分壁塔控制方法研究進展

高 明，王 兵，高景山 ，薄徳 臣

（1. 中國石油化工股份有限公司 撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001；2. 中國石油天然氣股份有限公司 撫順石化分公司石油三廠， 遼寧 撫順 113001）

分壁塔控制方法研究進展

高 明1，王 兵2，高景山1，薄徳 臣1

（1. 中國石油化工股份有限公司 撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001；2. 中國石油天然氣股份有限公司 撫順石化分公司石油三廠， 遼寧 撫順 113001）

對于多組分分離，分壁塔具有極大的應用潛力。它能大幅度的降低裝置能耗、提高熱效率、減少設備投資，同時能獲得高純度的產品。然而，高的能量利用率和穩定的操作離不開可靠有效的控制方法，其也是制約分壁塔大規模應用的因素之一。分別從三點控制、四點控制、先進控制和溫差控制等方面重點闡述了分壁塔在控制方面的研究進展，為今后的研究和工業應用提供理論基礎和技術方向。

分壁塔；控制；研究進展

在石油化工領域中，精餾過程是最為成熟、應用最為廣泛的分離過程，其主要的缺點是能耗高，其能耗占整個石油化工工業用能的 40%左右[1]。近年來，國家對節能環保的大力要求，使得對精餾過程的節能技術研究具有極其重要的意義。分壁蒸餾技術于60多年前被提出[2]，其針對三組分物系分離，將常規兩塔分離變成一塔分離，在塔中間添加分隔壁（以下簡稱分壁塔），實現三組分物系的精確分離[3]。與傳統的三組分精餾序列相比，它具有熱力學效率高、能耗低和產品純度高等優點，并且降低了設備投資和維護的費用[4]。研究表明，對于不同的物系，分壁塔可節約 10%～60%的能耗，10%～50%的設備投資[5]。經過幾十年的發展，分壁塔相關技術已有了長足的發展，自1985年BASF公司制造了世界上第一座工業化的分壁塔以來，全球已有近100座分壁塔投入生產運行，而且工業投產量還在逐年增加，未來50年分壁塔將會成為主要的精餾技術[6]。

分壁塔技術將傳統的三組分精餾序列中的兩塔合并成一個塔，因此兩塔的控制條件都被集中到一個塔上，系統的自由度大大增加，導致分壁塔操作的穩定性降低，其操作的復雜性和控制難度大大的提高了，這也是制約分壁塔大量工業化的重要原因之一[7]。近年來隨著信息技術的快速發展，在控制技術和模擬軟件等方面技術有了長足的進步，眾多學者在分壁塔穩態模擬、動態模擬、控制方法和控制算法方面做了大量的研究。本文旨在介紹分壁塔典型的控制方法，為今后的研究提供理論基礎和應用方向。

1 問題描述

分壁塔示意圖如圖1所示，在傳統精餾塔中沿著塔體軸向焊接（或非焊接）一個分隔壁，將塔體分為左右兩側，因此該塔分為四個部分，分別是預分餾段、公共精餾段、公共提餾段和側線采出段，分隔壁上下分別共用一段精餾段和提餾段。根據分壁塔的結構可以看出，分壁塔有8個自由度，分別是冷凝器負荷Qc、塔頂抽出量D、側線抽出量S、塔底抽出量B、液體回流量L、再沸器負荷V、液相分配比βL和氣相分配比βV。其中液相分配比βL是指液體從公共精餾段進入預分餾段和側線抽出段流量的比值，其可作為操縱變量；而氣相分配比βV由于在設計階段已由水力學條件（壓力降和流動阻力）確定，因此不應作為操縱變量，所以分壁塔共有7個自由度。

圖1 分壁塔示意圖Fig.1 Schematic diagram of DWC

一般來說，分壁塔的塔頂抽出量D或塔頂回流量L用來控制回流罐液位；塔底抽出量B或再沸器負荷V用來控制分壁塔液位；冷凝器負荷Qc控制塔頂壓力；用剩下的四個操縱變量L或D、B或V、S和βL去控制三個產品的純度，這意味著還剩下一個操縱變量，往往用其來實現其他控制目標，諸如全塔能耗最小化等等[8-10]。

