先進控制技術在分子篩脫蠟分餾單元中的應用

潘 鵬

(金陵石化有限責任公司烷基苯廠，南京 210046 )

先進控制技術在分子篩脫蠟分餾單元中的應用

潘 鵬

(金陵石化有限責任公司烷基苯廠，南京 210046 )

Molex正構烷烴分離工藝采用4套吸附室并聯操作，分餾單元的進料流量和組成存在周期性波動，常規DCS控制效果不理想，在采用高級多變量魯棒預測控制軟件建立先進控制系統后，使得關鍵工藝參數的標準方差平均降低61.2%，同時降低了操作人員的勞動強度。

分餾單元 Molex正構烷烴分離工藝 分子篩脫蠟 先進控制

Molex正構烷烴分離工藝(分子篩脫蠟)采用模擬移動床吸附分離工藝，將加氫精制煤油通過5A分子篩進行物理選擇吸附和正戊烷脫附。金陵石化烷基苯廠目前采用4套吸附室并聯操作，可以達到370kt/a液蠟的吸附要求，分餾得到nC10～nC13的正構烷烴、nC14或nC14以上的正構烷烴和非正構烴。液體石蠟(nC10～nC13正構烷烴)作為脫氫裝置的原料，脫氫后的液體石蠟再與苯進行烷基化反應生成烷基苯。因此，分子篩脫蠟分餾單元生產出合格的液體石蠟對后續裝置單元具有十分重要的意義。

由于分餾單元受模擬移動床抽余液和抽出液流量周期性波動以及加氫精制煤油組分波動的影響，因此常規DCS控制系統已不能滿足工業控制要求。

1 工藝特點與控制需求①

圖1為分子篩脫蠟分餾單元的流程簡圖，該分餾單元包括抽余液塔C-201、抽出液塔C-202、脫附劑分餾塔C-203和抽出液再蒸塔C-204。抽余液在抽余液塔C-201中分離成白油原料和脫附劑，抽出液在抽出液塔C-202中分離成脫附劑和粗蠟，自C-201和C-202側線來的沖洗液在脫附劑分餾塔C-203中分離成脫附劑和沖洗液，自C-202塔底來的粗蠟送至抽出液再蒸塔C-204，塔頂產出液體石蠟(nC10～nC13)作為脫氫單元的原料，塔底產出重質液體石蠟(≥nC14)。

圖1 分子篩脫蠟分餾單元流程簡圖

4個分餾塔之間存在較強的相互耦合，且受到諸多干擾因素。常規PID控制是一種基于控制系統設定值與測量值之間偏差的反饋控制，不依賴于過程對象的數學模型，不能有效消除分子篩分餾單元各塔之間的強耦合、有約束、多變量控制和干擾對操作帶來的影響。而先進控制則是一種將過程對象的數學模型、反饋控制和滾動優化相結合的計算機控制策略，適合于解決大時滯、強耦合及有約束等復雜多變量過程的控制問題[1～3]。

基于上述考慮，現采用浙江中控自主開發的新一代高級多變量魯棒預測控制軟件APC-Suite 10.0來對分子篩脫蠟分餾單元實施先進控制，在合理地選擇操縱變量、被控變量和干擾變量后，可提高各分餾塔的抗干擾能力和裝置的平穩運行性能，實現裝置的“卡邊”操作，提高經濟效益，并降低操作人員的勞動強度。

2 APC預測控制技術

預測控制技術是先進控制技術的核心，該預測控制技術是一種通過系統模型對過程未來狀態進行預測，并采用反饋校正和在線滾動優化的方法以優化系統行為的閉環優化控制策略，具有如下特點：在偏差控制的基礎上，將過程模型作為控制器內部模型，提高過程信息和知識利用率，可實現多目標協調優化控制；保持前饋、選擇性及解耦等復雜控制的功能，并能有效處理各種過程約束，適合應對大型復雜工業控制過程。以下對預測控制算法做簡要介紹[4]：

(1)

式中hi——過程對象的單位脈沖響應序列采樣值；

k——當前采樣時刻；

u(k+j-i)——系統在第k+j-i個采樣時刻的輸入量；

設P為預測時域，M為控制時域，N為建模時域，且M≤P≤N，j=1,2,…,P。由于實際過程對象具有時變或非線性等特點，外加過程對象存在各種干擾因素，使得過程模型的開環預測值與實際對象的輸出值存在一定的偏差，因此需要對式(1)的開環模型預測輸出進行修正，即閉環預測：

(2)

式中y(k)——當前采樣時刻的實際對象輸出測量值；

yc(k+j)——校正后的未來第j個采樣時刻的輸出預測值；

βj——誤差修正系數。

(3)

式中Q——預測誤差的加權系數；

R——控制量的加權系數；

ysp(k+j)——未來第j個采樣時刻的參考軌跡設定值。

在一定的約束條件下對式(3)的目標函數進行求解，可以同時計算出從k至k+M-1采樣時刻的M個控制量，但只執行當前時刻的控制作用u(k)，即采用閉環控制算法，下一時刻的控制量u(k+1)再按式(3)遞推一步進行計算。

3 APC實施架構

本項目采用浙江中控自主開發的新一代高級多變量魯棒預測控制軟件包APC-Suite 10.0和控制平臺APC-iSYS 3.0來實施控制，該控制系列軟件支持浙江中控的JX-300X、ECS700，艾默生的DeltaV，霍尼韋爾的PKS，橫河的CENTUM CS以及CS3000等主流DCS系統。

