二甲苯吸附分離裝置吸附塔壓力控制的優化

王長軍，劉曉云

(中國石化揚子石油化工有限公司，江蘇 南京210048)

某二甲苯吸附分離裝置采用旋轉閥模擬移動床吸附分離技術，控制系統采用熱備冗余控制器，大幅提高了控制系統連續正常運行的能力。吸附塔壓力控制是芳烴吸附分離裝置操作的關鍵性指標，壓力波動必須控制在±0.05 MPa以內，波動越小，生產越穩定，產品純度和收率也越好。抽余液在吸附塔A塔時，因存在滯后，壓力更難控制。為能有效控制塔壓波動，對壓送循環流量和抽余液壓力控制進行分析并優化。

一是利用在常規PID控制基礎上加超調控制，使得壓送循環流量迅速跟蹤設定值，塔壓快速達到平穩運行狀態；二是利用A/B塔塔底壓力的交叉控制策略來有效控制抽余液在A塔時的壓力波動，使得吸附塔壓力始終保持平衡穩定，確保了裝置的平穩運行，取得了令人滿意的效果。

1 工藝過程簡介

吸附分離裝置以混合二甲苯為原料，利用吸附劑優先選擇吸附對二甲苯的特性，通過吸附劑的吸附分離過程，生產99.5%以上純度的對二甲苯。該裝置采用模擬移動床工藝，流程示意圖如圖1所示。通過旋轉閥進行物料的分配，有2個立式吸附塔，每個塔有12個床層，床層中裝有固體吸附劑，且有1根床層管線與旋轉閥相連接，因此進入旋轉閥共有24根床層管線。正常運轉時有7股物料通過旋轉閥和床層管線進出吸附塔，這7股物料的進出口位置利用旋轉閥的旋轉步進，按一定時間間隔和順序沿著吸附塔各床層自上而下地實現周期性切換，用2臺循環泵保持大部分液體在2個吸附塔間循環流動。1臺循環泵將第12床層的液流送到第13床層，該流量叫做壓送循環流量(FI6924)，另一個循環泵將第24床層的液流送到第1床層，該流量叫做泵送循環流量(FC6923)。

進出吸附塔的7股流量分別是： 原料(F)、解吸劑(D)、一次沖洗液進(H入)、二次沖洗液(X)、抽余液(R)、抽出液(E)及一次沖洗液出(H出)，它們從吸附塔的不同床層進出，并且按相對位置不變周期性地切換。通常把各股物料間的相對位置稱為區域，有7股物料就對應有7個區域，分別是Ⅱ，ⅡA，ⅡB，Ⅲ，ⅢA，Ⅳ，Ⅰ區，如圖2所示。

圖1 模擬移動床流程示意

圖2 區域位置示意

由于區域是以物料進出口位置而定，而進出口位置是不斷切換和變化的，因此，區域也在周期性地變化，區域流量即凈物料流也就隨之發生變化，導致2個吸附塔壓力隨之出現波動。該裝置原吸附塔壓力控制是通過A塔塔底壓力控制回路PC6904控制壓送循環流量，使得A塔壓力保持0.88 MPa，并控制2個塔的壓力平衡，通過B塔塔底壓力控制回路PC6910來控制抽余液的流量，使得B塔壓力保持在0.88 MPa。為使控制器能辨別壓送循環流量和抽余液在某一時刻處于哪個區域，在旋轉閥頂部裝了旋轉開關，該開關跟著旋轉閥一起轉動，旋轉開關中有24個觸點，對應模擬移動床的24個床層，在任何時刻只有1個觸點接通，接通的觸點號對應于原料(F)輸入的床層號。同時程序通過運算得出相應的邏輯床層位置，為保證可靠性，正常運行中實際床層位置僅僅作為參考，而以邏輯床層位置作為區域切換的依據，邏輯床層位置經過區域選擇系統進行選擇后變為相應的壓送循環區域信號和抽余液區域信號，再根據相關壓力和流量測量信號，通過自動計算得出壓送循環流量和抽余液流量的計算值。

吸附塔壓力控制是芳烴吸附分離裝置操作的關鍵性指標，壓力波動必須控制在±0.05 MPa以內，波動越小，生產越穩定，產品純度和收率也越好。特別是在抽余液R在A塔時，因存在滯后，壓力更難控制，為能有效控制塔壓波動，有必要對壓送循環和抽余液壓力控制進行分析優化，并采取一定的改進措施。

2 壓送循環流量控制的特點

當區域流量自A塔切換至B塔時，必然導致A塔壓力的較大變化，為更好地控制A塔的壓力，要求用壓送循環流量來實現與區域切換同步的急劇流量變化。因此，若能對區域切換造成的流量急劇變化進行提前干預，使被調參數測量值緊跟給定值，調節的目的也就達到了。壓送循環流量控制系統中，流量變化量是由各物料之間的相對關系通過自動檢測、計算給出，區域發生變化，流量也隨之要發生變化，從而保持壓力的恒定，工藝要求調節及時、平穩，不能大幅度來回振蕩，普通的PID調節難以滿足要求，所以要選擇最快的非振蕩過程，通過常規PID調節加超調控制來保持區域變換時的穩定控制。在正常運行時，該回路必須置自動位置，給定信號必須置“遠方給定”位置，另外，假設旋轉閥的步進時間為t，t隨負荷的變化可在操作站上改變，那么旋轉閥步進一個周期要24t，在這24t內區域流量要改變7次。根據工藝要求，當操作負荷為100%時，t應設定為75 s，那么在該負荷下旋轉閥一天要作區域變化調節次數為： (24×3 600×7)/(24×75) =336次，一年要作區域變化調節次數為： (24×3 600×7×365)/(24×75)=122 640次，可見該控制系統調節頻繁，要求很高。