2 控制方法介紹

近年來，越來越多的學者針對不同的物系探索了分壁塔的控制方法，取得了大量了研究成果，并模擬了整個動態過程，驗證了其控制性能。同時將各種建模方法和控制算法應用于分壁塔控制中，證明了其在分壁塔應用的可行性。

2.1 三點控制結構

三點控制結構是最簡單最實用的控制結構，該控制結構由Wolff和Skogestad[11]提出，用D和B分別控制回流罐和塔底液位，用L、S和V分別控制三組分產品的純度，控制方法縮寫為DB/LSV。Wolff和Skogestad[11]針對乙醇、丙醇和丁醇物系應用了該控制方法，能夠很容易實現系統的穩定操作，但是當進料組成有變化時，控制效果并不是很好。

而三點控制結構還有另外三種控制方法，其簡寫分別是LV/DSB、DV/LSB和LB/DSV三種控制方法。李軍[12]等將上述四種三點控制方法應用于苯、甲苯和二甲苯分離中，選擇產品的組成作為被控變量，并且在Aspen Dynamic平臺上模擬了上述四種典型控制方法，分別對進料流量和進料組成實施±10%的擾動，其結果表明LV/DSB控制策略性能最好，控制器調節時間最短，最大偏差最小。其隨后還探索了用產品溫度-組成的串級控制來實現LV/DSB控制策略，結果表明，串級控制效果要好于單回路控制。相類似的，San-Jang Wang[13]等也研究了三點控制結構，旨在能量最小化和產品純度之間找出平衡區域，研究結果發現，在三點控制結構下使用溫度-組分串級控制能夠實現該目標，并且對進料流量、液體分配率和氣體分配率的干擾有很強的穩定性。而且引入了相對增益矩陣（RGA）來計算控制變量和操縱變量間的耦合度，以確定二者之間的最佳匹配，降低了系統的耦合度，取得了更好的控制效果。Serra[14]等引入動態矩陣控制器（DMC）來替換傳統PID控制器，雖然獲得了更好的控制性能，但是其也指出更好的控制性能主要取決于分壁塔的設計。

三點控制結構是最簡單的控制結構，研究結果表明，針對不同的物系，需要選擇不同的控制方法。而確定控制方法后，采用溫度-組分串級控制方法抗干擾能力更強。通過計算控制變量和操縱變量間的相對增益矩陣，找出兩者的最佳匹配，能夠降低系統的耦合度，提高系統操作的穩定性。

2.2 四點控制結構

四點控制結構是在三點控制結構的基礎，將液體分配率βL作為操縱變量，如控制系統能耗的最小化，一般以控制重組分從公共精餾段進入預分餾塔的量來實現等。

Wolff和Skogestad[11]對同一物系又實施了四點控制結構，即增加了操縱變量液體分配率βL，去控制側線產品中輕組分和重組分的濃度。仿真結果表明，針對進料的任意擾動都能實現平穩控制。Salvador[15]等研究了四點控制結構，并且利用相對增益矩陣（RGA）分析來確定操縱變量和控制變量的組合。針對丁烷、正戊烷和異戊烷三組分物系，DB/LSV控制策略體現了更好的性能，并且在增加了βL作為操縱變量后，實現了能耗的最小化。Deeptanshu Dwivedi[16]和Anton A. Kiss[17]等人也同時研究了四點控制結構的性能。該控制方法通過控制重組分在塔頂產品的量、輕組分在側線產品的量、重組分在側線產品的量和輕組分在塔底產品的量，在達到了產品純度的要求下，實現了能耗最小。Christina Buck[18]等將四點控制結構和三點控制結構進行了對比，分別對進料量、進料組成實施干擾，從控制器的穩定時間、最大超調量、波動范圍等指標進行比較，四點控制結構明顯好于三點控制結構，且四點控制結構大大的降低了再沸器的負荷，實現了能耗的減少。

