甲醇精餾裝置中先進控制的應用研究

(萬華化學(寧波)有限公司，浙江 寧波 315812)

從上世紀40年代起，單回路系統的PID控制一直沿用至今，其控制簡單、有效，主要使用的是頻域分析法，控制系統的信號表示為不同頻率正弦信號的合成，控制系統輸入和輸出關系形成不同頻率的正弦信號，其關系模型稱為頻率特性。因單回路系統的PID控制具有穩態性、對應關系確定、易解析求解等特點，在線性控制方面得到了極大的推廣。

隨著控制系統的發展，逐漸滿足復雜和特殊生產過程的串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、預估控制等復雜控制系統應運而生，解決了一些復雜、特殊以及高精度生產過程的控制。

目前工業過程不斷走向復雜化和大型化，而且對品質控制要求越來越高，很難用簡單準確的數學模型來描述，其非線性、時變性、耦合性、大滯后性以及不確定性等綜合特點造成控制策略非常復雜，相對簡單的單回路控制理念已經不能滿足，因而出現了先進過程控制(Advanced Process Control APC)的概念及應用[1]。

1 先進控制系統介紹

先進控制通常是區別于單回路PID控制而具有更有效控制策略的統稱，如推斷控制、預測控制、自適應控制、專家系統、模糊控制、神經網絡控制、魯棒控制等。先進控制是基于模型的一種控制策略，是建立在常規單回路控制基礎之上的動態協調約束控制，通常需要足夠的計算能力作為支撐平臺。

先進控制系統一般具有以下3個特點。

(1)過程辨識。通過建立一個動態的數學模型來表征一個實際過程，對于一個實際工業過程，運用模擬實驗數據或者實際運行數據對這個數學模型的多個輸入、輸出變量進行科學有效組織，利用強大的數據擬合分析辨識軟件，通過不斷驗證，最終形成符合實際過程的動態數學模型。

(2)過程數據的采集、處理和軟測量。利用大量的實測數據是先進控制的優勢之處，這些信息有效、可靠，先進控制要具備對過程數據的采集和處理能力。同時，軟測量技術是先進控制過程不可缺少的，即要對收集到的數據通過模型實時的計算得出不可測量的變量結果。

(3)控制策略。即采用合理的控制結構和控制目的，更好地適用于工業過程的需要。比如將反饋、前饋控制與經濟優化結合，使系統具有約束處理能力。

2 先進控制系統的特點

經過對先進控制實踐應用的交流，萬華化學(寧波)有限公司(以下簡稱萬華化學)選用應用較為廣泛的模型預測控制系統，其PAVILION8軟件系統是集合經驗模型和機理模型的復合模型平臺，該系統具有以下幾方面的特點和內容。

(1)多變量、非線性優化控制算法的模型預測。以預測模型、滾動優化和反饋校正3項基本原理為基礎，其預測模型為對象的動態信息階躍，經過一定的時域在單位階躍控制作用產生階躍響應的穩定值之間的算法；其滾動優化即通過對跟蹤誤差和控制量變化進行抑制，計算出優化后的控制增量作用于實際控制對象，到下一時刻，系統再次執行計算優化以作用于對象，如此反復在線進行實現滾動優化；其反饋校正即是下一時刻輸入時，首先檢查本時刻的計算輸出和實際輸出的誤差，采用時間序列方法將預測誤差修正到下一時刻的初始輸入值，如此形成系統實際基礎上的閉環控制算法[2]。

(2)系統由數據接口、數據服務器、控制器客戶端和圖形界面客戶端4大部分組成：①數據接口負責完成底層控制系統和數據服務器之間的通訊工作，將軟件應用中需處理的讀入/寫出數據通過各種驅動程序翻譯成底層控制系統認可的方式；②數據服務器完成數據接口服務器與控制器客戶端，及與圖形界面客戶端之間過程變量和參數的通信、緩存和傳送功能，是控制系統與DCS之間的數據連接橋梁；③控制器客戶端運行動態模型和控制器/優化器功能，其定義了被控變量(CV)、操縱變量(MV)和干擾變量(DV)，通過有效的實時優化策略計算出操作變量的設定值和被控變量的預測值，使被控變量盡可能地接近目標值或者保持在約束條件內，以實時優化控制生產過程，稱為主服務器；④圖形界面客戶端提供監控畫面，可以管理應用程序，可讓操作員或工程師設置控制參數等日常操作和維護，只與數據服務器通訊，可視化的界面更便于識別機遇，降低成本，提高決策的及時性和準確性。

