汤 阳，徐林强，刘文烈，侯卫锋

（1.巨化集团有限公司 运营督考部，衢州324000；2.浙江中巨智能科技有限公司，衢州324000）

一氯二氟乙烷C2H2ClF2（R142b）可作为高性能功能型含氟聚合物PVDF 的原材料，还主要用于制冷剂、发泡剂、生产偏氟乙烯、温度控制器介质及航空推进剂的中间体，是氟利昂产品中的一类，属于氢氯氟烃类。是重要的化工原料之一。

R142b生产装置包括反应及精馏等生产过程，生产成品主要包含一氯二氟乙烷（R142b）及三氟乙烷（R143a），可通过改变反应器原料偏二氯乙烯（VDC）、无水氢氟酸（HF）进料配比，配合反应温度控制指标变化来调整两种产品的比例。R142b生产装置是典型的非线性、时变、大滞后和多变量耦合的复杂系统。某企业R142b生产装置采用横河DCS 系统，实现了基本工艺参数（如温度、压力、流量及液位等）的显示、记录、累积、报警和设备运行联锁功能，以及整个生产过程的远程操作和控制。由于订单需求变化多、生产负荷变化大、反应催化剂逐渐失活，整个流程控制在零手动改造前以人工调整为主，小部分回路采用PID、串级等实现基础自控。扰动多、人工调节不准确导致装置的关键工艺指标波动大，整个流程运行平稳性差，反应器催化剂寿命短。为提升R142b装置自动化水平，稳定产品品质，延长催化剂使用寿命，降低能耗物耗，该企业决定以先进控制技术（advance process control，APC）为基石，完善基础自动化改造，结合精良装备改造，开发实施R142b 装置自动化改造，建设无人值守装置，实现装置全流程、全过程无人控制，实现DCS 零手动操作控制。

1 R142b生产装置工艺流程简介

R142b生产装置工艺流程介绍：偏二氯乙烯C2H2Cl2与无水氢氟酸HF 由计量泵打入到反应器。反应产物进入回流塔，重组分回流到反应器，塔顶气相出料经冷却后进入HCl 精馏塔。HCL 塔塔釜出料经水碱洗系统去除其中HF 杂质后进入R143a 产品精馏塔，R143a 精馏塔塔顶得到提纯后的R143a成品，塔釜出料进入R143a 回收塔回收部分未精馏完全的R143a；R143a 回收塔塔顶去有机物回收槽后再回到R143a 精馏塔精馏，塔釜去R142b 精馏塔；R142b 精馏塔塔顶得到提纯后的R142b 成品，塔釜重组分送完高沸分离塔进行回收。工艺流程如图1所示。

图1 R142b 装置工艺流程示意图Fig.1 Process flow diagram of R142b plant

反应器中主要发生的反应如下：

生成重组分R141b

生成产品R142b

生成产品R143a

主要组分常温常压下的分子量和沸点，如表1所示。

表1 各组分常温常压下的分子量和沸点Tab.1 Molecular weights and boiling points of components under normal temperature and pressure

2 R142b生产装置零手操系统架构和控制方法

某企业R142b生产装置采用中智达智能模型预测控制软件包Cyb-iMPC 2.0，完成数据采集、建模、控制器设计及控制器组态等工作。零手动操作技术主要包含模型预测控制（MPC）[1]和智能专家控制，其中的MPC 控制算法包含三大本质特征：预测模型预测、滚动优化和反馈校正[2]。

2.1 R142b生产装置零手动操作系统架构

为实现R142b 装置零手动，共建立了9 个先进控制器、4 个智能专家控制器、2 个浓度软仪表。整个控制系统可克服变量强耦合、非线性、大滞后、负荷变化、进料波动等因素的影响，实现对装置各工艺参数的平稳控制，降低劳动强度、提高自动化水平、节能降耗。装置零手动操作控制系统的总体架构如图2所示。

图2 R142b 装置零手动操作系统总体架构示意图Fig.2 Unmanned operating system structure diagram of R142b plant

2.2 R142b生产装置零手动操作控制方法

零手动操作技术的实现首先是基于先进控制软件一对多、多对一、多对多的控制功能。常规施工时，习惯将全流程按装置分割成多个自控模块，每个模块对应一个子控制器。子控制器由控制量MV、受控量CV、扰动变量DV 组成，通过控制器参数组态可实现控制量、受控量的权重分级从而实现复杂装置的解耦控制[3]：控制量MV 可通过优化成本等参数组态、建立智能专家控制器模拟人工调节方式、将关联MV 配置成干扰变量DV 等途径，实现MV参与控制的优先级分布、调节量占比、触发式启用等；受控量CV 可通过目标值等级、上下限等级等参数组态、建立智能专家控制器模拟人工调节方式等途径，实现CV 受控的优先级分布、触发式受控等。引入干扰变量DV 可实现扰动因素的预调，通过这种提前调节来保证受控量的持续平稳。关联装置间可通过物料平衡结合实际测量实现子控制器之间的联动调节，进而实现全流程的自动、同步调节。