Salvador Tututi-Avila[19]等采用四點控制結構來控制分壁塔，但其用一種新型模糊邏輯控制器（FLC）來代替傳統的比例-積分-微分控制器（PID），模糊邏輯控制是一種專家系統，通過模糊規則庫中的語言變量，即用IF-THEN邏輯語句實現控制算法。通過對正戊烷、正己烷、正庚烷物系和苯、甲苯、二甲苯物系進行動態仿真，結果顯示模糊邏輯控制器是有效的，且顯著提升了系統的抗干擾能力，降低了控制器穩定的時間，并且該控制器不需要復雜的計算，實施較為方便。

由此可見增加液體分配率βL作為操縱變量，控制重組分進入預分餾塔的量或控制側線產品中輕組分和重組分的濃度，將控制結構變成四點控制結構，不僅能達到產品純度的要求，還能顯著減少系統的能量消耗，使得能耗達到最小化。相比于三點控制結構更有優勢。

2.3 先進控制

模型預測控制（MPC）技術以被控系統預測模型為基礎，采用滾動優化與反饋矯正相結合的方式，能使系統最快時間達到穩定狀態，且能解決系統的非線性、強耦合等問題[20-22]。目前，MPC技術現已經廣泛的應用到石油化工行業。

Rohit R.Rewagad[23]等將MPC應用到分壁塔控制中，針對苯、甲苯和二甲苯物系，建立6×6輸入-輸出矩陣，輸入變量為三產品純度、液體分配率、回流罐和分壁塔液位，輸出變量為D、B、L、S、V和βL。運用MPC將非線性模型線性化，建立預測模型，實現預測控制，與常規PID相比超調量更小，整定時間更短。Manuel[24]等比較了MPC與四點控制結構，針對C5、C6和C7物系分離，證明了模型預測控制可以消除所有控制回路之間的耦合，能夠大幅度降低受到擾動后系統穩定的時間。Till Adrian[25]等為了研究MPC的控制性能，建立了一套實驗裝置，研究進料流量為3 kg/h的丁醇（15%）、戊醇（70%）和己醇（15%）(wt)物系的分離性能，其塔高11.5 m，公共精餾段和提餾段直徑40 mm，預分餾段和側線采出段直接均為50 mm。選擇回流率、液體分配率和側線采出量分別來控制預分餾塔進料板上的溫度、側線采出塔采出板上的溫度和公共提餾段的溫度。經過大量的實驗表明，在進料流量和組成波動的情況下，MPC顯示出了極強的控制能力，與常規PID控制相比，控制器穩定時間提高了80%，最大偏差減小了50%。

Rajeev Kumar Dohare[26]等針對苯、甲苯和二甲苯物系，為了克服組分分析的滯后性，選擇溫度作為控制變量，采用回流量、側線采出量和再沸器負荷作為操縱變量，建立3輸入-3輸出模型，并采用人工神經網絡建立模型，實現預測控制。將控制性能與三點控制結構做比較，穩定時間提高了80%，展現出了比較強大的控制能力。

Anton A. Kiss[27]等研究了更多先進控制器如線性二次高斯控制（LQG）和線性二次規劃（LQR），經驗證其在進料流量擾動時抗干擾性很強。但其控制效果還需深入的研究和實際的檢驗。

2.4 溫差控制

大多數學者在研究精餾過程控制時都選擇組分或溫度作為控制點，來實現控制目的。而Ling與Luyben[28,29]提出了一種溫差控制（TDC）策略，其采用四點控制結構，將控制變量從常規的溫度或組成，變成四點溫差控制，同時取兩點溫度，將兩者的差值作為控制點，來實現整個控制，結果表明其控制效果要好于常規溫度或組成的控制效果。

