乙二醇裝置水合與精制單元先進控制

張兆東

（新特能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

乙二醇裝置水合與精制單元先進控制

張兆東

（新特能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

在某50 000噸/年環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置的水合單元與精制單元，使用成熟的商業(yè)軟件設(shè)計先進控制器。實現(xiàn)了水合比的閉環(huán)控制。在穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上，控制器進行卡邊優(yōu)化，減少了高壓蒸汽用量。同時提高DEG塔的塔底溫度，增加了DEG的回收量。

先進控制；乙二醇；水合；精制

某50 000 t/年環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置，采用美國科學(xué)設(shè)計公司（SD公司）氧氣直接氧化法的專利技術(shù)，在2.172 MPa（G）、200～275℃（殼程沸騰水）及銀催化劑作用下反應(yīng)，生成環(huán)氧乙烷（EO）。乙二醇是環(huán)氧乙烷和水以1:25的摩爾比、在1.7 MPa和150℃條件下無催化水合作用的產(chǎn)物.生成物經(jīng)五效蒸發(fā)，再經(jīng)脫水、精制，分別獲得一乙二醇（MEG）、二乙二醇（DEG）、多乙二醇（PEG）。

該裝置水合與精制單元自動控制水平低，操作員勞動強度大。同時，水合與精制單元的工況與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)。因此，需要采取高級的控制技術(shù)改善操作，優(yōu)化工況，提高裝置的平穩(wěn)率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。本文采用成熟的商業(yè)化先進控制軟件，運用多變量模型預(yù)測控制技術(shù)，處理裝置運行中存在的大滯后、強耦合控制問題，實現(xiàn)裝置的平穩(wěn)運行［1］。

1 乙二醇水合及精制單元工藝流程

再吸收塔T-320釜的環(huán)氧乙烷水溶液進入乙二醇進料汽提塔T-510，汽提出二氧化碳。T-510塔釜液用乙二醇反應(yīng)器進料泵經(jīng)兩級換熱送至乙二醇反應(yīng)器R-520。乙二醇反應(yīng)器R-520是一個絕熱的U型管反應(yīng)器。

蒸發(fā)系統(tǒng)由五效蒸發(fā)塔組成，分別是T-531到T-535。各效蒸發(fā)器頂部的蒸汽依次作為下一效再沸器的熱源以回收熱量。從第五效蒸發(fā)塔T-535塔釜出來的粗乙二醇中送入脫水塔T-610。脫水塔T-610釜液打到MEG塔T-620生產(chǎn)一乙二醇（MEG）產(chǎn)品。T-620釜液送入MEG分離塔T-630。T-630的作用是在分離二乙二醇之前脫除釜液中的MEG。在T-630的第21塊塔板處側(cè)線抽出MEG，靠自重循環(huán)返回T-535。T-630釜液由多乙二醇塔T-710塔的第一段填料床上面加入，T-710塔頂抽出DEG產(chǎn)品。

2 先進過程控制

自20世紀(jì)70年代以來，多變量模型預(yù)估控制（MPC）在石油化工行業(yè)開始進行應(yīng)用。經(jīng)過30多年的發(fā)展，逐漸產(chǎn)生了成熟的商業(yè)化產(chǎn)品。據(jù)ARC統(tǒng)計，當(dāng)前MPC及相關(guān)產(chǎn)品已發(fā)展到了以Shell的SMOCPRO為代表的第五代［2～3］。

經(jīng)實踐證明，MPC是PID之后流程工業(yè)應(yīng)用最為成功的控制器。它對模型要求不高，能夠有效克服流程工業(yè)中廣泛存在的大滯后、強干擾、多變量耦合問題。

3 控制目標(biāo)

水合單元當(dāng)選取管式反應(yīng)器中水與環(huán)氧乙烷的摩爾比為25:1時，可得到92%（wt）的MEG。操作員當(dāng)前根據(jù)反應(yīng)器末端出口溫度，手動調(diào)整T-320的新水量。由于水合比無法直接觀測，同時T-320到反應(yīng)器R520之間存在大滯后，導(dǎo)致反應(yīng)器的水合比控制并不理想。

水合單元存在著廣泛的耦合現(xiàn)象。水合比影響T510的液位與反應(yīng)器溫度；一效蒸發(fā)塔T531的再沸蒸汽為整個蒸發(fā)系統(tǒng)提供熱源，影響蒸發(fā)系統(tǒng)出口的溫度、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品流量。五效蒸發(fā)相互串聯(lián)，導(dǎo)致操作變量與被控變量之間存在明顯的大滯后。

精制單元的四個精餾塔相互串聯(lián)，上下游之間存在著嚴(yán)重的相互干擾。操作員長期緊張監(jiān)控、頻繁操作。對于多乙二醇塔T-710，由于物料相對黏稠，導(dǎo)致塔上的液位計發(fā)生故障。只能通過塔內(nèi)壓差間接反映塔內(nèi)物料積蓄情況，然后由操作員手動控制塔底采出量。為了使得T-710塔底不結(jié)焦，同時滿足塔頂質(zhì)量指標(biāo)，T-710的操作比較保守，尚有很大的優(yōu)化空間。

根據(jù)對裝置當(dāng)前工況的分析，設(shè)立如下控制目標(biāo)：

構(gòu)建水合比的軟儀表，實現(xiàn)水合比的閉環(huán)控制克服水合單元存在的大滯后與多變量耦合，實現(xiàn)穩(wěn)定操作。優(yōu)化高壓蒸汽用量，卡邊控制，實現(xiàn)節(jié)能。

平穩(wěn)控制精制單元各塔，處理各塔之間存在的相互干擾保證產(chǎn)品質(zhì)量對T-710進行卡邊控制，增加DEG的收率。

4 控制方案設(shè)計

4.1先進控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

如圖 1 所示，APC控制器運行在APC服務(wù)器上。APC服務(wù)器通過OPC服務(wù)器與DCS進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳與下達。

