先进控制在三氯氢硅精馏过程中的应用

陈 峰 张伟国 李志刚 张毅楠 云苏和

(内蒙古神舟硅业有限责任公司技术发展部，呼和浩特 010070)

先进控制在三氯氢硅精馏过程中的应用

陈 峰 张伟国 李志刚 张毅楠 云苏和

(内蒙古神舟硅业有限责任公司技术发展部，呼和浩特 010070)

以三氯氢硅精馏工序为应用试点，设计实现了先进控制和优化技术，开发了三氯氢硅精馏过程先进控制系统。应用结果表明：先进控制系统投运后，从过程控制与优化的角度进一步提高了三氯氢硅精馏过程的自动化水平，产品质量和收率得到提高，生产过程安全平稳，实现了三氯氢硅精馏过程的精细化控制。

三氯氢硅精馏过程 先进控制 DCS系统 以太网

目前，多晶硅装置普遍采用Honeywell EPKS集散控制系统和ABB AC800F集散控制系统，能够实现主要工艺参数(温度、压力、流量及液位等)的显示、记录、累计和报警功能与设备运行联锁功能，并对整个生产过程进行操作和控制。但是，从目前的控制结果来看，装置的生产操作总体上仍以人工经验为主，存在操作不及时、调节幅度不匹配等问题。而且不同班组的操作习惯和操作方法仍有显著差异，因此，容易产生工艺指标波动大、产品纯度不稳定、产品收率低的情况。

内蒙古神舟硅业有限责任公司(以下简称神舟硅业)多晶硅生产过程采用的是改良的西门子法工艺，该工艺主要包括三氯氢硅的合成、三氯氢硅的精馏提纯、三氯氢硅的氢还原、合成尾气的回

收和四氯化硅的氢化5个环节。为进一步提高多晶硅装置的自动化水平，改善产品质量，降低消耗，实现挖潜增效，神舟硅业以三氯氢硅精馏工序为应用试点，开发实施先进控制技术，从过程控制与优化的角度进一步提高精馏过程的自动化水平，提高产品收率。

1 三氯氢硅精馏工序工艺简介①

多晶硅生产过程中三氯氢硅精馏工序的工艺流程简图如图1所示。精馏塔系中，粗馏二级塔、精品1塔、精品2塔为组分粗馏系统，精品3塔、精品4塔和末级脱重塔为提纯精馏系统。各塔的功能分别为：粗馏二级塔除硅粉和重沸物，精品1塔、精品3塔和末级脱重塔除重，精品2塔和精品4塔除轻。

图1 三氯氢硅精馏工序的工艺流程简图

2 三氯氢硅精馏工序的先进控制

2.1先进控制技术

模型预测控制是一种基于模型的闭环开放式先进控制策略，具有3个基本特征：模型预测、滚动优化和反馈校正。模型预测控制算法在处理复杂的多变量控制问题时具有较大优势，适用于含有时滞、约束的多变量过程。

智能控制以控制理论为基础，主要包含模糊逻辑控制、神经网络控制和专家控制。对于一些存在严重不确定性和高度复杂性的过程，智能控制理论和方法表现出灵活的决策方式和应变能力。

软测量技术依据某种最优化准则，选择与被估变量相关的一组可测变量，构造某种以可测变量为输入、被估变量为输出的数学模型，并用计算机软件实现重要过程变量的估计[1～3]。

2.2先进控制系统总体结构

笔者设计的三氯氢硅精馏工序先进控制系统的总体结构如图2所示。

图2 三氯氢硅精馏工序先进控制系统的总体结构框图

2.3先进控制策略

2.3.1装置运行的安全性和稳定性

先进控制应充分考虑精馏塔装置冷却设备的性能和塔釜加热性能，避免冷却、加热负荷不合适，导致塔压偏高或加热负荷过大进而引起设备运行不正常。同时，应克服内外部干扰因素和内部物料交叉换热耦合，实现冷、热物流的物料平衡和能量平衡，并通过动态优化控制，确保装置安全稳定运行。

2.3.2平稳控制和“卡边”优化

根据三氯氢硅精馏工序工艺特点和过程控制现状，总结工艺专家和优秀操作员的经验，采用先进控制技术，建立各塔先进控制器，将过程模型和专家控制相结合，实现对过程关键工艺参数变化敏感区域的温度、液位、压力及冷后温度等的平稳控制和分级优化，保持系统内的物料平衡和能量平衡，稳定生产工况。同时，适应上下游生产负荷变化的需求，实现工况渐变调整，防止工况大幅波动，保证产品纯度。为此，采用流程模拟技术，结合精馏原理和实际生产现状，对精馏塔的分离性能、节能潜力等进行评估分析，找到系统的最优工艺参数，并对相关工艺参数、回流比等进行“卡边”优化，使各项工艺指标趋向低能耗、高收率的稳态工作点。