而欒淑君[30]等提出了簡化溫差控制策略（STDC），也屬于四點控制結構。分別在預分餾塔進料板上和板下各選一個溫度點，兩者的溫度差作為控制變量，并且通過液體分配比 βL來控制該變量。同樣在側線抽出段的上下部分各取一個溫度點，組成溫差作為控制變量，側線抽出量S作為操縱變量。形成兩組溫差控制，另兩點分別取公共精餾段和公共提餾段的溫度，由D和B分別來控制，其比TDC控制策略更簡單，投資更低。經實驗證明，STDC控制策略的性能接近TDC的控制性能。接著，吳寧[31]又提出了雙溫差控制（DTDC）策略，每一個控制回路設置三點溫度檢測，組成雙溫差控制策略，同樣采用四點控制結構，以乙醇、丙醇和丁醇物系為研究對象，驗證了其可行性，在保證產品質量的情況下，抗干擾能力更強。

溫差控制是新的控制思路，TDC控制策略將四點控制全部變成溫差控制，其抗干擾性更強，但設備投資增大了。而STDC控制策略是在預分餾塔段和側線抽出段設置溫差控制，保證對原料三元混合物的初步分離，并且防止重組分與輕組分進入側線抽出段，以致影響側線產品的純度。STDC取得了與TDC相近的控制性能。而DTDC控制策略則更加復雜，通過三點溫度檢測構成雙溫差控制，雖然控制效果很好，但是設備投資大大的增加了。溫差控制雖然模擬仿真的效果不錯，但是還并未有應用的實例，還處于理論研究階段。

3 結 論

本文介紹了典型分壁塔控制方法的研究進展，分別闡述了三點控制結構、四點控制結構、模型預測控制和溫差控制等控制方法。三點控制結構簡單、易實施，但是其抗干擾能力較差，尤其當進料組分產生擾動時，由于固定了液體分配率和氣體分配率兩個變量，其操作彈性小。四點控制結構最大的優勢在于，其利用液體分配率來控制重組分進入預分餾段的量，能夠實現系統能耗最小化，并且增加了操作的彈性，四點控制結構明顯好于三點控制結構。而無論是三點控制結構還是四點控制結構，計算操縱變量和控制變量間的相對增益矩陣，確定二者間的最佳匹配，對降低系統的耦合度，提高操作的穩定性是有幫助的。

溫度-組分串級控制的性能優于單回路PID控制，抗干擾性強且實施簡單。而一些先進控制器，如動態矩陣控制器（DMC）、模糊邏輯控制等，在仿真階段表現出了較強的性能，但是其在工業應用階段的效果還亟待檢驗。溫差控制雖然顯示出一定的優勢，但是其控制性能還有待于繼續研究。

MPC顯示出了極強的控制能力，且與常規單回路控制和串級控制相比，大大的提升了控制性能，并且能夠消除變量間的耦合，提高操作的穩定性。現已有學者建立實驗裝置驗證了MPC的可行性，因此將MPC用于工業化的分壁塔裝置上可能是未來發展的一個方向。

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Research Progress of Control Strategies of Dividing Wall Column

GAO Ming1，WANG Bing2，GAO Jing-shan1，BO De-chen1

（1. Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001，China；2. PetroChina Fushun Petrochemical Company No.3 Refinery, Liaoning Fushun 113001，China）

For multi-component separation, dividing wall column displays great application potential. It is able to decrease energy consumption，improve thermal efficiencies and reduce equipment investments, meanwhile, the products with higher purity can be acquired. However, without reliable and effective control methods, higher energy efficiency and more stable operation can’t be realized, and this is one of the factors to restrict application of dividing wall columns on a large-scale. In this paper, research progress of control strategies of dividing wall column was discussed from the aspects of three-point control structure, four-point control structure, advanced process control and temperature difference control, which could provide theoretical basis for research and industrial application of the dividing wall column in the future.

dividing wall column; control; research progress

TP 273

A

1671-0460（2016）12-2901-04

2016-11-30

高明（1987-），男，遼寧省本溪市人，助理工程師，碩士研究生，2013年畢業于北京化工大學控制科學與工程專業，研究方向：分離工藝和自動控制。E-mail：gaoming.fshy@sinopec.com。