按預定的程序執行。

視鏡自動清洗裝置主要由PTFE 控制閥、 視鏡自動清洗模塊、PFA 過程軟管等組成。 視鏡自動清洗裝置采用DCS 系統控制編程模式，將自動控制閥直接引入DCS 控制系統，自動清洗裝置安裝示意圖見圖1。

圖1 自動清洗裝置安裝示意圖

3 臺合成爐視鏡自動清洗裝置采用DCS 控制系統控制2 臺控制閥，操作人員通過DCS 系統可進行手動或自動清洗。 項目投運后通過摸索，將清洗時間設定為5 s/次， 將控制箱的清洗時間參數設定為50 min 清洗一次時效果最佳。

2021年4月，天冶化工3 臺合成爐視鏡自動清洗系統改造完成，通過長期的運行觀察，原先視鏡被深黃色結垢附著造成視鏡模糊、結垢問題已得到徹底解決，目前視鏡隨時處于透明狀態，實現定時在線自動清洗，合成爐視鏡自動清洗裝置改造前后視鏡運行效果圖見圖2。

圖2 合成爐視鏡自動清洗裝置改造前后視鏡運行效果圖

2.2 氯化氫合成爐火焰遠程監測技術

為了實現智能化判斷氯化氫合成爐火焰顏色及氯化氫純度，取代原有傳統的人工觀測合成爐火焰、人工分析氯化氫氣體純度的操作模式。 同時通過智能化控制降低因個體判斷差異、人工分析結果的滯后造成氯化氫過氯的操作風險。 天冶化工合成爐火焰遠程監測裝置采用圖形識別技術、 圖像識別、監測及報警于一體的火焰監測系統，由計算機代替肉眼觀察火焰顏色、亮度、形狀、頻率等要素[3]，實現合成爐控制，火焰斷火保護，火焰偏燒保護，過氯保護等。 高清攝像機通過實時監測氯化氫火焰圖像并上傳到PLC 端， 由圖像處理軟件進行圖像識別、對比分析、建立數學模型、運算處理等，通過對火焰顏色和數據庫標準燃燒圖像智能對比，分析出氯化氫在線純度，最后計算出氯氫配比值，同時對過氫、過氯等異常現象進行報警輸出，并將這些輸出數據傳給DCS 系統， 由DCS 系統進行自動調節或者緊急停車。 合成爐火焰檢測流程圖見圖3。

圖3 合成爐火焰檢測流程圖

圖像采集之后對圖像進行噪聲濾除等操作，為后續的特征提取及識別奠定基礎。 然后把預處理的圖像分割成若干個子區域，通過計算得出有效圖像區域。 再對有效圖像區域進行各火焰特征（見圖4）提取、識別、建模及運算，最后經過多特征融合火焰計算出火焰特征值，即氯氫配比值。

圖4 火焰檢測系統圖像識別與處理過程

圖4 為火焰檢測系統圖像識別與處理過程。 將每幀圖像分割成若干個點，通過識別各點數值來計算出所有點火焰分布均值、火焰分布均值差、火焰分布均方差及分布差面積比率等，通過火焰亮區對比來計算出暗區面積比率、臟區比率和火焰閃爍頻率，最后經過多特征綜合建立數學模型，從而計算出火焰特征值，即氯氫配比值。 天冶化工采用了北京奧圖麥森科技有限公司的圖形識別技術，通過建立合成爐燃燒數據庫，結合DCS 系統控制，實現合成爐過氯、過氫、火焰發黃發暗及自動聯鎖停爐的智能控制應用。 火焰監測系統與氯化氫合成爐安裝位置示意圖見圖5。

圖5 火焰監測系統與氯化氫合成爐安裝位置示意圖

天冶化工合成爐遠程監火技術于2021年4月開發完成并應用于生產，通過對監火系統功能進行驗證，實現了以下4 項功能的應用。

（1）合成爐火焰斷火、偏燒保護。 由儀表檢測系統代替人工檢測、判斷，實現實時監測，及時發現合成爐斷火，并進行報警，為合成爐設備安全提供保障。

（2）合成爐火焰顏色發紅、發暗報警。 由儀表檢測系統代替人工檢測、判斷，實現實時監測，及時發現合成爐火焰發紅、發暗的異常情況，并報警，為合成爐設備安全提供保障。

（3）合成爐過氯保護。 由儀表檢測系統代替人工檢測、判斷，實現實時監測，及時發現過氯，保障后序氯乙烯合成工序安全穩定生產。

（4）氯化氫純度在線分析。 通過對火焰顏色和數據庫標準燃燒圖像智能對比，分析出氯化氫在線純度，最后計算出氯氫配比值。

2.3 合成爐氫氣與氯氣流量交叉限幅控制技術的開發運用

天冶化工通過合成爐自動監火系統、視鏡自動清洗系統的開發及應用，氯化氫合成爐已經實現火焰遠程監測。 但仍未實現氯氫配比自動控制及合成爐負荷升降自動控制。 為進一步提升合成爐智能化控制水平，提高設備控制安全性、達到最優燃燒條件，保障合成爐運行安全。 天冶化工對氯氫配比自動控制及合成爐負荷升降自動控制技術進行研究及開發。

（1）在氯氣和氫氣進氣管路上分別增設了DN25調節閥，控制邏輯思路為原合成爐氫氣、氯氣進氣大閥用于升降負荷，小閥用于氫氣、氯氣目標進氣量微調。

（2）利用合成爐監火系統傳回的氯化氫實時純度數據及人工校準分析數據，通過交叉限幅的氯氫比值控制方法， 智能修正氫氣與氯氣的控制比值，實現氫氣與氯氣始終保持理想比值。 在提高產品質量，提升裝置的本質安全、消除合成爐控制安全隱患的同時，實現氯化氫合成智能化控制。

