乙烯精餾塔質(zhì)量控制的溫度測量精度問題及改進措施

羅雄麟 趙曉鷹 孫 琳 許 銞

(中國石油大學(xué)信息學(xué)院自動化系，北京 102249)

精餾塔是石油化工生產(chǎn)過程中應(yīng)用最為廣泛的分離設(shè)備，同時也是能耗較多、要求較嚴格、操作條件較苛刻的操作單元。塔內(nèi)各塔板上同時進行著傳質(zhì)、傳熱過程，各變量之間的關(guān)聯(lián)度較高。精餾塔質(zhì)量控制過程中，最直接的質(zhì)量指標(biāo)是餾出物產(chǎn)品組成。近年來，成分檢測儀表發(fā)展很快，特別是對工業(yè)色譜在線分析研究較多[1～3]，出現(xiàn)了很多以組分為直接質(zhì)量指標(biāo)的控制方案。然而由于組分分析儀表價格昂貴，維護保養(yǎng)困難，采樣周期較長，導(dǎo)致反應(yīng)緩慢、滯后較大、可靠性低[4～7]，實際質(zhì)量控制過程中一般以溫度作為被控變量，將溫度控制在要求范圍內(nèi)，根據(jù)模型反推得到產(chǎn)品質(zhì)量。

乙烯精餾塔是精餾塔中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜[8～10]、要求最嚴格的分離設(shè)備，與一般精餾塔相比，乙烯精餾塔有3個特征：采用中間再沸器、產(chǎn)品側(cè)線抽出、產(chǎn)品質(zhì)量要求較高。采用中間再沸器是為了回收冷卻量，產(chǎn)品側(cè)線抽出可以提高出料產(chǎn)品中的乙烯濃度，避免塔頂產(chǎn)品中甲烷的影響，有脫甲烷功能，使一塔起到兩塔的作用。雖然這樣可以降低生產(chǎn)成本和操作費用，但同時也增加了塔的自由度，使塔的耦合性增加，比常規(guī)精餾塔更難操作和控制。乙烯精餾屬于精密精餾過程，對出料乙烯產(chǎn)品質(zhì)量要求較高，乙烯精餾塔的操作和控制水平直接關(guān)系到乙烯產(chǎn)品的質(zhì)量、收率和能量消耗[11～13]。*收稿日期：2015-05-14(修改稿)

現(xiàn)場乙烯精餾塔DCS控制系統(tǒng)中，測量的模擬信號需通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為控制器可以處理的數(shù)字信號[14～16]，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與被測變量量程會影響溫度測量精度和量化結(jié)果。若以溫度作為被控變量去反推得到產(chǎn)品質(zhì)量，必須保證溫度與餾出物產(chǎn)品質(zhì)量一一對應(yīng)，即使現(xiàn)場A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)選擇最高，經(jīng)過量化后的溫度與出料乙烯濃度仍有一定的信息丟失[17]，某一溫度不再對應(yīng)唯一的產(chǎn)品純度，而是對應(yīng)餾出物乙烯產(chǎn)品質(zhì)量的一個范圍。因此，實際乙烯精餾塔DCS控制系統(tǒng)中，由于溫度測量精度低，無法保證與產(chǎn)品質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系，即使形成反饋控制回路也無法將溫度控制在設(shè)定值不變，反饋控制回路失效，不能滿足乙烯精餾塔的質(zhì)量控制要求。在實際乙烯精餾過程中，溫度通常不形成閉環(huán)控制回路，一般采取開環(huán)控制，易使溫度余差較高且系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。為此，筆者對此進行了分析、改進。

1 A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)對溫度測量精度的影響及改進措施

1.1 A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)對溫度測量精度的影響

實際乙烯精餾塔DCS控制系統(tǒng)中，若以溫度為被控變量，間接表征餾出物產(chǎn)品質(zhì)量，A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)與溫度變化量程直接影響溫度的測量精度和量化結(jié)果。A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)越高，溫度變化范圍越小，測量精度越高，餾出物溫度與產(chǎn)品質(zhì)量信息丟失量越少，兩者的匹配度越高[18～20]。

現(xiàn)場乙烯精餾塔DCS操作系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)選擇有12位和16位，溫度測量儀表為鎳鉻-銅鎳熱電偶(E型熱電偶)，溫度測量范圍為-200～800℃，量程為1 000℃。DCS制造商為了降低成本,幾個同類信號共用一塊A/D轉(zhuǎn)換器電路板[21,22],由于各信號數(shù)值差別較大，溫度量程取最大的變化范圍以滿足所有信號變化，實際乙烯精餾塔DCS系統(tǒng)中，溫度變化量程取1 000℃。現(xiàn)有12位和16位A/D轉(zhuǎn)換器在不同溫度變化量程下的測量精度與量化單位見表1。

