分壁塔控制方法研究進(jìn)展

高 明，王 兵，高景山 ，薄徳 臣

（1. 中國石油化工股份有限公司 撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001；2. 中國石油天然氣股份有限公司 撫順石化分公司石油三廠， 遼寧 撫順 113001）

分壁塔控制方法研究進(jìn)展

高 明1，王 兵2，高景山1，薄徳 臣1

（1. 中國石油化工股份有限公司 撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001；2. 中國石油天然氣股份有限公司 撫順石化分公司石油三廠， 遼寧 撫順 113001）

對于多組分分離，分壁塔具有極大的應(yīng)用潛力。它能大幅度的降低裝置能耗、提高熱效率、減少設(shè)備投資，同時(shí)能獲得高純度的產(chǎn)品。然而，高的能量利用率和穩(wěn)定的操作離不開可靠有效的控制方法，其也是制約分壁塔大規(guī)模應(yīng)用的因素之一。分別從三點(diǎn)控制、四點(diǎn)控制、先進(jìn)控制和溫差控制等方面重點(diǎn)闡述了分壁塔在控制方面的研究進(jìn)展，為今后的研究和工業(yè)應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)方向。

分壁塔；控制；研究進(jìn)展

在石油化工領(lǐng)域中，精餾過程是最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的分離過程，其主要的缺點(diǎn)是能耗高，其能耗占整個(gè)石油化工工業(yè)用能的 40%左右[1]。近年來，國家對節(jié)能環(huán)保的大力要求，使得對精餾過程的節(jié)能技術(shù)研究具有極其重要的意義。分壁蒸餾技術(shù)于60多年前被提出[2]，其針對三組分物系分離，將常規(guī)兩塔分離變成一塔分離，在塔中間添加分隔壁（以下簡稱分壁塔），實(shí)現(xiàn)三組分物系的精確分離[3]。與傳統(tǒng)的三組分精餾序列相比，它具有熱力學(xué)效率高、能耗低和產(chǎn)品純度高等優(yōu)點(diǎn)，并且降低了設(shè)備投資和維護(hù)的費(fèi)用[4]。研究表明，對于不同的物系，分壁塔可節(jié)約 10%～60%的能耗，10%～50%的設(shè)備投資[5]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，分壁塔相關(guān)技術(shù)已有了長足的發(fā)展，自1985年BASF公司制造了世界上第一座工業(yè)化的分壁塔以來，全球已有近100座分壁塔投入生產(chǎn)運(yùn)行，而且工業(yè)投產(chǎn)量還在逐年增加，未來50年分壁塔將會(huì)成為主要的精餾技術(shù)[6]。

分壁塔技術(shù)將傳統(tǒng)的三組分精餾序列中的兩塔合并成一個(gè)塔，因此兩塔的控制條件都被集中到一個(gè)塔上，系統(tǒng)的自由度大大增加，導(dǎo)致分壁塔操作的穩(wěn)定性降低，其操作的復(fù)雜性和控制難度大大的提高了，這也是制約分壁塔大量工業(yè)化的重要原因之一[7]。近年來隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，在控制技術(shù)和模擬軟件等方面技術(shù)有了長足的進(jìn)步，眾多學(xué)者在分壁塔穩(wěn)態(tài)模擬、動(dòng)態(tài)模擬、控制方法和控制算法方面做了大量的研究。本文旨在介紹分壁塔典型的控制方法，為今后的研究提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用方向。

1 問題描述

分壁塔示意圖如圖1所示，在傳統(tǒng)精餾塔中沿著塔體軸向焊接（或非焊接）一個(gè)分隔壁，將塔體分為左右兩側(cè)，因此該塔分為四個(gè)部分，分別是預(yù)分餾段、公共精餾段、公共提餾段和側(cè)線采出段，分隔壁上下分別共用一段精餾段和提餾段。根據(jù)分壁塔的結(jié)構(gòu)可以看出，分壁塔有8個(gè)自由度，分別是冷凝器負(fù)荷Qc、塔頂抽出量D、側(cè)線抽出量S、塔底抽出量B、液體回流量L、再沸器負(fù)荷V、液相分配比βL和氣相分配比βV。其中液相分配比βL是指液體從公共精餾段進(jìn)入預(yù)分餾段和側(cè)線抽出段流量的比值，其可作為操縱變量；而氣相分配比βV由于在設(shè)計(jì)階段已由水力學(xué)條件（壓力降和流動(dòng)阻力）確定，因此不應(yīng)作為操縱變量，所以分壁塔共有7個(gè)自由度。