2.3.3产品质量控制

针对粗馏系统中的粗馏二级塔、精品1塔和精品2塔，根据精馏原理和精馏塔组分、温度分布特点，特别关注组分变化敏感区域，结合实际生产过程数据和馏分化验数据，考虑精馏系统内外部干扰因素，回归建立塔顶或塔釜采出馏分组分含量与精馏塔运行数据的软测量模型，实时预测实际生产过程中组分含量随工况的变化趋势。先进控制器自动调整回流量、加热蒸汽量、塔顶采出量及塔底采出量等，实现对塔釜、塔顶馏分组分含量的精细化控制，保证轻、重组分的分离效果，并尽可能减少三氯氢硅组分的切出，为最终的产品质量和产品收率提供保障。

针对精馏系统中的精品3塔、精品4塔和末级脱重塔，首先，设计并搭建各精馏塔先进控制器，克服内外部干扰因素，实现各精馏塔的总体物料平衡和能量平衡，提高综合自动化水平。其次，统计分析下游最终产品质量化验分析数据与精馏过程响应滞后时间、精馏塔工况的对应关系，并通过回归分析建立具有普遍规律的关系模型，将之纳入先进控制器，根据产品质量的波动情况实时优化调节精品3塔、精品4塔和末级脱重塔的回流比，确保精馏产品质量，提高三氯氢硅收率。同时，在一定程度上改善回流比严重过剩的现状，适当减小操作弹性，充分挖掘装置潜力，实现节能降耗。

2.3.4智能诊断与监控

利用精馏生产运行过程的实时信息和历史信息，运用多维数据统计分析和数据挖掘技术，建立工况、设备的智能诊断与监控策略，实现对生产中可能出现的仪表故障、工艺指标超限等异常状况进行报警和处理，保证生产运行安全。

2.4先进控制器的设计

笔者以三氯氢硅精馏工序中的粗馏二级塔为例，介绍先进控制器的设计思路。

2.4.1控制器变量选择

粗馏二级塔主要进行硅粉、部分重沸物杂质与四氯化硅、三氯氢硅、二氯二氢硅、低沸物杂质的分离。根据其生产工艺特点，粗馏二级塔相关控制变量的耦合关系如图3所示。

图3 粗馏二级塔控制变量的耦合关系

2.4.2控制器模型

通过对粗馏二级塔的阶跃测试和生产数据的深入分析，笔者采用APC-Adcon先进控制软件对其控制器进行模型辨识，并采用历史数据对模型进行拟合验证，以得到符合粗馏二级塔工艺特性和过程控制要求的控制模型。粗馏二级塔控制器模型矩阵见表1。

表1 粗馏二级塔控制器模型矩阵

2.4.3控制器参数设计

笔者采用APC-Adcon先进控制软件中的多变量预测控制算法建立粗馏二级塔多变量约束控制器模型，并将辨识得到的模型作为控制器的内部模型，同时设置合适的参考轨迹、操作变量约束、被控变量约束、优化方法、控制结构和一系列相关控制参数，实现对粗馏二级塔各工艺指标的分级优化控制。

操作变量控制参数包括控制等效偏差、平滑系数、控制时域、优化目标方法、优化成本、操作上下限、工程上下限、有效上下限、优化最大/最小增量及控制最大/最小增量等。

被控变量控制参数包括控制权重、时滞、最大/最小优化增量、最大/最小控制增量、操作约束上下限、操作约束等级、操作约束上下限等级、操作约束控制等效偏差、设定值优化等级、设定值区域上下限及设定值优化等效偏差等。

被控变量的优化等级与控制模式见表2。

表2 被控变量的优化等级与控制模式

粗馏二级塔先进控制器通过实时动态优化调节进料流量、再沸器蒸汽流量、回流量、塔顶采出流量、塔釜采出流量及冷却水调节阀开度等操作变量，以克服蒸汽压力波动和进料组分波动，实现粗馏二级塔整体物料平衡和能量平衡；通过平稳控制塔釜液位和回流罐液位，实现塔内温度的合理分布，保证塔釜温度和塔顶温度平稳，提高分离精度。在此基础上优化回流比，使再沸器蒸汽流量与回流量合理匹配，保证分离效果，维持经济运行。

3 先进控制的实现

3.1DCS系统要求

三氯氢硅精馏工序先进控制系统建立在DCS常规控制的基础上，要求装置各控制回路必须配置性能良好的执行机构(调节阀)和测量仪表。

DCS系统必须具备标准OPC接口，先进控制上位机能够通过OPC接口采集DCS系统上装置的全部测量数据。同时要求OPC接口具有数据读写功能，且性能稳定，满足先进控制系统所需的通信点数和通信速率要求[4～6]。本项目要求OPC接口软件支持1 000点数值的读写功能，并至少满足每秒500点数据读取和每秒50点数据写入的要求。