上述4大組成部分中關鍵的主服務器實時應用引擎組件為軟件內嵌的強大運算平臺，包括數學運算、邏輯運算、模型運算等共200種以上的內置算法，為項目執行過程中處理各種數據提供了便利；虛擬分析儀組件可提供比實驗室分析頻率高很多的產品質量估算，也可采用可信的實驗室檢測結果來校正，計算結果接入控制器進行反饋控制。

控制系統通過以上4部分的配置及各組件功能實現對PID輸入值、輸出值的操控以及實時跟蹤無擾動切換等功能可控制、多模式的實施系統優化?？刂葡到y關系見圖1。

圖1 控制系統關系

3 甲醇精餾裝置先進控制方案與實施

萬華化學甲醇精餾裝置是典型的三塔精餾工藝，包括預精餾塔T801、加壓精餾塔T802和常壓精餾塔T803。粗甲醇經泵送入T801預精餾塔，塔底設置0.4MPa(g)蒸汽加熱的再沸器，塔頂設置循環水冷凝器。預精餾塔的作用是除去粗甲醇中殘余溶解氣體以及以二甲醚為代表的低沸點物質，該塔的主要效益點是保證塔頂甲醇含量最小化，降低塔底再沸器S4蒸汽的消耗，另外，塔頂甲醇含量最小化也能節省冷卻用工藝水的用量。預精餾塔底部甲醇由泵送入T802加壓精餾塔，加壓精餾塔塔頂氣作為常壓精餾塔T803的塔底再沸器熱源，冷卻后部分作為產品外送，部分作為加壓精餾塔的回流液。T802加壓精餾塔的作用是將來自T801塔底的中間甲醇進一步去除其他雜質，保證塔頂采出的甲醇產品質量合格，乙醇不超標，提高甲醇收率，并且為T803常壓精餾塔提供熱量，降低塔底S10蒸汽的消耗，保證塔底的殘余甲醇在常壓精餾塔中能充分分離。T803常壓精餾塔的作用是塔頂采出產品，側線采出雜醇，分離出重組分水并排出系統，該塔的主要效益點是保證塔頂甲醇質量合格的前提下，卡邊控制水和乙醇的含量，使甲醇收率最大化。甲醇精餾流程見圖2。

圖2 甲醇精餾流程注：T801—預精餾塔；T802—加壓精餾塔；T803—常壓精餾塔

依據萬華化學工藝流程、原理及設計需求，控制系統配置了2臺16 G內存和500 G硬盤的主機，一臺安裝控制軟件APC服務器及數據集合模塊，包含了數據采集/分析/儲存模塊、模型建立/分析/調試模塊、在線控制和優化模塊、實時計算引擎等，該主機系統為軟件設定的處理、計算程序，不需要操作人員干預；另一臺安裝控制軟件客戶端服務器，包含了控制器監控和性能監視模塊，同時在DCS界面增加控制器投用/切出操作面板，該主機系統是操作人員對控制系統的操作和參數調整的端口，可以依據生產變化情況隨時調整控制系統應用和效力。下面就實際工藝的模型建立和控制界面進行簡要描述。

3.1 模型建立

依照設計任務，該控制器實現甲醇精餾自動控制，包括以下4方面功能：①系統蒸汽設定：包括T801蒸汽和T802蒸汽，根據總進料或蒸汽壓力確定T801、T802蒸汽隨負荷變化的調節以及對蒸汽壓力波動的補償；②液位控制?？刂芓801回流槽液位，主要調整回流量；③回流比控制。三個塔的回流比控制，主要調整回流量，其中T801約束為回流槽液位，T803約束為兩個靈敏板溫度；④ T803靈敏板溫度控制。兩個靈敏板溫度控制，主要調整T803的回流量及T802的蒸汽流量。

