APC-Suite系統在氣體分餾裝置中的應用

儲開建 陳 瓊 馮萬軍

(延安石油化工廠 a.機動科；b.電儀車間，陜西 延安 727406)

APC-Suite系統在氣體分餾裝置中的應用

儲開建a陳 瓊b馮萬軍b

(延安石油化工廠 a.機動科；b.電儀車間，陜西 延安 727406)

介紹先進控制軟件APC-Suite在氣體分餾裝置中的成功應用。通過對控制器投運前后的工藝指標的對比，證實使用APC-Suite先進控制軟件后，控制器的在線投運率達到95.0%以上，顯著提高了各關鍵工藝指標的平穩性，投運期間丙烯產品質量平均純度達到99.80%，丙烷產品質量平均純度為99.32%，克服了系統內和環境變量的干擾。在提高裝置的運行平穩率的基礎上，通過卡邊操作增加了產品收率，丙烯收率提高了0.3%，同時實現了節能降耗，生產單位產品蒸汽能耗降低3.59%。

APC-Suite 氣體分餾裝置 工藝指標 蒸汽能耗

隨著科學技術的飛速發展，工業生產過程也日益趨向大型化、連續化和復雜化，對工業生產過程控制的品質要求也一再提高。但是目前部分控制系統具有高度的非線性、變量強耦合、信息不完全及大時滯等特性[1]，被控變量與操作變量存在著各種約束，要想獲得精確的數學模型十分困難。通過實施先進控制，可以達到增強裝置運行穩定性和安全性，提高產品質量和收率，增加裝置處理量，降低運行成本的目的，經濟效益和社會效益顯著[2]。

APC-Suite高級多變量預測控制軟件的原理是預測控制。預測控制是一種基于預測過程模型的控制算法，根據補償函數或性能函數計算出將來的控制動作，并由過程的歷史信息判斷將來的輸入輸出。預測控制的優化過程是在有限的移動時間間隔(有限時域)內反復進行在線優化的。有限時域是預測控制與傳統最優控制最大的區別。對于動態特性變化和存在不確定因素的復雜系統，無需在全局范圍內判斷最優性能，因此這種滾動優化方法很適用于氣體分餾這樣的復雜系統。

延安石油化工廠年產60萬噸氣體分餾裝置采用CS-3000 DCS系統，據考察，該裝置生產穩定且設備和儀表自控系統狀況良好，但是同樣存在常規控制系統存在的問題。筆者通過在CS-3000 DCS系統的基礎上實施APC-Suite，對氣體分餾裝置的生產過程實施先進控制來解決目前存在的問題。

1 氣體分餾裝置常規控制存在的問題

延安石油化工廠氣體分餾裝置采用常規控制系統時，主要存在以下問題：

a. 部分重要控制回路不能投自動，需要手動調節，存在控制不及時的問題，不能達到工藝參數平穩控制的要求，而且操作工的勞動強度很高，比如脫丙烷塔塔底加熱蒸汽的調節、脫乙烷塔塔底加熱蒸汽的調節等。

b. 常規控制建立在單輸入單輸出對象基礎上，控制品質難以達到工藝過程在大擾動、多約束條件下的產品質量和收率控制要求，比如脫丙烷塔塔底溫度受到進料流量、進料組分、回流量及加熱蒸汽等的影響，無法使用單一手段實現塔底產品質量的平穩控制。

c. 難以實現裝置卡邊優化控制，比如在保證丙烯塔產品質量合格的基礎上實現丙烯收率的最大化，優化控制脫丙烷塔和脫乙烷塔的回流比、實現脫丙烷塔和脫乙烷塔的節能降耗等。

基于上述描述，結合年產60萬噸氣體分餾裝置的工藝與運行特點，制定相應的先進控制技術方案，主要采用智能軟測量技術和多變量預測控制技術來提高生產過程的平穩性，增強抗干擾能力，改善產品質量，實現卡邊控制，提高目標產品收率并降低裝置能耗。

2 控制系統實現的功能

本項目采用4個控制器，控制裝置的脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯塔和脫戊烷塔。以下對各控制器實現的功能進行說明。

脫丙烷塔(T101)控制器克服了進料流量和進料組分的影響，提高了控制平穩性，實現了塔底蒸汽和塔頂冷卻系統的平穩運行、塔頂液位和塔頂采出的均勻控制，降低了對后續操作的影響，實現了塔底產品質量的平穩控制并逐步優化裝置的回流比，實現了操作能耗的最小化。

脫乙烷塔(T102)控制器克服了進料量的影響，提高了控制平穩性，實現了塔底蒸汽和塔頂冷卻系統的平穩運行，優化了塔底產品質量，減少了塔頂丙烯損失，實現了塔底液位和塔底采出的均勻控制，降低了對后續操作的影響。

