先進(jìn)控制系統(tǒng)在甲醇精制過程中的應(yīng)用

吳 培 張本峰 樊安靜

(河南心連心化肥有限公司 河南新鄉(xiāng)453731)

0 前言

近年來甲醇市場(chǎng)持續(xù)低迷，部分甲醇生產(chǎn)裝置被迫減產(chǎn)或停產(chǎn)，裝置利用率大大降低。為了擺脫困境，一些合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇企業(yè)對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)裝置進(jìn)行技術(shù)了改造、生產(chǎn)工藝優(yōu)化。在聯(lián)醇生產(chǎn)過程中，甲醇精餾成本在甲醇生產(chǎn)總成本中所占比例很大，為了降低聯(lián)醇生產(chǎn)成本，許多企業(yè)都對(duì)甲醇的精餾工藝進(jìn)行了技改，以降低甲醇精餾過程中的能耗。例如，將二塔精餾工藝改為三塔雙效精餾工藝，大大提高了精餾效率，降低了精餾過程中的蒸汽消耗，最終大幅降低了精餾過程的成本。目前，河南心連心化肥有限公司二分公司精醇裝置采用三塔精餾工藝，即在二塔精餾的基礎(chǔ)上增加1臺(tái)加壓塔，實(shí)現(xiàn)三塔雙效精餾。該裝置設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力100 kt，實(shí)際年產(chǎn)量達(dá)到120 kt。正常生產(chǎn)時(shí)，采用中控ECS-100集散控制系統(tǒng)，并對(duì)多數(shù)控制回路采用PID控制。本次技改將在現(xiàn)有DCS控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用多變量預(yù)測(cè)控制軟件Tai-Ji MPC對(duì)精醇裝置生產(chǎn)過程實(shí)施先進(jìn)控制，有效解決了常規(guī)控制系統(tǒng)中存在的問題，進(jìn)一步降低了能耗，提高了精醇的收率。

1 研究背景

從總體上看，實(shí)施精醇裝置生產(chǎn)過程先進(jìn)控制的目標(biāo)在于提高精醇裝置的自動(dòng)化水平，提高裝置抗干擾能力和關(guān)鍵工藝參數(shù)的平穩(wěn)率，提高裝置常減壓蒸餾的收率、降低裝置能耗和減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。從精醇裝置的控制現(xiàn)狀分析中看出，常規(guī)PID控制本質(zhì)上是一種單輸入、單輸出控制系統(tǒng)，無法將相關(guān)的多項(xiàng)變量統(tǒng)籌考慮并協(xié)調(diào)控制。精醇裝置的生產(chǎn)過程是一個(gè)復(fù)雜的精餾過程，擾動(dòng)多，各變量之間耦合嚴(yán)重，采用單回路的控制方式并不合適；而采用先進(jìn)控制系統(tǒng)，可以統(tǒng)籌考慮，抑制裝置能量流和物料流的波動(dòng)，消除各控制器之間的相互耦合，可大幅提高裝置運(yùn)行的平穩(wěn)度。

在精醇裝置中，一些重要的質(zhì)量指標(biāo)與控制指標(biāo)之間還存在較大的差距，未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的“卡邊”控制。在采用先進(jìn)控制系統(tǒng)、提高產(chǎn)品質(zhì)量的平穩(wěn)度后，進(jìn)一步采用“卡邊”控制，可提高輕組分總收率、增加高價(jià)值產(chǎn)品的產(chǎn)量，并且可以降低能耗，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2 技術(shù)改進(jìn)

2.1 先進(jìn)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本次技改是將多變量預(yù)測(cè)控制技術(shù)、軟測(cè)量技術(shù)和工藝計(jì)算技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，在實(shí)施先進(jìn)控制過程中，采用1個(gè)控制器將所有變量放入其中，但相互之間的關(guān)系是通過與工藝人員之間的配合再確定。先進(jìn)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 先進(jìn)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 控制優(yōu)化策略

(1)單塔內(nèi)部的多變量控制。單塔內(nèi)部的協(xié)調(diào)控制，將相互耦合的變量放入1個(gè)多變量控制器中，利用模型自動(dòng)進(jìn)行解耦控制，包括塔頂回流罐液位的范圍控制(范圍內(nèi)不作控制，若超出所設(shè)定的安全邊界，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整)。