圖1 分壁塔示意圖Fig.1 Schematic diagram of DWC

一般來說，分壁塔的塔頂抽出量D或塔頂回流量L用來控制回流罐液位；塔底抽出量B或再沸器負(fù)荷V用來控制分壁塔液位；冷凝器負(fù)荷Qc控制塔頂壓力；用剩下的四個(gè)操縱變量L或D、B或V、S和βL去控制三個(gè)產(chǎn)品的純度，這意味著還剩下一個(gè)操縱變量，往往用其來實(shí)現(xiàn)其他控制目標(biāo)，諸如全塔能耗最小化等等[8-10]。

2 控制方法介紹

近年來，越來越多的學(xué)者針對不同的物系探索了分壁塔的控制方法，取得了大量了研究成果，并模擬了整個(gè)動(dòng)態(tài)過程，驗(yàn)證了其控制性能。同時(shí)將各種建模方法和控制算法應(yīng)用于分壁塔控制中，證明了其在分壁塔應(yīng)用的可行性。

2.1 三點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)

三點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)是最簡單最實(shí)用的控制結(jié)構(gòu)，該控制結(jié)構(gòu)由Wolff和Skogestad[11]提出，用D和B分別控制回流罐和塔底液位，用L、S和V分別控制三組分產(chǎn)品的純度，控制方法縮寫為DB/LSV。Wolff和Skogestad[11]針對乙醇、丙醇和丁醇物系應(yīng)用了該控制方法，能夠很容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定操作，但是當(dāng)進(jìn)料組成有變化時(shí)，控制效果并不是很好。

而三點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)還有另外三種控制方法，其簡寫分別是LV/DSB、DV/LSB和LB/DSV三種控制方法。李軍[12]等將上述四種三點(diǎn)控制方法應(yīng)用于苯、甲苯和二甲苯分離中，選擇產(chǎn)品的組成作為被控變量，并且在Aspen Dynamic平臺(tái)上模擬了上述四種典型控制方法，分別對進(jìn)料流量和進(jìn)料組成實(shí)施±10%的擾動(dòng)，其結(jié)果表明LV/DSB控制策略性能最好，控制器調(diào)節(jié)時(shí)間最短，最大偏差最小。其隨后還探索了用產(chǎn)品溫度-組成的串級(jí)控制來實(shí)現(xiàn)LV/DSB控制策略，結(jié)果表明，串級(jí)控制效果要好于單回路控制。相類似的，San-Jang Wang[13]等也研究了三點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)，旨在能量最小化和產(chǎn)品純度之間找出平衡區(qū)域，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在三點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)下使用溫度-組分串級(jí)控制能夠?qū)崿F(xiàn)該目標(biāo)，并且對進(jìn)料流量、液體分配率和氣體分配率的干擾有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。而且引入了相對增益矩陣（RGA）來計(jì)算控制變量和操縱變量間的耦合度，以確定二者之間的最佳匹配，降低了系統(tǒng)的耦合度，取得了更好的控制效果。Serra[14]等引入動(dòng)態(tài)矩陣控制器（DMC）來替換傳統(tǒng)PID控制器，雖然獲得了更好的控制性能，但是其也指出更好的控制性能主要取決于分壁塔的設(shè)計(jì)。

三點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)是最簡單的控制結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明，針對不同的物系，需要選擇不同的控制方法。而確定控制方法后，采用溫度-組分串級(jí)控制方法抗干擾能力更強(qiáng)。通過計(jì)算控制變量和操縱變量間的相對增益矩陣，找出兩者的最佳匹配，能夠降低系統(tǒng)的耦合度，提高系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性。

2.2 四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)

四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)是在三點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，將液體分配率βL作為操縱變量，如控制系統(tǒng)能耗的最小化，一般以控制重組分從公共精餾段進(jìn)入預(yù)分餾塔的量來實(shí)現(xiàn)等。

Wolff和Skogestad[11]對同一物系又實(shí)施了四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)，即增加了操縱變量液體分配率βL，去控制側(cè)線產(chǎn)品中輕組分和重組分的濃度。仿真結(jié)果表明，針對進(jìn)料的任意擾動(dòng)都能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)控制。Salvador[15]等研究了四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)，并且利用相對增益矩陣（RGA）分析來確定操縱變量和控制變量的組合。針對丁烷、正戊烷和異戊烷三組分物系，DB/LSV控制策略體現(xiàn)了更好的性能，并且在增加了βL作為操縱變量后，實(shí)現(xiàn)了能耗的最小化。Deeptanshu Dwivedi[16]和Anton A. Kiss[17]等人也同時(shí)研究了四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)的性能。該控制方法通過控制重組分在塔頂產(chǎn)品的量、輕組分在側(cè)線產(chǎn)品的量、重組分在側(cè)線產(chǎn)品的量和輕組分在塔底產(chǎn)品的量，在達(dá)到了產(chǎn)品純度的要求下，實(shí)現(xiàn)了能耗最小。Christina Buck[18]等將四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)和三點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比，分別對進(jìn)料量、進(jìn)料組成實(shí)施干擾，從控制器的穩(wěn)定時(shí)間、最大超調(diào)量、波動(dòng)范圍等指標(biāo)進(jìn)行比較，四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)明顯好于三點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)，且四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)大大的降低了再沸器的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了能耗的減少。