丙烯精餾塔控制器克服了進料量的影響，提高了控制平穩性，以塔內溫差為主要控制目標(T103塔塔頂底溫差、T104塔塔頂底溫差和T103-T104兩塔總溫差)，實現T103-T104兩塔間組分分布梯度穩定控制的目標，克服了蒸汽壓力波動對壓縮機的影響，實現了供熱的平穩，實現了丙烯產品的卡邊優化控制，減少了丙烯損失，逐步優化回流比，實現了操作能耗最小化。

脫戊烷塔(T105)控制器克服了進料量的影響，提高了控制的平穩性，實現了塔底蒸汽和塔頂冷卻系統的平穩運行。

3 APC-Suite投運前后工藝指標的對比

通過先進控制系統投運前后的數據對比，分析APC-Suite系統的應用效果。以下圖、表中，采樣周期均為30s，投運前的數據采集時間為2014年4月1～4日(投運前時間間隔3d)，投運后的數據采集時間為2014年8月3～7日(時間間隔也是3d)。

3.1脫丙烷塔參數對比

脫丙烷塔常規DCS操作較為平穩，其波動主要來自于塔底蒸汽變化的干擾。在儀表正常的情況下，投運先進控制系統后，有效地減小了各塔盤溫度的波動，而且進一步平衡了物料和能量的分配。脫丙烷塔投運先進控制前后的相關參數見表1。

表1 脫丙烷塔3項工藝參數投運先進控制系統前后數據對比

由表1計算可知，塔底溫度TI0201投運前的標準方差為0.045 04，投運后為0.038 40，方差降低百分率為14.75%；第10層溫度TI0206投運前的標準方差為0.021 48，投運后為0.017 12，方差降低百分率為20.28%；塔底液位LIC0201投運前的標準方差為7.604 70，投運后為3.728 22，方差降低百分率為50.97%。

工藝參數趨勢對比如圖1所示。

a. 投運前

b. 投運后圖1 脫丙烷塔先進控制投運前后參數趨勢對比

3.2脫乙烷塔參數對比

脫乙烷塔釜液位和回流罐液位受脫丙烷塔流量和蒸汽的影響波動頻繁，常規操作有一定的難度。投運先進控制系統后，不但有效穩定了脫乙烷塔釜液位和回流罐液位，而且平穩了各塔盤溫度。脫乙烷塔投運先進控制前后的相關參數見表2。

表2 脫乙烷塔3項工藝參數投運先進控制系統前后數據對比

由表2中的數據計算可知，回流罐液位LIC0501投運前的標準方差為31.768 78，投運后為5.099 19，方差降低百分率為83.95%；塔釜液位LIC0401投運前的標準方差為76.115 21，投運后為10.521 49，方差降低百分率為86.18%；塔底溫度TIC0401投運前的標準方差為0.053 24，投運后為0.015 45，方差降低百分率為70.99%。

工藝參數趨勢對比如圖2所示。

a. 投運前 b. 投運后圖2 脫乙烷塔先進控制投運前后參數趨勢對比

3.3丙烯精餾塔參數對比

丙烯精餾塔因受前面塔影響，有少許波動。常規操作要求控制T103塔底溫差不大于3.5℃，T104丙烯質量控制在99.60%以上。先進控制投運后丙烯質量均值保持在99.75%以上，各塔液位平穩。

丙烯精餾塔T103/T104投運先進控制前后的相關參數見表3。

表3 丙烯精餾塔3項工藝參數投運先進控制系統前后數據對比

由表3計算可知，T103塔底溫度TI0608投運前的標準方差0.223 82，投運后0.144 30，方差降低百分率為35.53%；丙烯塔溫差TI0608-TI0606投運前的標準方差0.051 74，投運后0.045 38，方差降低百分率12.29%；T104液位LIC0802投運前的標準方差為14.648 91，投運后為2.052 46，方差降低百分率85.99%。

工藝參數趨勢對比如圖3所示。

a. 投運前 b. 投運后圖3 丙烯精餾塔先進控制投運前后參數趨勢對比

3.4脫戊烷塔參數對比

常規操作中，脫戊烷塔受脫丙烷塔流量影響很大，使得塔底液位和回流罐液位波動較大。投運先進控制后液位波動大幅減小，塔底溫度也較為平穩。脫戊烷塔投運先進控制前后的相關參數見表4。

表4 脫戊烷塔3項工藝參數投運先進控制系統前后數據對比

由表4計算可知，塔釜液位LIC0901投運前的標準方差為68.626 74，投運后為47.011 98，方差降低百分率為31.50%；塔底溫度TIC0901投運前的標準方差為8.798 68，投運后為1.711 26，方差降低百分率為80.55%；塔頂溫度TI0902投運前的標準方差為0.392 49，投運后為0.112 60，方差降低百分率為71.31%