控制器的結構關系設置見表1。

表1 控制器的結構關系設置

表1對應的控制策略解釋為：預精餾塔T801回流量用于控制回流槽液位，預精餾塔再沸器蒸汽流量用于控制預精餾塔回流比，由甲醇精餾裝置負荷(進料量)計算出預精餾塔再沸器蒸汽流量期望值，預精餾塔再沸器蒸汽流量能跟蹤其期望值；加壓精餾塔T802回流量用于控制加壓塔回流比；由甲醇精餾裝置負荷(進料量)計算出加壓精餾塔再沸器蒸汽流量期望值，加壓精餾塔再沸器蒸汽流量能跟蹤其期望值；常壓精餾塔T803回流量用于控制常壓精餾塔回流比和兩個靈敏板溫度，按甲醇裝置操作要求，當回流比在一定范圍內時，用常壓精餾塔回流量控制兩個靈敏板溫度，當回流比超出該范圍時，同時用加壓精餾塔再沸器蒸汽流量調節，該功能通過邏輯實現。

在APC模型外，為了克服蒸汽壓力波動影響，在DCS上修改組態，實現壓力流量補償。

3.2 操作員界面設置

操作員界面設置在DCS畫面中，簡單直觀，分別顯示了變量的狀態和模式以及控制器狀態和故障報警，設置了控制器以及各變量的投用和切出開關，操作簡化。

3.3 客戶端界面設置

客戶端界面為工程師控制臺，用于控制器參數的調整和展示，分別有下面四部分的界面及功能。

(1)控制器界面。該部分顯示各變量的目標值、測量值及上下限趨勢數據，直觀表達跟蹤情況，同時可查看歷史趨勢。

(2)控制器參數界面。該部分可以設置各變量的目標值、影響系數、響應系數、抑制因子、硬約束界限、模糊約束界限、軌跡權重系數、預測校正系數、調節優先順序等一系列參數。

(3)控制器動態模型參數界面。該部分可以設置模型的增益約束、時間常數約束以及純滯后時間等參數。

(4)性能指標界面。該部分可以查看投用、偏差、干擾等各種統計信息的圖示及報表。

在依照項目機理和類似經驗建立初步模型后，針對本項目需要進行一系列的工廠測試，以達到符合本裝置獨特性的真實有效模型。通過工廠測試，在理想情況下，需特意改變唯一操縱變量以觀察特定被控變量的變化，這能最大限度地來界定被控變量和操縱變量的單一關系。通常以階躍測試為主，短測試得到高頻數據，長測試得到低頻數據，階躍幅度大小以及停留時間隨具體情況而變，以不影響生產為前提，最終通過采集相關工藝數據，完善模型設計。

4 先進控制的應用效果

控制系統測試完成后投入運行控制，操作員正常操作控制器的投入和切出對系統無干擾；工程師界面需要授權的用戶名和密碼登錄，供工程師編輯以及查看匯總統計結果。

各參數取一個月的平均值標準差的計算對比見表2。

表2 投用前后標準差計算對比

APC投用前后T802塔蒸汽消耗的對比見表3。

另外，對甲醇精餾單元控制室人工操作的數量進行了統計，APC投用前統計了一周的操作數量，分別為蒸汽流量調節84次，3個塔的回流調節357次，而APC投用后統計一周的操作數量僅為12次。

表3 APC投用前后T802塔蒸汽消耗的對比

以上的對比數據顯示，甲醇精餾3臺精餾塔的操作穩定性得到大幅提升，波動幅度降低30%以上，全部實現自動控制。通過對蒸汽消耗數據的對比，綜合減少蒸汽消耗1.2萬t/a以上，達到預期的目的。

5 結語

2018年先進控制系統在萬華化學甲醇精餾和其他3套裝置上已經得到成功應用，后續計劃將繼續深入應用到多套裝置。隨著工業裝置的日趨大型化、集成化發展，系統復雜性不斷增加，控制目標多元化，約束條件也不斷苛刻，設計者在不斷準確把握被控過程機理，研究適合的先進控制策略，先進控制系統的應用將得到更廣泛的推廣，而且針對先進控制系統的優勢，設計者在設計時也將必須首先選用先進控制。