脫乙烷精餾過程塔頂壓力控制系統應用研究

張 浩,盛茹吉,曹玉波*

(1.吉林化工學院 信息與控制工程學院,吉林 吉林 132022;2.中國石油工程建設有限公司 工程部,北京 100010)

脫乙烷精餾過程是乙烯生產工藝中的一道重要工序[1]。一般觀點認為前脫丙烷流程和順序分離流程適用于裂解原料較重的乙烯裝置,而前脫乙烷裝置適用于裂解原料較輕的乙烯裝置[2]。前脫乙烷技術對裂解氣化物進行精餾分離的第一順序塔為脫乙烷塔[3]。脫乙烷精餾塔塔頂分離器內壓力用來穩定精餾塔塔頂的壓力,通常采用單回路為主要控制方式進行調節[4],雖然可以達到工藝指標,但面對精餾塔氣體產物增多[5],精餾塔塔頂壓力突增,使得分離器內壓強產生強烈擾動的情況時[6],單回路控制系統對分離器內壓力以及出口氣體流量的穩定性控制效果欠佳[7]。因此對脫乙烷精餾塔采用串級控制技術,對系統平穩操作,節能提效等方面尤其重要[8]。

1 工藝流程

脫乙烷精餾過程塔頂壓力控制系統工藝流程簡圖如圖1所示,在物料進入精餾塔后,塔底進行加熱,隨后在各層塔板之間形成飽和的汽液混合物并進行分離。最終,輕組分物質(乙烷)以氣相形式從塔頂流向冷凝器,通過冷凝之后進入分離器。分離出的乙烷氣體被送至去氫反應器,而冷凝液則回流到精餾塔以進一步地精餾,此工藝過程中精餾塔的壓力是重要的工藝參數,而脫乙烷精餾塔的塔頂壓力通過控制產品氣體流量閥門來進行調節。原系統采用單回路PID控制形式,實際生產中在負荷等擾動因素作用下經常出現振蕩和不易收斂等問題。本系統以精餾塔塔頂壓力作為主被控對象,以氣相采出流量為副被控對象設計了塔頂壓力-流量串級控制系統。

圖1 脫乙烷塔壓力串級控制系統工藝流程圖

2 串級控制系統算法

控制系統的串級控制PID方框圖如圖2所示。流量測量變送器FT101用于測量實際氣體出口流量,壓力測量變送器PT101用于測量實際分離器內壓力。在控制器主控制模塊PC101中,將實際測得壓力值與設定值進行差值運算得到偏差e1,經過PID運算的輸出值作為副控制器模塊FC101的輸入值,再次經過副控制器模塊的PID運算,最終輸出結果調節閥門FV101的開度,進而通過調節氣體流量對分離器內壓力進行調節[9]。

圖2 串級控制系統方框圖

2.1 控制器常規PID控制算法

控制器采用常規PID控制算法,以設定值與實際測量值為輸入,其輸入與輸出的關系表達式[10]:

(1)

式(1)中u(t)為控制器的輸出值;e(t)為設定值R(t)與實時測量值P(t)的偏差值,KP、Ti、Td分別為比例系數、積分時間和微分時間。由于計算機系統無法處理連續變量,且PLC系統程序掃描周期遠小于被控對象時間常數,所以可將公式離散化處理,用求和代替積分,用差分代替微分,可以得到控制器第K次輸出結果:

(2)

2.2 改進PID算法

在實際生產過程中,當設定值發生變化時,常規PID的微分作用會引起控制器輸出突變,極端情況下可能會導致控制效果惡化。 本文采用改進的微分控制算法,用實際測量值代替偏差的微分增量來計算微分作用,以避免設定值變化時對系統產生的擾動,改進后的PID控制系統方框圖如圖3所示。

圖3 改進PID控制系統方框圖

改進后PID控制算式中的比例和積分作用與常規控制器相同,微分作用中的偏差項由測量值代替,具體計算過程如公式(3)所示。

(3)

3 基于S7PLC系統的串級控制程序實現

3.1 PID及改進程序實現

在STEP7中編制了控制程序功能塊FB4100,程序流程如圖4所示,e為當前偏差,e1為前次偏差,R為設定值,y為測量值,y1為前次測量值。當系統運行并調用改進PID控制程序塊時,測量變送器將測量值輸入控制器中,控制器產生偏差并進行運算。

圖4 改進PID控制程序流程圖

改進PID控制功能塊與西門子S7系統提供的PID控制功能和FB41具有相同的用法,可在中斷程序OB35或主程序OB1中使用,PID控制功能塊的接口參數見表1。

表1 PID模塊變量表

3.2 串級程序實現

在Step7軟件中,編寫串級改進PID控制系統程序,控制系統的程序如圖5所示。改進的PID控制程序模塊設置有GAIN、Ti、Td等控制參數。在控制程序中,通過計算設定值與測量值之間的偏差,對偏差進行比例和積分運算。微分運算時使用測量值的微分代替偏差的微分。同時,控制程序還對壓力和流量進行了串級控制。主控制器通過偏差值的比例積分運算和測量值的微分運算后得到輸出值。主控制器的輸出值作為副控制器的設定值,副控制器進行控制運算后輸出結果來控制被控對象。這種改進的PID控制系統能夠有效解決常規PID控制算法在設定值變化時可能引起的控制器輸出突變問題,提升了控制系統的性能和穩定性。

圖5 串級控制程序圖

4 控制系統仿真

單回路控制系統、串級控制和串級改進PID控制系統在壓力控制方面的效果如圖6(a)、(b)、(c)所示。

采樣時間/s(a) 單回路控制曲線

采樣時間/s(b) 串級控制曲線

采樣時間/s(c) 串級改進PID控制曲線圖6 控制效果對比

在I階段的"設定值變化控制過程"中,相較于單回路控制和串級控制,采用改進的PID控制方案后,系統的過渡時間縮短,穩定性明顯提高,超調量顯著減少。在Ⅱ階段的"負荷擾動控制過程"中,系統擾動主要由負荷增加(例如氣采產品消耗量增加)引起。無論是單回路控制系統還是串級控制系統,均能最終恢復到穩定狀態。然而,串級控制系統具有更強的抗干擾能力。當面臨設定值變化或負荷擾動時,控制系統改進后在超調量和調節時間等控制指標方面表現更優。因此,采用串級改進的PID控制方案可以提高系統整體的控制性能,并使其在面對擾動時表現更出色。

5 結 論

本研究基于脫乙烷生產工藝,針對實際生產過程中被控量穩定性不足的問題,采用了塔頂壓力-產品采出流量串級PID控制方案,并對PID控制器的微分作用做出了改進,以解決設定值變化時對控制器輸出產生的擾動,利用Step7軟件實現了控制程序的編寫。測試結果表明,改進后的系統運行穩定,具有良好的抗干擾能力,有效提高了精餾過程的效率,減小了擾動對控制系統穩定性的影響,為實際生產過程控制系統改造升級提供了一定的參考和借鑒。