乙烯精餾塔質量控制中的壓力波動及其改進措施

羅雄麟 趙曉鷹 孫 琳 許 鋆

(中國石油大學信息學院自動化系，北京 102249)

精餾塔是石油化工生產過程中應用廣泛的分離設備，同時也是能耗較多、要求較嚴格且操作條件較苛刻的操作單元。塔內各塔板上同時進行著傳質傳熱過程，各變量之間關聯度較高。乙烯精餾塔是精餾塔中結構最復雜[1～3]，要求最嚴格的分離設備，與一般精餾塔相比，乙烯精餾塔有3個獨具的特征：采用中間再沸器、產品側線抽出與產品質量要求較高。采用中間再沸器是為了回收冷卻量，產品側線抽出可以提高出料產品中乙烯的濃度，避免塔頂產品中甲烷的影響，有脫甲烷功能，使一塔發揮兩塔的作用。雖然可以降低生產成本和操作費用，但同時也增加了塔的自由度，使塔的耦合性增加，比常規精餾塔更難操作和控制。乙烯精餾屬于精密精餾過程，對出料乙烯摩爾濃度要求較高。乙烯精餾塔的操作和控制水平直接關系到乙烯產品的質量、收率和能耗[4～6]。

精餾塔的最直接質量指標是餾出物產品的組成。近年來，對工業色譜在線分析研究較多[7～9]，然而由于組分分析儀表價格昂貴，維護保養困難，可靠性較低[10～13]，故在實際質量控制過程中一般以溫度作為被控變量，根據模型反推得到產品質量。乙烯精餾塔以溫度作為間接質量指標反推得到相應產品質量的重要前提是塔頂壓力穩定不變[14]。然而，實際乙烯精餾過程中，塔頂壓力會受到進料流量、進料組成、回流量、儀表故障及設備管線凍結等諸多因素影響，為此建立乙烯精餾塔動態數學模型，利用流程模擬軟件搭建仿真平臺，通過仿真實驗證明影響塔頂壓力的最主要因素是進料流量。實際乙烯精餾塔的進料來自于上游的4～5個裂解爐，而裂解爐需要每隔一段時間進行清焦處理，導致進料流量和組成有很大變化，使得精餾塔塔頂壓力波動較大，以至于出料溫度與產品質量不能保持穩定，無法滿足精餾塔質量控制的要求。*收稿日期：2014-11-27

實際乙烯精餾過程中，進料流量可測不可控，變化頻繁且變化幅度較大，對壓力影響顯著[15]，對產品質量的控制精度要求十分嚴格。針對上述乙烯精餾塔質量控制過程中，由于進料流量頻繁變化，導致壓力波動的問題，提出將塔底采出量循環反饋至進料口，使得進料流量擾動產生后，且壓力還未發生變化前，根據流量擾動進行控制，補償進料流量擾動，實現進料流量的定值控制。通過仿真實驗表明，采用該改進措施可以將精餾塔塔頂壓力和進料流量均控制在設定值不變，此時出料溫度與產品質量呈一一對應關系，可以用溫度反推得到唯一的產品質量，滿足了乙烯精餾塔質量控制的要求，驗證了該措施的合理性與實用性。

1 乙烯精餾塔壓力波動的因果

由于乙烯精餾塔塔頂壓力受到進料流量、進料組成、回流量、儀表故障及設備管線凍結等多種因素的影響，使得在實際乙烯精餾塔質量控制過程中，塔頂壓力并非穩定不變而是在一定的范圍內波動。由乙烯精餾塔控制方案可知，塔頂壓力受到至回流罐的冷劑量控制，塔頂冷凝劑主要通過壓縮機輸送，而壓縮機流量不可頻繁調節，因而導致壓力控制效果降低，不能穩定不變。

實際化工廠生產過程中乙烯精餾塔裝置一天內的塔頂壓力變化曲線與進料流量波動曲線如圖1所示，可以看出該塔一天內的進料流量波動范圍在4.0%左右，塔頂壓力變化約0.3%，且塔頂壓力隨著進料流量的變大而升高。塔頂壓力主要受到通過壓縮機的冷凝劑流量控制，而該流量受到回流量、塔底再沸加熱蒸汽量和進料流量的影響。為保證該塔的平穩操作，塔頂回流量與塔底再沸加熱蒸汽量不會有大幅變化；回流量和側線抽出量采用定比值控制，以保證固定的回流比不變，因此導致塔頂壓力波動的主要因素為進料流量的波動。

a. 進料流量變化曲線

b. 塔頂壓力變化曲線

應用流程模擬軟件gPROMS建立該乙烯精餾塔的動態數學模型[16]，搭建仿真平臺，保證除進料流量之外其他影響塔頂壓力的條件均不變，僅把進料流量當作唯一的擾動變量，考察進料流量對壓力的影響。

以上述所建乙烯精餾塔動態模型為基礎，保證進料組成及回流量等條件不變，認為儀表良好無故障，設備管線正常，僅給進料流量一個幅值為4%左右的正弦波動信號，仿真得到6h內，在該進料流量擾動信號下塔頂壓力的變化曲線，如圖2所示。可以看出，在保證其他影響塔頂壓力條件不變的情況下，進料流量波動4%左右時，仿真得到該乙烯精餾塔塔頂壓力波動在0.3%左右，與圖1中的實際乙烯精餾塔塔頂壓力變化幅度和變化趨勢均相似，表明導致實際乙烯精餾塔塔頂壓力波動的最主要因素是進料流量的變化。

a. 進料流量變化曲線

b. 塔頂壓力變化曲線

實際乙烯精餾塔質量控制過程中，塔頂壓力若不控制，系統穩定性就會降低，導致穩態誤差一直存在。采取原有控制方案，由于進料流量的擾動，使得塔頂壓力也會發生波動，導致出料溫度與產品質量的對應關系紊亂，由某一溫度不能反推得到正確的產品質量，不符合質量控制的要求。壓力波動情況下，仿真得到的出料溫度與產品質量關系曲線如圖3所示，可以看出同一溫度對應不同的產品質量，表明此時以溫度作為間接質量指標，反推相應的產品質量仍存在缺陷，不能滿足精餾塔質量控制的要求。