工藝參數趨勢對比如圖4所示。

a. 投運前

b. 投運后圖4 脫戊烷塔先進控制投運前后參數趨勢對比

由氣體分餾裝置先進控制系統投運前后的各個關鍵工藝指標的對比趨勢來看，先進控制系統投運之后，有效地克服了一定范圍內的熱源波動、環境溫度變化等外界干擾因素的影響，各個關鍵工藝指標的平穩性有明顯改善，投運前后波動標準偏差有了大幅減小，從而也穩定了產品質量和分離效果。在此基礎上，通過工藝指標的優化和卡邊控制，能夠有效提高高附加值產品的收率，同時降低消耗。

4 性能分析、經濟效益概算和遺留問題

先進控制系統投運后，控制器在線投運率達到95%以上。各被控變量與常規控制下相比，其標準偏差均有明顯降低，關鍵被控變量的平均標準偏差下降達到了30%以上。先進控制系統投運期間的丙烯產品質量平均純度達到99.80%。當裝置加工量在設計指標范圍內時，丙烷產品質量平均純度為99.32%。

為了準確評估氣體分餾優化控制系統的達標情況，并評估項目實施后的經濟效益，延安石油化工廠對優化控制系統投運前后采集的相關數據進行對比分析，詳見表5?？梢源_認優化控制投運后，丙烯收率提高了0.3%。

表5 先進控制投運前后采集的相關數據對比

表6為優化控制系統投運前后蒸汽能耗數據的對比?？梢钥闯觯冗M控制系統投運之后蒸汽能耗有明顯的下降。經計算，氣體分餾裝置2014年7月生產單位產品蒸汽能耗68.92-19.54=49.38kg(EO)/t(即每噸產品需消耗49.38kg標準油(EO)，1kg(EO)/t(原料)=41.8MJ/t(原料))；氣體分餾裝置2013年8月生產單位產品能耗62.21-10.99=51.22kg(EO)/t。由此可以確認，優化控制投運后裝置的能耗下降了1.84kg(EO)/t。

表6 優化控制系統投運前后蒸汽能耗數據對比

可見，實施優化控制系統后氣體分餾裝置生產單位產品的能耗降低了1.84÷51.22×100%=3.59%。以氣體分餾裝置2013年總處理量643 824t和每噸2 000元標油的價格計算，優化控制系統通過節能產生的年經濟效益約237萬元。

先進控制系統投運后，有效提高了產品收率，降低了人力勞動強度。但是仍然存在部分儀表點無法投運先進控制的問題，原因是投運先進控制后參數波動較大，因而采用手動控制，如脫丙烷塔塔底溫度、塔頂回流量等。這些未投運的被控量仍有待繼續改進先進控制系統，合理調整數據模型參數后對它們進行有效穩定的控制。

5 結束語

氣體分餾裝置先進控制系統投運后，控制器的在線投運率達到95.0%以上，顯著提高了各關鍵工藝指標的平穩性，投運期間丙烯產品質量平均純度達到99.80%。根據2014年7月與2013年8月的數據對比，當裝置加工量在設計指標范圍時，丙烷產品質量的平均純度達到了99.32%。克服了系統內和環境變量的干擾；在提高裝置運行平穩率的基礎上，通過卡邊操作使得產品丙烯的收率提高了0.3%；同時實現了節能降耗，生產單位產品蒸汽能耗降低了3.59%。而且，操作人員的勞動強度也大幅降低，取得了良好的經濟效益和社會效益。

[1] 黃鳳,華王玲.先進控制技術的主要控制方法綜述[C].第十九屆電工理論學術年會論文集.武漢:湖北省科學技術協會,2007:231～236.

[2] 高琦,趙育榕.先進控制技術在乙烯裝置分離單元的應用[J].化學工業與工程技術,2010,31(2):50～53.

ApplicationofAPC-SuiteSysteminGasFractionationPlant

CHU Kai-jiana, CHEN Qiongb, FENG Wan-junb

(a.MechanicalandPowerDeviceDivision; b.ElectricalandInstrumentWorkshop,Yan’anPetrochemicalPlant,Yan’an727406,China)

The successful application of APC-Suite advanced control software in the gas fractionation plant was introduced. Comparing process indexes before and after the application of APC-Suite software shows that, the controller’s on-line operation rate stays at over 95.0% along with improved stability of process indexes; in controller’s operation, the purity of propylene products averages to 99.80% with 99.32% for the average purity of propane products; the interference from intra-system and environment variable can be eliminated and basing on improving the plant stability, the production yield is promoted together with 0.3% for propylene yield and a reduced steam consumption per unit product by 3.59%.

APC-Suite, gas fractionation plant, process index, steam consumption

TH862

B

1000-3932(2016)09-0956-06

2016-06-02(修改稿)