Salvador Tututi-Avila[19]等采用四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)來控制分壁塔，但其用一種新型模糊邏輯控制器（FLC）來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的比例-積分-微分控制器（PID），模糊邏輯控制是一種專家系統(tǒng)，通過模糊規(guī)則庫中的語言變量，即用IF-THEN邏輯語句實(shí)現(xiàn)控制算法。通過對正戊烷、正己烷、正庚烷物系和苯、甲苯、二甲苯物系進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，結(jié)果顯示模糊邏輯控制器是有效的，且顯著提升了系統(tǒng)的抗干擾能力，降低了控制器穩(wěn)定的時(shí)間，并且該控制器不需要復(fù)雜的計(jì)算，實(shí)施較為方便。

由此可見增加液體分配率βL作為操縱變量，控制重組分進(jìn)入預(yù)分餾塔的量或控制側(cè)線產(chǎn)品中輕組分和重組分的濃度，將控制結(jié)構(gòu)變成四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)，不僅能達(dá)到產(chǎn)品純度的要求，還能顯著減少系統(tǒng)的能量消耗，使得能耗達(dá)到最小化。相比于三點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢。

2.3 先進(jìn)控制

模型預(yù)測控制（MPC）技術(shù)以被控系統(tǒng)預(yù)測模型為基礎(chǔ)，采用滾動(dòng)優(yōu)化與反饋矯正相結(jié)合的方式，能使系統(tǒng)最快時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且能解決系統(tǒng)的非線性、強(qiáng)耦合等問題[20-22]。目前，MPC技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到石油化工行業(yè)。

Rohit R.Rewagad[23]等將MPC應(yīng)用到分壁塔控制中，針對苯、甲苯和二甲苯物系，建立6×6輸入-輸出矩陣，輸入變量為三產(chǎn)品純度、液體分配率、回流罐和分壁塔液位，輸出變量為D、B、L、S、V和βL。運(yùn)用MPC將非線性模型線性化，建立預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)預(yù)測控制，與常規(guī)PID相比超調(diào)量更小，整定時(shí)間更短。Manuel[24]等比較了MPC與四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)，針對C5、C6和C7物系分離，證明了模型預(yù)測控制可以消除所有控制回路之間的耦合，能夠大幅度降低受到擾動(dòng)后系統(tǒng)穩(wěn)定的時(shí)間。Till Adrian[25]等為了研究MPC的控制性能，建立了一套實(shí)驗(yàn)裝置，研究進(jìn)料流量為3 kg/h的丁醇（15%）、戊醇（70%）和己醇（15%）(wt)物系的分離性能，其塔高11.5 m，公共精餾段和提餾段直徑40 mm，預(yù)分餾段和側(cè)線采出段直接均為50 mm。選擇回流率、液體分配率和側(cè)線采出量分別來控制預(yù)分餾塔進(jìn)料板上的溫度、側(cè)線采出塔采出板上的溫度和公共提餾段的溫度。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)表明，在進(jìn)料流量和組成波動(dòng)的情況下，MPC顯示出了極強(qiáng)的控制能力，與常規(guī)PID控制相比，控制器穩(wěn)定時(shí)間提高了80%，最大偏差減小了50%。

Rajeev Kumar Dohare[26]等針對苯、甲苯和二甲苯物系，為了克服組分分析的滯后性，選擇溫度作為控制變量，采用回流量、側(cè)線采出量和再沸器負(fù)荷作為操縱變量，建立3輸入-3輸出模型，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型，實(shí)現(xiàn)預(yù)測控制。將控制性能與三點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)做比較，穩(wěn)定時(shí)間提高了80%，展現(xiàn)出了比較強(qiáng)大的控制能力。

Anton A. Kiss[27]等研究了更多先進(jìn)控制器如線性二次高斯控制（LQG）和線性二次規(guī)劃（LQR），經(jīng)驗(yàn)證其在進(jìn)料流量擾動(dòng)時(shí)抗干擾性很強(qiáng)。但其控制效果還需深入的研究和實(shí)際的檢驗(yàn)。

2.4 溫差控制

大多數(shù)學(xué)者在研究精餾過程控制時(shí)都選擇組分或溫度作為控制點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)控制目的。而Ling與Luyben[28,29]提出了一種溫差控制（TDC）策略，其采用四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)，將控制變量從常規(guī)的溫度或組成，變成四點(diǎn)溫差控制，同時(shí)取兩點(diǎn)溫度，將兩者的差值作為控制點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制，結(jié)果表明其控制效果要好于常規(guī)溫度或組成的控制效果。