3 壓送循環流量控制的優化

壓送循環流量控制系統是由給定值R(s)、測量系統Gm(s)，調節器Gc(s)，控制閥GV(s)以及調節對象Gp(s)等組成，其傳遞函數可表示為

G(s)=[Gc(s)GV(s)Gp(s)]/[1+Gc(s)GV(s)Gm(s)]

(1)

當測量值與給定值之間存在偏差時，調節器就對此偏差進行調節，調節器輸出信號送給控制閥以改變閥門開度，直至測量值等于給定值為止。控制原理如圖3所示。

圖3 壓送循環流量控制原理示意

常規PID算法為

(2)

式中：OP(t)——調節器輸出參數；E(t)——偏差，E(t)=PV(T)-SV(t)；PB——比例度；PV(t)——被調參數測量值；TI——積分時間常數；SV(t)——給定值；TD——微分時間常數。

在該調節器中，既有與輸入偏差成比例的比例作用，又有偏差不為0時輸出一直改變直到極限值的積分作用，還有輸出與輸入信號的變化速度成正比的微分作用。而工藝過程控制要求很高，在區域轉換流量發生階躍變化時，要使調節器的輸出信號隨即發生快速變化，必須增強比例作用，減小PB，增強積分作用，減小TI。而比例作用和積分作用增強，雖然會使偏差迅速減少、過渡過程加快，但也會使系統穩定性變差、發生振蕩，甚至發散。比例作用減小、積分作用減弱會導致跟蹤緩慢、調節不及時。如果加入微分作用，它也只能對偏差信號的變化速度起作用，不能反映偏差的大小，所以參數整定很困難，效果總不太理想。而且負荷變化時，參數又要重新整定。為此，提出了一種超調控制策略，即讓調節器記憶上個周期在該區域時的輸出信號，即記憶區域平均值信號，在區域發生變化之前將調節器置為手動，并直接將調節器輸出作為調節器的記憶值，一定時間后再切為自動并進行PID調節，區域轉換控制如圖4所示。

圖4 區域轉換及超調控制參數示意

圖4中，t0為調節器由自動模式切換為手動模式后在OP開始變換之前持續的時間。t1為調節器處于手動模式時超調持續的時間。t2為調節器超調結束后至恢復為自動模式前持續的時間。tc為超調提前/滯后步序的時間。負數表示調節器輸出在步序切換之前發生變化；為零表示調節器輸出在步序切換同時發生變化；正數表示調節器輸出在步序切換之后發生變化。tTME為旋轉閥動作允許最大時間。OPc為上一步驟最后10 s內調節器輸出OP的平均值。OPx為下一個步序調節器輸出的初始預設值。OPp為區域變換時超調值。OPp=k(OPx-OPc)+OPc，其中k為(0， 3)內的一個浮點數。當k=1時，表示該區域轉換時無超調量；k>1時，表示有超調量；k<1時，表示有預調量。在裝置初次開工時，OPc，OPx的值是根據旋轉閥流量特性圖計算得出的，由操作工手動給定。

4 2臺壓力調節器交叉控制策略

如前所述，當抽余液在B塔時，A塔的壓力由PC6904來調節，B塔壓力通過PC6910來調節。而當抽余液在A塔時，無法用抽余液的采出量直接調節B塔壓力，所以當B塔壓力出現波動時，需要A塔壓力發生變化后，通過壓送循環流量來間接調節，由此就產生了較大的滯后，塔壓也就較難控制。所以提出PC6904和PC6910在抽余液在A塔時采用交叉控制策略，即PC6910控制PV6904，而PC6904用來控制PV6910，并在床層的不同位置相應控制算法也不同，調節器作用方式也相應改變，使得壓力控制更容易。

4.1 抽余液在B塔時壓力控制

當抽余液從B塔輸出時，PC6904和PC6910分別用來控制A塔和B塔的壓力，其控制流程如圖5所示。

此時B塔壓力控制器PC6910與PV6910的關系為正作用，A塔壓力控制器PC6904與PV6904的關系也為正作用，當A塔和B塔壓力偏離給定值時，通過正作用調節器給出相應輸出值，改變流出B塔的凈物料流和A塔轉移至B塔的凈物料流，從而使得吸附塔壓趨于穩定，其控制閥動作與塔壓的關系見表1所列。

圖5 抽余液在B塔的控制流程示意

表1 抽余液在B塔時控制閥動作與A塔和B塔的關系

4.2 抽余液在A塔時壓力控制

在抽余液轉移至A塔輸出時，其控制流程也相應改變，如圖6所示。

此時PC6910去控制PV6904，其關系則為反作用，PC6904去控制PV6910，其關系為正作用，當A塔和B塔壓力偏離給定值時，通過正/反作用調節器給出相應輸出值，改變流出A塔的凈物料流和A塔轉移至B塔的凈物料流，從而使得吸附塔塔壓趨于穩定，其控制閥動作與塔壓的關系見表2所列。

4.3 存在問題

當抽余液在A塔時，此時PC6910去控制壓送循環流量控制閥PV6904，若恰好要對PV6910進行切出檢修，操作工容易誤將PC6910控制模式切至手動，從而導致吸附塔壓力波動，解決該問題的辦法是在操作界面中增加壓力表與控制閥狀態對應關系表。

5 結束語

吸附分離裝置塔壓控制系統優化改造經過一年多的運行，能有效控制塔底壓力波動，控制曲線明顯平穩，塔壓波動控制在0.05 MPa左右，保證了生產的穩定，使產品質量提升，產量大幅增加，取得了令人滿意的效果，為工藝長周期高負荷高質量生產打下了堅實的基礎。