针对特殊工况和异常工况，单纯依靠先进控制器难以实现及时、合适的自动调节，因此，零手动操作还要引入智能专家控制技术，通过对操作工的处理方式归纳总结，结合数据分析、化工原理，由实施工程师将触发条件、处理方式等进行整合、程序编译，形成智能专家控制器，实现诸如一键程控、故障自动处理、控制器底层参数自适应调节等功能。

软测量技术在测量环境恶劣、测量手段受限的工况中，可以作为零手动操作的辅助测量手段，该技术的核心是建立工业对象精确可靠的模型[4]：通过历史数据的回归分析，结合相关化工原理建立模型，利用压力、温度等常规指标间接反应纯度、干点等测量难度大、频次低的指标。

2.2.1 反应器零手动操作控制方法

R1101/R1102/R1103 反应器控制目标为：

（1）通过卡边优化，控制反应器的温度、压差、进料比，提高其稳定性；

（2）实现反应器生产负荷平稳自动升降，实现调整负荷过程中的温度、压差、进料比平稳控制；

（3）实现反应器一键蒸釜（停车）及蒸釜过程的稳态控制、一键开车及开车到稳态控制自动过渡。

R1101/R1102/R1103 反应器控制关系如下：

（1）通过HF 进料控制反应器液位HF/VDC 进料比值使其平稳；

（2）通过回流塔塔顶冷媒阀位控制回流塔顶温使其平稳；

（3）通过蒸汽阀位控制反应器温度、回流塔顶压，克服蒸汽压力波动影响，进行分级控制，当压差在控制范围内时优先控制反应温度使其平稳，反之对其进行卡边控制，有效避免高负荷、催化活性低时的回流塔液泛；

（4）通过一键负荷升降专家控制器，实现进料稳步梯度变化至目标值功能，过程中进料比、反应温度根据进料提前预调，控稳过程中的反应温度、进料比；

（5）通过一键蒸釜专家控制器实现重组分蒸除一键程控：反应器运行后期，重组分累积过量将导致催化剂活性下降期，“一键蒸釜”不仅能蒸除重组分，还能保证过程中进料自动停止、不同阶段反应器温度自动控制、回流塔顶压稳步泄压、出料管线自动切换、冷媒自动调节等，控制器底层参数可自适应调节。程控中另针对事故塔超压现象配置了事故判断、自动处理模块，保证全过程安全可靠。此程控也可用于反应器常规停车；

（6） 通过一键开车专家控制器实现一键开车：包含反应器补液位、比例进料、温度控制、升压、出料切换、冷媒调节、负荷提升等自动功能。非稳态-过渡-稳态阶段，相应控制器将自动启停、参数将自适应调节。

2.2.2 HCl 精馏塔零手动操作控制方法

HCL 精馏塔控制目标为：

（1）通过卡边优化，控制HCL 精馏塔的回流比、温度、压差、热负荷、回流罐液位，提高其稳定性；

（2）通过卡边优化，减小回流比、降低HCl 单耗。

（3）通过冷热煤协同调节，参数自适应调节，克服进料波动，实现精馏塔负荷自动升降。

HCl 精馏塔控制关系如下：

（1）通过调节塔顶回流，克服进料负荷扰动、塔釜热水流量的影响，并对塔顶多个温度、回流比进行分级控制，各条件满足后对回流比进行卡边优化，回流比设定值在负荷变化时根据温度变化区间自适应调节；

（2）通过调节塔釜热水流量，克服塔进料量、进料温度、热水温度和塔顶采出料的扰动，对塔下部温度、塔压差、HCl 单耗进行分级控制，当塔釜温度在控制范围内后，优先对HCl 单耗进行卡边优化，使单耗最小化，反之优先控制塔釜温度，单耗设定值在负荷变化时根据温度变化区间自适应调节；

（3）通过调节冷媒液位设定控制回流罐液位使其更平稳。

2.2.3 水洗塔零手动操作控制方法

水洗塔控制目标为：通过卡边优化，控制塔中温度、塔釜液位和回流浓度，提高其稳定性。

水洗塔控制关系如下：

（1）通过调节去有水酸槽阀门开度，克服进料的扰动影响，控制1#塔釜液位使其平稳；

（2） 通过调节冷冻水阀门开度控制1# 塔塔中温度使其平稳；

（3）通过调节工业水补水流量设定控制回流浓度使其平稳。

2.2.4 粗品槽零手动操作控制方法

粗品槽控制目标为：通过卡边优化，控制粗品槽液位，提高其稳定性，兼顾出料稳定。

粗品槽控制关系如下：通过调节出料流量设定模糊控制粗品槽液位，允许液位安全范围内适度波动来保全出料相对稳定，进而减小粗品出料对后续精馏工段的冲击。

2.2.5 R143a 精馏塔零手动操作控制方法

R143a 精馏塔控制目标为：

（1）通过卡边优化，控制塔温度、塔压差，提高其稳定性；

（2）通过冷热煤协同调节，克服进料波动，实现精馏塔负荷自动升降。

R143a 精馏塔控制关系如下：

（1）通过调节塔顶回流流量设定，克服进料负荷的扰动影响，并对塔顶温度、塔压差进行分级控制，当压差在控制范围内时优先控制塔顶温度使其平稳，反之对其进行卡边控制；

（2）通过调节塔釜蒸汽流量，克服进料负荷的扰动影响，对塔釜温度、灵敏板温度进行分级控制，当塔釜温度在控制范围内时优先控制塔灵敏板温度使其平稳，反之对其进行卡边控制。

