先進(jìn)控制在脫乙烷塔的應(yīng)用

李文志

中沙（天津）石化有限公司

先進(jìn)控制在脫乙烷塔的應(yīng)用

李文志

中沙（天津）石化有限公司

本文介紹了先進(jìn)控制系統(tǒng)在脫乙烷塔工藝上的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)施先進(jìn)控制，降低了操作員勞動(dòng)量，降低了脫乙烷塔塔頂碳三損失，塔釜碳二損失。

先進(jìn)控制 脫乙烷塔 再沸

對(duì)于石油化工行業(yè)，自40年代至今采用PID控制規(guī)律的單回路系統(tǒng)一直是過(guò)程控制領(lǐng)域最主要的控制系統(tǒng)。PID控制算法簡(jiǎn)單，有效，可以實(shí)現(xiàn)一般生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)操作與運(yùn)行，但單回路PID控制并不適用于特性復(fù)雜的被控過(guò)程，不能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的特殊需要和高精度控制要求。50年代開(kāi)始，過(guò)程控制領(lǐng)域出現(xiàn)了串級(jí)，比值，前饋等控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在一定程度上滿(mǎn)足了復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程，特殊生產(chǎn)工藝以及高精度控制的需要。隨著過(guò)程工業(yè)日益走上大規(guī)模，復(fù)雜化，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制品質(zhì)要求越來(lái)越高，常規(guī)PID控制器不能達(dá)到應(yīng)有的控制質(zhì)量，因?yàn)樗鼰o(wú)法預(yù)測(cè)未來(lái)。PID控制器根據(jù)當(dāng)前的誤差反饋信息來(lái)調(diào)整控制閥，當(dāng)誤差出現(xiàn)時(shí)，為時(shí)已晚，在這種情況下，先進(jìn)過(guò)程控制出現(xiàn)了，習(xí)慣上把那些不同于常規(guī)單回路PID控制，并具有比PID控制更好控制效果的控制策略稱(chēng)作先進(jìn)控制。先進(jìn)控制是基于模型的, 并以系統(tǒng)辨識(shí)（最小二乘法為基礎(chǔ)）、最優(yōu)控制 （極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法等）以及最優(yōu)估計(jì)（卡爾曼濾波理論）等現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的一種控制方法。

先進(jìn)控制,可以改善過(guò)程動(dòng)態(tài)控制的性能、減少過(guò)程變量的波動(dòng)幅度,使之能更接近其優(yōu)化目標(biāo)值,從而使生產(chǎn)裝置在接近其約束邊界的條件下運(yùn)行,最終達(dá)到增強(qiáng)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性、保證產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性、提高目標(biāo)產(chǎn)品收率、增加裝置處理量、降低運(yùn)行成本、減少環(huán)境污染。

某乙烯裝置分離工段采用的是橫河的先進(jìn)控制，它是由模型預(yù)估控制（MPC）發(fā)展起來(lái)的一種更為先進(jìn)的控制策略。它的基本思想是：通過(guò)一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程模型，根據(jù)過(guò)程輸入（操縱變量MV，干擾變量DV）預(yù)估出CV未來(lái)的變化，并確定如何調(diào)整控制器輸出以使所有過(guò)程變量（包括受控變量CV和操縱變量MV）達(dá)到設(shè)定值或在約束范圍之內(nèi)（所謂先進(jìn)控制）。

以脫乙烷塔為例。

脫乙烷塔回流由-27℃的丙烯冷劑冷凝塔頂氣相來(lái)提供，其再沸器由急冷水供熱。脫乙烷塔塔底物料送往高壓脫丙烷塔，其塔頂物料通過(guò)乙炔轉(zhuǎn)化器將乙炔選擇性加氫為乙烯和乙烷，并經(jīng)綠油去除、干燥后，送入乙烯精餾塔。

脫乙烷塔的控制難點(diǎn)在于它使用急冷水作為加熱介質(zhì)，而急冷水溫度受環(huán)境溫度以及裂解爐投退料及燒焦影響變化較大，操作員不可能做到實(shí)時(shí)調(diào)整，容易造成靈敏板溫度波動(dòng)，進(jìn)而塔底碳二損失或者塔頂碳三損失。

正常情況下，由于脫乙烷塔塔頂出料與乙炔加氫反應(yīng)器相連，因此穩(wěn)定塔頂出料能夠使反應(yīng)器保持良好工作性能，進(jìn)而長(zhǎng)周期運(yùn)行，但是由于急冷水溫度波動(dòng)大，導(dǎo)致脫乙烷塔頂回流罐液位不能保持穩(wěn)定，如果再沸不能及時(shí)調(diào)整，操作員就會(huì)通過(guò)調(diào)整脫乙烷塔頂碳二出料維持液位，從而不能保證反應(yīng)器進(jìn)料穩(wěn)定，導(dǎo)致反應(yīng)器波動(dòng)，降低反應(yīng)器運(yùn)行周期。（見(jiàn)圖1）

因此脫乙烷塔先進(jìn)控制的關(guān)鍵點(diǎn)在于當(dāng)急冷水溫度變化時(shí)及時(shí)調(diào)整再沸量保證靈敏板溫度TIC40005在合適的范圍內(nèi)，同時(shí)保持脫乙烷塔頂回流罐液位的穩(wěn)定。

圖1

表1

根據(jù)以上條件，設(shè)立以下控制器結(jié)構(gòu)：（見(jiàn)表1）

通過(guò)投用控制器測(cè)試發(fā)現(xiàn)，對(duì)于脫乙烷塔，利用再沸FIC40001控制靈敏板溫度TIC40005，并不能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，因?yàn)橛行┣闆r下，雖然TIC40005控制在范圍內(nèi)，但是第41塊板溫度TI40004卻出現(xiàn)異常，導(dǎo)致塔頂碳三超標(biāo)，因此將控制器結(jié)構(gòu)修改為FIC40001控制TIC40005和TI40004。通過(guò)調(diào)試，控制正常。

結(jié)論：

對(duì)于精餾塔，一般情況下，都是通過(guò)再沸量控制靈敏板溫度的，但是每個(gè)精餾塔是不同的，先進(jìn)控制必須針對(duì)每個(gè)塔的特性，作出相對(duì)應(yīng)的控制策略，才能保證先進(jìn)控制因地制宜，才能被操作員接受，才能保證先進(jìn)控制長(zhǎng)周期投用。

[1] 中沙（天津）石化有限公司.100萬(wàn)噸/年乙烯裝置工藝技術(shù)規(guī)程，2015.11