DCS系统必须具备自定义建点、编程和画面组态功能，并要求DCS控制站具有一定的运算余量，确保上述内容加载后整个系统的安全平稳运行。

3.2软硬件平台结构

先进控制系统的硬件结构如图4所示。先进控制系统上位机通过HUB或交换机与安装有标准OPC接口软件的服务器连接在以太网上，使上位机与DCS现场控制站之间建立物理链接完成数据传送。

图4 先进控制系统的硬件结构

先进控制系统上位机安装的软件有Windows Server 2008操作系统、中控APC-iSYS先进控制平台软件和APC-Suite先进控制系列软件。DCS系统工程师站或操作站上安装相应的OPC接口软件。上位机通过OPC接口软件与DCS系统工程师站连接，并通过内部协议建立数据传送的物理链接(图5)[7]。

图5 上位机与DCS系统工程师站的连接示意图

3.3安全策略与操作界面

为实现先进控制与常规控制之间的切换，需要在DCS系统上建立实施先进控制所需的中间变量，包括DCS通信保护程序相关位号、控制器开关位号、报警位号和先进控制系统位号。

通过在DCS上建立通信监控程序，使DCS系统具备自定义编程功能。当发生上位机和DCS之间通信中断或上位机死机等异常状况时，可及时切除先进控制系统，并给出报警提示，以便操作人员进行处理，保障系统安全。

安全切换程序的主要目的是实现先进控制系统与常规控制系统的切换工作。为了使先进控制系统具有良好的灵活性，先进控制系统每一回路均可自由切换。

先进控制系统操作界面主要实现系统总开关、各控制变量回路上下限和各分系统开关的输入与显示功能，还包括各子控制器开关的输入与显示、控制器运行状态监控和其他相关报警功能。整个操作界面的设计思路应尽可能与操作人员的操作方式相符。

4 项目实施效果

4.1工艺参数运行平稳性分析

还原精馏一级塔T0621A和T0621B在两种控制系统下的工艺参数对比分别如图6、7所示。可以看出，先进控制系统投运后，还原精馏一级塔T0621A和T0621B各关键工艺参数的平稳性均有明显改善，标准差减少百分率均在50%以上。

a. 常规控制

b. 先进控制图6 还原精馏一级塔T0621A的工艺参数对比

a. 常规控制

b. 先进控制图7 还原精馏一级塔T0621B的工艺参数对比

4.2投运率分析

先进控制系统投运率为D天内先进控制系统连续投运时间占先进控制系统运行总时间的百分比；控制回路投运率为D天内所有先进控制回路投运时间平均值占先进控制系统运行总时间的百分比。

图8中，4天内先进控制系统运行时间96h，通过数据统计，49个先进控制回路投运时间平均值为90.07h，则控制回路的操作变量投运率x=90.07÷96×100%=93.82%。因此本先进控制系统运行效果较好，提高了装置的自动化水平，降低了人员劳动强度。

图8 先控控制回路的数量

4.3节能率分析

分别选取先进控制系统投运前(2015年6、7月)与先进控制系统投运后(2015年9、10月)的生产统计数据，对它们进行分析和比较，结果见表3。可以看出，投运前与投运后相比，产品蒸汽单耗减少了3.839%。因此，通过实施先进控制系统，在大幅提高装置运行平稳性的基础上，减少了蒸汽消耗，节约了能源[4]。

表3 先进控制系统投运前后的生产数据对比 t

5 结束语

三氯氢硅精馏过程先进控制系统的实施，提高了精馏塔的综合自动化水平。与常规控制相比，在保证产品质量的情况下，关键工艺参数的标准偏差(波动幅度)降低了30%以上。基于装置的平稳操作，对精馏塔工艺指标、回流比等进行了“卡边”优化，挖掘了装置潜力，在保证产品质量和收率的前提下，年降低产品蒸汽消耗量在2.5%以上，先进控制系统的投运率达到了90%以上，减少了人为干扰，降低了劳动强度。先进控制系统投运后，工艺参数控制更平稳，更有利于产品质量的控制。并且能够独立完成与DCS间的通信，保证DCS系统的正常运行，实现先进控制系统与DCS系统的无扰动切换。

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ApplicationofAdvancedControlTechnologyinTrichlorosilaneDistillation

CHEN Feng, ZHANG Wei-guo, LI Zhi-gang, ZHANG Yi-nan, YUN Su-he

(TechnicalDevelopmentDepartment,InnerMongoliaORISICo.,Ltd.,Huhhot010070,China)

Through taking trichlorosilane distillation for trial, both advanced control technology and its optimization was designed to develop the advanced control system for trichlorosilane distillation.Application results show that, this system can promote the stability of production, further improve the automation level of the trichlorosilane distillation, including the product quality and yield.

trichlorosilane distillation control, advanced control, DCS, Ethernet

TH862

B

1000-3932(2016)10-1021-08

2016-08-31(修改稿)