(2)前塔與后塔之間的協(xié)調(diào)控制。由于連續(xù)精餾無緩沖罐，故前塔與后塔之間存在耦合問題。策略上，應(yīng)盡可能穩(wěn)定后塔的進(jìn)料，以保證后塔的穩(wěn)定；而對(duì)前塔的液位，應(yīng)進(jìn)行范圍控制(范圍內(nèi)不作控制，若超出所設(shè)定的安全邊界，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整)。

(3)克服蒸汽波動(dòng)干擾。使用模型控制和策略控制，優(yōu)先使用低壓蒸汽，同時(shí)應(yīng)盡量保證塔底加熱的穩(wěn)定。

(4)減少質(zhì)量過剩。使用軟測(cè)量技術(shù)來計(jì)算當(dāng)前產(chǎn)品的質(zhì)量，作為控制的參考。若可能，將軟測(cè)量結(jié)果投入閉環(huán)自控。

(5)減少塔頂電耗。可根據(jù)需要投入塔頂蒸發(fā)冷凝器出液溫度自動(dòng)控制，以電機(jī)變頻來進(jìn)行控制，避免不必要的過冷。

2.3 安全切換邏輯的設(shè)定

為了保障系統(tǒng)安全，在先進(jìn)控制系統(tǒng)上位機(jī)與DCS之間的通訊中斷、上位機(jī)發(fā)生死機(jī)等異常狀況時(shí)，應(yīng)切除先進(jìn)控制系統(tǒng)，并給出報(bào)警提示，便于操作人員及時(shí)進(jìn)行處理。這些功能可以通過MPC軟件中自帶的 “看門狗”(Watch Dog)程序來實(shí)現(xiàn)，安全切換程序的主要目的是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)的切換工作。為了使先進(jìn)控制系統(tǒng)具有良好的靈活性，先進(jìn)控制系統(tǒng)每一回路均可以自由切換。安全切換程序包含5個(gè)方面：先進(jìn)控制回路的投運(yùn)、先進(jìn)控制回路的切除、先進(jìn)控制系統(tǒng)與常規(guī)控制之間的無擾切換、先進(jìn)控制計(jì)算值校驗(yàn)以及先進(jìn)控制切換報(bào)警。先進(jìn)控制系統(tǒng)切換邏輯框圖見圖2。

2.4 軟、硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)和配置

物理通訊實(shí)現(xiàn)后，需要通過安裝相應(yīng)軟件才能完成先進(jìn)控制系統(tǒng)與DCS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交互，其涉及的軟件有MPC軟件Tai-Ji MPC和OPC Server軟件授權(quán)。

OPC Server軟件是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制系統(tǒng)上位機(jī)與DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的橋梁。OPC服務(wù)器通過DCS通訊協(xié)議獲取DCS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)，然后以標(biāo)準(zhǔn)OPC接口向先進(jìn)控制系統(tǒng)上位機(jī)發(fā)布，MPC軟件從 OPC服務(wù)器獲取或發(fā)布數(shù)據(jù)。軟件系統(tǒng)集成方案見圖3。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

精醇裝置引入先進(jìn)控制系統(tǒng)后，提高了精醇的收率，并且降低了能耗。精醇中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了0.2%～0.4%，年節(jié)省費(fèi)用50～100萬元；蒸汽消耗降低了1%，年節(jié)省費(fèi)用10萬元；合計(jì)年節(jié)省費(fèi)用60～110萬元。

圖2 先進(jìn)控制系統(tǒng)切換邏輯框圖

圖3 軟件系統(tǒng)集成方案

先進(jìn)控制系統(tǒng)增強(qiáng)了精醇裝置的抗干擾能力，提高了裝置的運(yùn)行平穩(wěn)率；在此基礎(chǔ)上，通過“卡邊”操作和并聯(lián)設(shè)備之間的負(fù)荷優(yōu)化，以平衡各塔運(yùn)行工況，降低了蒸汽消耗，并大幅度降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。