圖2為APC實施架構示意圖，在本項目中控制軟件APC-Suite 10.0和控制平臺APC-iSYS 3.0共同構成APC上位機，并通過OPC Server來實現APC上位機和現場DCS之間的雙向數據讀寫功能。

圖2 APC實施架構示意圖

4 APC實施方案和實施效果

4.1抽余液塔的先進控制方案

利用控制平臺APC-iSYS 3.0對抽余液塔C-201的運行數據進行采集，在對歷史數據進行分析后發現，來自分子篩單元的4股抽余液流量存在周期性波動，對塔造成強烈干擾，故將它作為主要干擾變量。此外，C-201側線抽出、C-203塔頂出料溫度和熱油溫度均對C-201有一定干擾。在上述分析的基礎上，結合操作人員的操作經驗，最終形成的控制方案見表1。

表1 抽余液塔C-201的先進控制方案

在先進控制器在線運行3個月后，對先進控制器的控制效果進行標定，標定結果如圖3、4所示，可知在對抽余液塔C-201實施先進控制后，有效抑制了外界干擾因素對該塔的影響，各關鍵操作參數運行平穩。

圖3 C-201塔頂溫度2TI72.PV對比

圖4 C-201塔底溫度2TI73.PV對比

4.2抽出液塔的先進控制方案

在對抽出液塔C-202的歷史運行數據進行分析后發現，分子篩單元的4股抽出液均對C-202有強烈的干擾，這里將總抽出液流量作為C-202的主要干擾變量；此外，塔頂回流、側線抽出、進料溫度和熱油溫度也對C-202造成了一定程度的干擾，最終形成的先進控制方案見表2。

表2 抽出液塔C-202的先進控制方案

對抽出液塔C-202實施表2所示的先進控制方案，標定結果如圖5、6所示，可以看出，先進控制相對于常規控制具有較強的控制優勢。一方面先進控制提高了裝置的抗干擾能力和運行平穩性，另一方面對實現裝置的“卡邊”操作提供了優化操作空間。

圖5 C-202塔頂溫度2TI136.PV對比

圖6 C-202塔底溫度2TI134.PV對比

4.3脫附劑分餾塔的先進控制方案

脫附劑分餾塔C-203塔釜液位的先進控制方案采用現場操作人員的操作經驗，即利用C-201側線抽出2HC87.OUT和C-202側線抽出2FIC122.SP來進行控制，并將塔釜抽出2FIC403.PV和2FIC403A.PV作為干擾變量；將C-201側線溫度、C-201側線抽出、C-202側線抽出和白油溫度作為靈敏板溫度和塔釜溫度的主要干擾變量，最終形成的控制方案見表3。

表3 脫附劑分餾塔C-203的先進控制方案

對脫附劑分餾塔C-203實施表3所示的先進控制方案，標定結果如圖7、8所示?？梢钥闯?，C-203塔釜液位在先進控制實施后，其平穩性大幅提高，降低了操作人員的勞動強度；由圖8可知，在將各主要干擾因素納入先進控制系統后，C-203靈敏板溫度的抗干擾能力增強，波動幅度降低。

圖7 C-203塔釜液位2LIALH108.PV對比

圖8 C-203靈敏板溫度2TI105.PV對比

4.4抽出液再蒸塔的先進控制方案

在對抽出液再蒸塔C-204的歷史運行數據進行分析后發現，塔頂溫度與回流溫度間的溫差對塔頂溫度和靈敏板溫度均具有較強的干擾作用，該溫差可以表征塔頂取熱情況，因此將該溫差作為塔頂溫度和靈敏板溫度的主要干擾變量；在將熱油溫度、回流罐3股抽出和進料流量納入先控系統中后，最終形成的先進控制方案見表4。

表4 抽出液再蒸塔C-204的先進控制方案

(續表4)

對抽出液再蒸塔C-204實施表4所示的先進控制方案，標定結果如圖9、10所示。由圖9可知，在先進控制實施后，回流罐液位的抗干擾性能和平穩性均大幅提高，體現出先進控制的優越性。由圖10可知，靈敏板溫度2TI835A.PV在先進控制實施后，其波動幅度大幅收窄，抗外界干擾能力增強，為產品質量的“卡邊”操作和節能降耗提供了操作空間。

圖9 C-204回流罐液位2LIC181B.PV對比

圖10 C-204靈敏板溫度對比

5 結束語

對分子篩脫蠟分餾單元中的4個分餾塔實施先進控制，并結合現場操作人員的寶貴操作經驗，將各主要干擾變量納入先進控制系統中，有效克服了分子篩單元的4股抽余液和抽出液流量以及組成的周期性波動對分餾單元的影響，同時解決了各分餾塔之間的強耦合問題。在先進控制系統實施后，經過標定測算，分餾單元各塔關鍵工藝參數的標準方差平均降低61.2%，為實現裝置的“卡邊”操作和節能降耗提供了優化操作空間，同時降低了操作人員的勞動強度，經濟效益顯著。

[1] 王樹青. 先進控制技術及應用[M]. 北京：化學工業出版社, 2001.

[2] 黃德先. 化工過程先進控制[M]. 北京：化學工業出版社, 2006.

[3] 李業君. 分餾系統多變量預估控制器的功能設計與應用[J]. 石油化工設計, 1997, 14(4):58～61.

[4] 王樹青. 工業過程控制工程[M]. 北京：化學工業出版社, 2002.

2016-02-29

TQ051.6

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1000-3932(2016)07-0772-05