而欒淑君[30]等提出了簡化溫差控制策略（STDC），也屬于四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)。分別在預(yù)分餾塔進(jìn)料板上和板下各選一個(gè)溫度點(diǎn)，兩者的溫度差作為控制變量，并且通過液體分配比 βL來控制該變量。同樣在側(cè)線抽出段的上下部分各取一個(gè)溫度點(diǎn)，組成溫差作為控制變量，側(cè)線抽出量S作為操縱變量。形成兩組溫差控制，另兩點(diǎn)分別取公共精餾段和公共提餾段的溫度，由D和B分別來控制，其比TDC控制策略更簡單，投資更低。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，STDC控制策略的性能接近TDC的控制性能。接著，吳寧[31]又提出了雙溫差控制（DTDC）策略，每一個(gè)控制回路設(shè)置三點(diǎn)溫度檢測，組成雙溫差控制策略，同樣采用四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)，以乙醇、丙醇和丁醇物系為研究對象，驗(yàn)證了其可行性，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，抗干擾能力更強(qiáng)。

溫差控制是新的控制思路，TDC控制策略將四點(diǎn)控制全部變成溫差控制，其抗干擾性更強(qiáng)，但設(shè)備投資增大了。而STDC控制策略是在預(yù)分餾塔段和側(cè)線抽出段設(shè)置溫差控制，保證對原料三元混合物的初步分離，并且防止重組分與輕組分進(jìn)入側(cè)線抽出段，以致影響側(cè)線產(chǎn)品的純度。STDC取得了與TDC相近的控制性能。而DTDC控制策略則更加復(fù)雜，通過三點(diǎn)溫度檢測構(gòu)成雙溫差控制，雖然控制效果很好，但是設(shè)備投資大大的增加了。溫差控制雖然模擬仿真的效果不錯(cuò)，但是還并未有應(yīng)用的實(shí)例，還處于理論研究階段。

3 結(jié) 論

本文介紹了典型分壁塔控制方法的研究進(jìn)展，分別闡述了三點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)、四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)、模型預(yù)測控制和溫差控制等控制方法。三點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)施，但是其抗干擾能力較差，尤其當(dāng)進(jìn)料組分產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，由于固定了液體分配率和氣體分配率兩個(gè)變量，其操作彈性小。四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢在于，其利用液體分配率來控制重組分進(jìn)入預(yù)分餾段的量，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)能耗最小化，并且增加了操作的彈性，四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)明顯好于三點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)。而無論是三點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)還是四點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)，計(jì)算操縱變量和控制變量間的相對增益矩陣，確定二者間的最佳匹配，對降低系統(tǒng)的耦合度，提高操作的穩(wěn)定性是有幫助的。

溫度-組分串級(jí)控制的性能優(yōu)于單回路PID控制，抗干擾性強(qiáng)且實(shí)施簡單。而一些先進(jìn)控制器，如動(dòng)態(tài)矩陣控制器（DMC）、模糊邏輯控制等，在仿真階段表現(xiàn)出了較強(qiáng)的性能，但是其在工業(yè)應(yīng)用階段的效果還亟待檢驗(yàn)。溫差控制雖然顯示出一定的優(yōu)勢，但是其控制性能還有待于繼續(xù)研究。

MPC顯示出了極強(qiáng)的控制能力，且與常規(guī)單回路控制和串級(jí)控制相比，大大的提升了控制性能，并且能夠消除變量間的耦合，提高操作的穩(wěn)定性?，F(xiàn)已有學(xué)者建立實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證了MPC的可行性，因此將MPC用于工業(yè)化的分壁塔裝置上可能是未來發(fā)展的一個(gè)方向。

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Research Progress of Control Strategies of Dividing Wall Column

GAO Ming1，WANG Bing2，GAO Jing-shan1，BO De-chen1

（1. Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001，China；2. PetroChina Fushun Petrochemical Company No.3 Refinery, Liaoning Fushun 113001，China）

For multi-component separation, dividing wall column displays great application potential. It is able to decrease energy consumption，improve thermal efficiencies and reduce equipment investments, meanwhile, the products with higher purity can be acquired. However, without reliable and effective control methods, higher energy efficiency and more stable operation can’t be realized, and this is one of the factors to restrict application of dividing wall columns on a large-scale. In this paper, research progress of control strategies of dividing wall column was discussed from the aspects of three-point control structure, four-point control structure, advanced process control and temperature difference control, which could provide theoretical basis for research and industrial application of the dividing wall column in the future.

dividing wall column; control; research progress

TP 273

A

1671-0460（2016）12-2901-04

2016-11-30

高明（1987-），男，遼寧省本溪市人，助理工程師，碩士研究生，2013年畢業(yè)于北京化工大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，研究方向：分離工藝和自動(dòng)控制。E-mail：gaoming.fshy@sinopec.com。