表1 A/D轉(zhuǎn)換器在不同量程下的測量精度與量化單位

實際生產(chǎn)過程中，乙烯精餾屬于精密精餾過程，出料產(chǎn)品組分波動控制在0.15%以內(nèi)，相應(yīng)的溫度變化很小。該化工廠一天內(nèi)乙烯產(chǎn)品質(zhì)量與溫度變化的曲線如圖1所示。

圖1 一天內(nèi)乙烯產(chǎn)品質(zhì)量與溫度的變化曲線

由圖1可知，現(xiàn)場測量的溫度信號是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的離散信號，溫度測量精度很低只有0.1℃，導(dǎo)致量化后的溫度不再對應(yīng)唯一的產(chǎn)品質(zhì)量，而是對應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量的一個范圍。由于現(xiàn)場乙烯精餾塔壓力波動很大，一天內(nèi)的溫度變化也較大，在0.4℃左右。由表1可知，12位的A/D轉(zhuǎn)換器在溫度量程為1 000℃情況下，溫度測量精度為0.490℃，超出實際乙烯廠溫度變化范圍，測量精度和量化結(jié)果均不能滿足乙烯精餾塔質(zhì)量控制要求，因此在實際乙烯精餾塔DCS系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器多選用16位，使測量精度更高。

乙烯精餾塔示意圖如圖2所示。引用筆者所建立的該乙烯精餾塔的動態(tài)數(shù)學(xué)模型[23]，仿真得到抽出板溫度與產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系。由于該乙烯精餾塔模型假定塔頂壓力保持恒定，產(chǎn)品質(zhì)量變化0.18%左右時，抽出板溫度只變化0.03℃，波動幅度較實際變化數(shù)據(jù)小得多。由上述分析可知，現(xiàn)場乙烯精餾塔DCS系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器選擇最高位16位，根據(jù)表1結(jié)果可知，溫度量程過大不能滿足該乙烯精餾塔溫度波動。因此，取溫度變化量程最小值對該乙烯精餾塔出料溫度進行量化，量化前和量化后的溫度與產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系如圖3所示。

圖2 乙烯精餾塔示意圖

圖3 量化前和量化后溫度與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系

由圖3可知，量化后的溫度與產(chǎn)品質(zhì)量之間存在一定信息丟失。此時若以溫度作為被控變量，設(shè)定值為T4，則根據(jù)圖3反推得到的產(chǎn)品質(zhì)量不再是某個固定值，而是一個范圍C1～C2，抽出板溫度與產(chǎn)品質(zhì)量不再一一對應(yīng)，無法滿足乙烯精餾塔質(zhì)量控制要求。仿真實驗中即使A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)選擇最高，溫度變化量程最小，溫度測量精度仍然很低，而實際乙烯精餾過程中，溫度量程要大得多，使得溫度測量精度更低，信息丟失量更大，溫度只能采用開環(huán)控制，不能形成閉環(huán)回路，無法滿足質(zhì)量控制要求。因此，實際乙烯精餾塔質(zhì)量控制的溫度測量精度仍存在一定問題，需要改進。

1.2 改進措施

由上述分析可知，實際乙烯精餾塔DCS控制系統(tǒng)中，由于A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)與被控變量變化量程的局限性，無法達到實際要求的溫度測量精度，不能滿足質(zhì)量控制要求。并且由圖1可知，溫度測量精度提高到0.000 1℃時，溫度與產(chǎn)品質(zhì)量的信息丟失量大幅降低，可以由溫度反推得到唯一的產(chǎn)品質(zhì)量，滿足質(zhì)量控制要求，因此為將原測量精度由0.03℃提高到0.000 1℃。筆者提出如下的改進措施：保持各類信號最大的變化量程1 000℃不變，提高DCS控制系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)越高，控制精度越高，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器量化后的溫度與餾出物產(chǎn)品質(zhì)量信息丟失量越少，匹配度越高。溫度變化量程1 000℃下，建議實際乙烯DCS控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器選擇24位?，F(xiàn)場16位A/D轉(zhuǎn)換器與20、24位A/D轉(zhuǎn)換器在不同量程下的測量精度與量化單位見表2。

表2 A/D轉(zhuǎn)換器在不同量程下的控制精度與量化單位

由表2可知，若實際乙烯精餾塔DCS控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)由現(xiàn)場的16位提高到建議的24位，溫度變化量程為1 000℃，溫度測量精度變?yōu)?.192×10-4，較原有16位A/D轉(zhuǎn)換器有大幅度提高。經(jīng)過24位A/D轉(zhuǎn)換器量化后的溫度與產(chǎn)品質(zhì)量的信息丟失量減少，匹配度提高，可以由溫度反推出唯一的產(chǎn)品質(zhì)量值，達到實際要求的溫度測量精度，滿足乙烯精餾塔質(zhì)量控制要求?？紤]到工業(yè)操作中希望溫度量程覆蓋較寬同時滿足開工和正常操作，建議A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)選擇24位。