合成爐氯氣與氫氣交叉限幅的控制主回路模塊為氯氣調節器，用來控制氯氣調節閥，并且設定一個初始值；副回路為氫氣調節器，用來控制氫氣流量，把實測氯氣流量和初始設定值通過復雜運算后的結果作為氫氣的設定值；而實測氯氣流量和實測氫氣流量通過復雜運算后的結果作為氫氣的設定值；從而能夠互相制約，互相控制閥門開度，進而限制了氯氣超比值進合成爐的可能性，同時利用在線火焰檢測分析儀測得的分析結果，作為氫氣的偏差糾正比值。

參照燃燒交叉限幅理論設計氯氣、氫氣配比控制，方案原理圖見圖6。首先，氫氣流量、氯氣流量由于設計時給的設計壓力和溫度與實際工況有偏差，需要做溫壓補償，補償公式如下。

圖6 氯氣、氫氣交叉限幅控制原理圖

計算得出的是現在工況下的實際流量。 目標負荷為給定生產負荷目標值（以氯氣量為基準），操作人員根據生產指標輸入目標值； 給定負荷=目標值/時間，R 為比值，氫氣的設定值=max（氯氣的給定負荷×R，氯氣實際流量×R），氯氣的設定值=min（氯氣的給定負荷，氫氣實際流量/R），基于交叉限幅的氯化氫合成爐氯氫比值控制方法，所述通過數學建模得出最優控制值G 的計算公式為：

式中：th——獲取氫氣實際流量值的時間；

tc——獲取氯氣實際流量值的時間；

Rh——第一比值系數；

Rc——第二比值系數；

H0——氫氣設定值；

C0——氯氣設定值；

k——氯化氫占比值；

α——極小值。

實際應用中氫氣、氯氣交叉限幅控制也可以看成兩個相互影響、相互平衡的并聯平行流量調節回路，氯氣流量測量值跟隨比值控制系統影響氫氣設定值，氫氣流量測量值跟隨比值控制系統又影響氯氣設定值，這樣構成“交叉限幅”，當系統平衡時是兩個獨立的流量控制回路，當其中一個流量變化超過一定幅度時，則根據既定的安全方向影響另一個流量達到新的平衡，從而實現氫氣流量大于氯氣流量的動態比值調節。

對氯氣流量通過低位選擇進行限制， 對氫氣流量通過高位選擇進行限制，當設定值變大（升負荷）時氯氣流量受到氫氣流量閉鎖不會升高，氫氣設定值與負荷目標值同步升高，氫氣調節閥動作，實測氫氣升高后，氯氣設定量隨之提高；當設定值變小（降負荷）時，氫氣設定值受到實測氯氣量的閉鎖不會馬上降低， 氯氣設定值隨目標值降低而降低，氯氣調節閥動作，實測氯氣流量降低，氫氣設定值隨之降低。 升降負荷過程和實際人工操作過程相同。

交叉限幅控制無論是氫氣、氯氣單一流量波動還是系統升降負荷均能保證氫氣過量的安全條件，其中某一流量超限時直接影響另一流量，加快了調節速度。 升降負荷和人工操作順序一致。 在調節過程中氯氣、氫氣兩個流量相互感知，相互約束，能滿足氯氣、氫氣自動配比的要求。 交叉限幅從本質上提升了裝置的自控水平， 改進了裝置運行的安全性、穩定性和經濟性。

2.4 合成爐智能控制投運后的消缺控制措施

通過上述交叉限幅比值控制的運用，發現運行過程中仍存在部分瑕疵，為保障極端情況下裝置的安全性，根據實際生產工況開展了5 方面工藝故障邏輯修補。

（1）當生產出現大幅波動時（如氯氣流量計或氫氣流量計故障，其流量顯示值帶“U”或其他不正常數值時；氯氣、氫氣由于系統壓力波動大導致其顯示值不穩定等情況）， 氯氫設定值與氫氣氯氣實際比值的差值絕對值超過0.05 時（即｜氯氫配比實際值-氯氫配比設定值｜≥0.05），氫氣調節閥和氯氣調節閥兩個調節器會同時由自動狀態轉為手動狀態，此時需要人工調節氫氣、氯氣調節閥將氫氣/氯氣實際配比值調節在正常范圍內，當故障消除后再將氯氣氫氣調節閥轉為自動狀態。

（2）氯氣和氫氣流量設置了速率報警，速率超過2%時緊急報警。

（3）氯氣和氫氣緩沖罐壓力設置了高低限報警。

（4）設置了氯氣緩沖罐低于60 kPa 時聯鎖停車。

（5）氯氣調節閥設置的閥位高限限制為閥開度的80%。

3 結論

天冶化工通過氯化氫合成裝置火焰在線自動監測、視鏡自動清洗及氯氫比值控制系統交叉限幅控制技術的開發及應用，實現了氯化氫合成爐火焰顏色和數據庫標準燃燒圖像的智能對比，分析出氯化氫在線純度，根據目標值智能修正氫氣與氯氣的控制比值， 從而實現氫氣與氯氣保持在理想比值。氯化氫合成爐控制由傳統的DCS 控制向智能化控制邁進，合成爐負荷升降、氯化氫純度等只用遠程輸入期望值后，系統自動實現期望負荷及設定氯化氫純度。 整個控制過程平穩安全，提高了產品質量，提升了裝置的本質安全，實現了氯化氫合成智能化控制。