圖3 塔頂壓力波動下的出料溫度與產品質量關系

2 改進措施

由上述分析可知，引起精餾塔塔頂壓力波動最主要的因素是進料流量的變化，而進料量是可測不可控的擾動，變化頻繁且幅度較大，對壓力影響顯著。因此，針對實際乙烯精餾過程中壓力波動的問題，提出的改進措施是：將塔底采出量循環反饋至進料口，建立以塔底采出量為操縱變量、進料流量為被控變量的控制系統，補償進料流量的擾動，實現進料流量的定值控制。在進料流量擾動發生且未影響到塔頂壓力之前，通過流量補償方式將進料流量控制在原設定值不變，以保證塔頂壓力也可以穩定不變。采用該改進措施后的乙烯精餾塔流程如圖4所示。

圖4 改進后的精餾塔流程

3 仿真驗證

以圖4所示的乙烯精餾塔動態模型為基礎，應用流程模擬軟件gPROMS搭建經塔底采出反饋循環補償進料流量后的控制系統，仿真獲得如圖5所示的改進措施下進料流量與塔頂壓力的控制效果曲線。可以看出，采用改進措施后，乙烯精餾塔動態模型的控制結果表明：該方法能夠補償進料信號的擾動，使得進料流量可以控制在穩定值不變，相應的塔頂壓力也可以穩定不變，解決了壓力波動造成的各種不足。

a. 進料流量

b. 塔頂壓力

在塔頂壓力穩定的情況下，仿真獲得的溫度與產品質量的關系如圖6所示。可以看出，采用改進措施后，在保證塔頂壓力和進料流量穩定的前提下，溫度和產品質量呈一一對應關系，可以由溫度反推得到相應的產品質量，滿足了實際乙烯精餾塔質量控制的要求，證實了筆者所提措施的合理性和實用性。

圖6 塔壓穩定后的溫度與產品質量關系

4 結束語

通過仿真驗證導致乙烯精餾塔塔頂壓力變化的最主要因素是進料流量的波動，并分析實際乙烯精餾塔質量控制過程中，塔頂壓力波動導致溫度與產品質量不對應的問題。針對該問題，提出將塔底采出量循環反饋至進料口，補償進料流量的擾動的改進措施。仿真實驗表明：改進后，進料流量與塔頂壓力均可以控制在穩定值不變，而此時溫度與產品質量一一對應，可以用溫度表征相應的產品質量，滿足了實際乙烯精餾塔質量控制的要求，仿真結果證實了改進措施的合理性和實用性。

[1] 羅雄麟，左信，陳常恒.乙烯精餾塔軟儀表與先進控制工程實踐[J].化工自動化及儀表，2002，29(1):13～19.

[2] Angsana A，Passino K M，Kevin M.Distributed Intelligent Control of Flexible Manufacturing Systems[C].The American Automatic Control Council eds.Proceedings of the American Control Conference.San Francisco:IEEE，1993:1520～1524.

[3] Lee J H，Dudukovic M P.A Comparison of the Equilibrium and Nonequilibrium Models for a Multicomponent Reactive Distillation Column[J].Comp Chem Eng，1998，(23):159～172.

[4] 何仁初，羅雄麟.乙烯精餾塔仿真平臺的開發與應用[J].計算機與應用化學，2005，22(10):85～90.

[5] 何仁初，羅雄麟.考慮降液管影響的多元精餾塔動態機理建模I.動態機理模型的建立[J].石油學報(石油加工)，2007，23(3):58～62.

[6] 何仁初.面向在線分析應用乙烯精餾裝置復雜機理模型開發[J].石油學報(石油加工)，2012，28(4):670～675.

[7] 劉漢勛，姬尚強.乙烯裝置工業色譜柱及其應用[J].化工自動化及儀表，1980，7(7):467～474.

[8] 曹樹德.工業色譜在輕烴分析中的應用[J].煉油化工自動化，1994，30(7):63～68.

[9] 張菁.硫磺回收裝置在線分析及調節系統[J].石油化工自動化，2003，39(4):8～11.

[10] Stephenson J P.Online Instrumentation of Petroleum Refinery Wastewater Treatment Plants[J].Water Pollution Research Journal of Canada，1989，24(3):435～450.

[11] Smith S.Online Certification and Training for Process Analytical Instrumentation[J].Proceedings of the Annual ISA Analysis Division Symposium，2004，450:152～161.

[12] 胡蘭青.淺談在線分析儀表[J].科技情報開發與經濟，2011，21(9):222～224.

[13] 張一.在線分析儀表在乙烯生產中的應用[J].化工自動化及儀表，1996，23(5):54～57.

[14] 薛美盛，祁飛.精餾塔控制與節能優化研究綜述[J].化工自動化及儀表，2006，33(6):1～6.

[15] 雷楊，張冰劍.基于MINLP的精餾塔進料板位置優化[J].化工進展，2011，30(5):80～86.

[16] 羅雄麟，趙曉鷹.乙烯精餾塔異常工況在線偵測與控制[J].化工學報，2014，65(11)，4517～4523.