2 改進前后控制效果分析

以上述乙烯精餾塔動態(tài)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用流程模擬軟件gPROMS搭建該乙烯精餾塔DCS反饋控制系統(tǒng)，控制方案為：抽出板溫度為被控變量，回流量為操縱變量，塔頂回流量控制抽出板溫度。實際乙烯精餾塔控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場采集的溫度信號為連續(xù)信號，而機房處理的是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的離散信號。

2.1 溫度設(shè)定值為量化值

在該DCS反饋控制系統(tǒng)中，溫度設(shè)定值為圖3中的量化值，通過整定合適的控制參數(shù)，采用16位與24位A/D轉(zhuǎn)換器均可以將溫度控制在設(shè)定值不變，此時仿真獲得16位與24位A/D轉(zhuǎn)換器下，側(cè)線抽出T、經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的TA/D和該溫度對應(yīng)的側(cè)線抽出乙烯產(chǎn)品質(zhì)量響應(yīng)曲線(圖4)。

圖4 溫度設(shè)定值為量化值時不同轉(zhuǎn)換器下的控制效果

由圖4可知，實際乙烯精餾塔DCS反饋控制系統(tǒng)中，若采用16位A/D轉(zhuǎn)換器，溫度設(shè)定值為圖3中量化后的T4。通過整定控制參數(shù)，最終將溫度控制在設(shè)定值不變，而出料乙烯產(chǎn)品質(zhì)量在99.851%～99.875%范圍內(nèi)波動，即圖3中的C1～C2。由此表明，在16位A/D轉(zhuǎn)換器下，溫度與產(chǎn)品質(zhì)量不再一一對應(yīng)，即溫度不能表征產(chǎn)品質(zhì)量，該反饋控制回路失效。若采用改進后的24位A/D轉(zhuǎn)換器，測量精度提高，溫度量化單位縮小，使溫度與餾出物產(chǎn)品質(zhì)量信息丟失量減少。最終將溫度控制在設(shè)定值不變時，側(cè)線抽出板溫度T與經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的TA/D重合，側(cè)線抽出乙烯產(chǎn)品質(zhì)量波動很小，可以近似認為不變，此時溫度對應(yīng)著唯一的產(chǎn)品質(zhì)量，表明溫度設(shè)定值為量化值時，采用24位A/D轉(zhuǎn)換器形成的控制回路有效，且可以達到溫度測量精度，滿足質(zhì)量控制要求。

2.2 溫度設(shè)定值為非量化值

當(dāng)溫度設(shè)定值在兩個量化值之間為非量化值時，采用16位A/D轉(zhuǎn)換器無法將溫度控制在設(shè)定值不變，而對于24位A/D轉(zhuǎn)換器，溫度測量精度很高，量化單位很小可以近似認為連續(xù)信號，因此采用24位A/D轉(zhuǎn)化器可以將溫度控制在設(shè)定值不變。溫度設(shè)定值為非量化值時，采用16位與24位A/D轉(zhuǎn)換器對應(yīng)的控制效果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)溫度設(shè)定值在圖3中的兩個量化值T3與T4之間更靠近T4時，采用16位A/D轉(zhuǎn)換器，無論如何調(diào)整PID控制參數(shù)，最終溫度無法穩(wěn)定在設(shè)定值不變，而只能控制在離設(shè)定值Tsp更近的下一個量化值T4，控制偏差e一直存在，無法達到溫度測量精度。采用24位A/D轉(zhuǎn)換器，溫度可以控制在最終的設(shè)定值Tsp保持不變，可以認為乙烯產(chǎn)品質(zhì)量不變。

圖5 溫度設(shè)定值為非量化值時不同轉(zhuǎn)換器下的控制效果

由上述分析可知，無論溫度設(shè)定值為量化值還是非量化值，采用16位A/D轉(zhuǎn)換器，均無法滿足質(zhì)量控制要求。然而，采用24位A/D轉(zhuǎn)換器提高了溫度測量精度，無論設(shè)定值是量化值還是非量化值，最終溫度均可以形成反饋控制回路，且可以控制在設(shè)定值不變，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差消除，穩(wěn)定性增強，可以由溫度反推出唯一的產(chǎn)品質(zhì)量，滿足質(zhì)量控制要求。

3 結(jié)束語

采用16位A/D轉(zhuǎn)換器，溫度測量精度較低，由溫度不能反推得到唯一的產(chǎn)品質(zhì)量，溫度反饋控制回路失效。因此，乙烯精餾塔溫度通常采取開環(huán)控制，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，穩(wěn)態(tài)誤差變大。針對上述問題，筆者提出將原A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)由16位提高到24位的改進措施。通過仿真實驗表明該措施可將溫度測量精度提高到0.000 1℃，提高溫度與產(chǎn)品質(zhì)量的匹配度，使某一溫度對應(yīng)唯一的產(chǎn)品質(zhì)量，采用24位A/D轉(zhuǎn)換器可以構(gòu)成反饋控制回路，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，消除穩(wěn)態(tài)誤差，滿足實際精餾塔質(zhì)量控制要求。

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