2.2.6 R143a 回收塔零手动操作控制方法

R143a 回收塔控制目标为：

（1）通过卡边优化，控制塔回流比、液位、热负荷、温度，提高其稳定性；

（2）通过冷热煤协同调节，克服进料波动，实现精馏塔负荷自动升降。

R143a 回收塔控制关系如下：

（1）通过调节塔顶回流流量设定控制回流罐液位使其平稳；

（2）通过调节回流罐出料阀位开度控制回流比使其平稳；

（3）通过调节塔釜热水流量设定，对塔中上部温度、热负荷进行分级控制，当温度在控制范围内时优先控制热负荷使其平稳，反之对其进行卡边控制。

2.2.7 R142b 精馏塔零手动操作控制方法

R142b 精馏塔控制目标为：

（1）通过卡边优化，控制塔温度、塔压差，提高其稳定性；

（2）通过冷热煤协同调节，克服进料波动，实现精馏塔负荷自动升降。

R142b 精馏塔控制关系如下：

（1）通过调节塔顶回流流量设定控制塔中上部温度使其平稳；

（2）通过调节塔釜蒸汽流量，克服蒸汽压力的扰动影响，对灵敏板温度、塔压差进行分级控制，当塔压差在控制范围内时优先控制塔灵敏板温度使其平稳，反之对其进行卡边控制。

2.2.8 软仪表建立方法

软仪表测量对象为：

（1）R143a 精馏塔塔顶主要组分含量；

（2）R142b 精馏塔塔顶主要组分含量。

软仪表建立方法如下：通过化工原理建立软测量算法，同时开放实测化学分析结果校正窗口，通过模型计算结合实际结果校正提高软测量的准确度。

3 R142b生产装置零手动操作应用效果

某企业的R142b生产装置主流程共计196 台动静设备、206 个控制回路、1000 余个控制点。在进行零手动改造前，手工操作次数可达每天1500 多次，报警次数可达每月400 多次；改造完成后实现了连续3 个月手动操作次数每天0 次，报警次数每月30 多次，系统的关键控制指标平稳性得到大幅改善，自动化程度得以大幅提升。下面列举几个关键指标进行对比说明，如图3～图7所示。

图3 反应器温度趋势对比Fig.3 Comparison of reaction temperature trend

图4 HCL 精馏塔中下部温度趋势对比Fig.4 Comparison of temperature trend in middle and lower parts of HCL rectification column

图5 HCL 精馏塔回流罐液位趋势对比Fig.5 Comparison of reflux tank level of HCL rectification column

图6 水洗塔液位趋势对比Fig.6 Comparison of washing tower level trend

图7 水洗塔回流浓度趋势对比Fig.7 Comparison of reflux concentration trend in washing tower

通过数据对比，装置的整体平稳性得以大幅提高，标准方差降低40%以上，生产过程中不需要人工参与调节，实现了真正意义上的零手动操作控制，操作人员变为监盘人员。

4 R142b生产装置零手动操作系统效益分析

某企业年产R142b 产品1.3 万吨、R143a 产品0.2484 万吨，从低压蒸汽、动力电两方面进行效益分析：

（1）蒸汽下降效益核算。改造前的蒸汽单耗为1.221 t/t，改造后的蒸汽单耗降低为0.748 t/t，降低幅度达到38.74%。低压蒸汽按每吨121.87 元计算，通过零手动改造降低装置蒸汽能耗每年所产生的经济效益为

（1.221-0.748）t/t×15484 t/年×121.87 元/t=89.26 万元/年

（2）动力电下降效益核算。改造前的电单耗为410.15 kW·h/t，改造后的电单耗为273.8 kW·h/t，降低幅度达到33.24%。电费按每千瓦时0.563 元计算，通过零手动改造降低装置动力电能耗每年所产生的经济效益为

（410.15-273.8）kW·h/t×15484 t/年×0.563 元/kW·h=118.86 万元/年

合计：

89.26 万元/年+118.86 万元/年=208.12 万元/年

5 结语

零手操控制系统项目改造工程，使某企业R142b生产装置实现了连续3 个月手工操作次数为每天0 次，关键控制指标的标准方差至少降低了40.00%以上，蒸汽单耗降低了38.74%，动力电单耗降低了33.24%，不仅实现了节能降耗、增产增效，还能使装置自动化程度产生质的飞跃，从一定程度上实现生产装置全流程、全过程的DCS 零手动操作。零手动操作系统改造技术在全国如火如荼建设数字化工厂、无人工厂的新时代背景下，为企业保障企业安全、解放生产力、深化和推进工厂数字化改革、建设智能化高地提供了绝佳的实施方法和应用经验。