4.2軟測量變量設(shè)計

（1）水合比計算

根據(jù)T320的吸收水量FIC312.PV（kg/h），乙烯進料量FIC138.PV（kg/h），氧化單元選擇性計算結(jié)果（%）以及水與EO的分子量計算水合比。

（2）T620側(cè)線MEG純度

將側(cè)線抽出量，靈敏板溫度，塔底溫度，塔頂真空度作為輔助變量，T620側(cè)線MEG含量作為輸出變量構(gòu)建軟測量模型。

由于MEG的純度非常高，約為99.8%。采用LS或者PLS等線性回歸方法設(shè)計的軟儀表，抗噪聲能力差。測量噪聲帶來的計算誤差，遠遠大于MEG純度指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)樣本數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)中有噪聲、形變和非線性時，也能夠正常地工作。因此，本項目中采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計軟測量模型［4］。

4.3控制器設(shè)計

（1）水合單元控制器

由于反 應(yīng)器中環(huán)氧乙烷與水的摩爾比為1:25時，在控制的壓力和溫度條件下，可得到92%（wt）的MEG，且生成各級乙二醇的比例基本上取決于反應(yīng)中水和環(huán)氧乙烷的初始比率。水合比現(xiàn)階段控制在1:24.5，要求水合比的范圍在1:24～1:25之間［6］。

五效蒸發(fā)系統(tǒng)相當(dāng)于幾個蒸發(fā)器的串聯(lián)，系統(tǒng)所需熱量主要由T531的蒸汽量提供。蒸發(fā)系統(tǒng)的控制目標(biāo)有兩個，一個是控制T-535塔釜溫度在正常范圍，保證T-535釜液MEG的濃度；另一個是根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物組成及流量調(diào)整T-531蒸汽量，使系統(tǒng)提供的熱量與蒸發(fā)所需熱量相匹配。

表1 水合單元控制器變量

（2）精制單元控制器

乙二醇精制系統(tǒng)是乙二醇裝置的重要單元。要求乙二醇產(chǎn)品MEG純度在99.8%以上。

如果將干燥塔T610靈敏板的溫度控制在較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，減少其波動，對于穩(wěn)定本塔有重要作用。精制系統(tǒng)中擬將靈敏板溫度TIC603與加熱蒸汽量串級串級打開，由先進控制器直接調(diào)節(jié)蒸汽量。

T620靈敏板溫度低，不利于增加MEG的采出量；靈敏板溫度高，會造成再沸器結(jié)焦。可以利用加熱蒸汽量來控制靈敏板溫度。

在精制控制器中，要將T630的靈敏板溫度作為被控變量，并利用加熱蒸汽量作為操作手段。T630的側(cè)線溫度，與抽出產(chǎn)品的質(zhì)量密切相關(guān)。側(cè)線抽出流量作為操作手段，同時影響側(cè)線溫度與靈敏板溫度。

表2 精制單元控制器變量

T-710塔底液位計故障，使用塔底抽出閥位作為操作手段，用于控制塔壓差，間接控制塔底液位。在保證全塔穩(wěn)定操作的同時，卡邊控制塔底溫度，提高塔頂DEG的收率。

5 控制器投用

5.1水合單元控制器投用

水合單元控制器投用后，通過多變量控制器的協(xié)調(diào)及優(yōu)化控制，實現(xiàn)了主要被控變量的平穩(wěn)控制，減輕了操作人員的勞動強度，同時通過對部分蒸汽量進行優(yōu)化，減少蒸汽用量，降低能耗。

控制效果如圖2所示。

圖2　水合單元常規(guī)控制與先進控制效果對比

5.2精制單元控制器投用

圖3　精制單元常規(guī)控制與先進控制效果對比

圖4　T710常規(guī)控制與先進控制效果對比

由圖3 可以看出，投用先進控制后，T620靈敏板溫度、T630靈敏板溫度、T630第22層溫度及T610塔底液位均操作平穩(wěn)，相比較常規(guī)控制波動減小。除此之外，各操作變量能夠連續(xù)小幅動作，避免了物料及蒸汽的大幅波動。

圖4給出了700#各變量的投用效果曲線。由圖 4 可以看出，在投用先進控制之后，T710的靈敏板溫度、塔壓差、塔底溫度均操作平穩(wěn)。相比較常規(guī)控制而言，避免了塔底閥位的大幅度動作。同時能夠?qū)⑺诇囟葟?79°卡邊控制在182°以上，這有助于提高DEG的產(chǎn)量。

6 結(jié)論

通過在乙二醇裝置水合單元、精制單元實施先進控制，顯著地改善了裝置的操作水平，大幅降低操作員的勞動強度，提升了裝置的平穩(wěn)率。先進控制器在穩(wěn)定控制的同時，能夠?qū)﹃P(guān)鍵變量進行優(yōu)化，實現(xiàn)卡邊操作。

［1］ 席裕庚. 預(yù)測控制. 國防工業(yè)出版社，1993.06.

［2］ 錢積新，趙均，徐祖華. 預(yù)測控制. 化學(xué)工業(yè)出版社，2007.09.

［3］ 朱向東. 先進控制技術(shù)在環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置中的應(yīng)用. 中外能源，2007年第12卷，87～90.

［4］ 薄翠梅，張湜，等. 基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精餾塔優(yōu)化控制. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2002年9月第15卷第3期，57～60.

［5］ 王立忠，王憲久，胡桂清. 乙二醇精制單元先進控制技術(shù)應(yīng)用. 石化技術(shù)，2008.15（1）:23～27.

（P-01）

Advanced controlof hydration and refi ning unit for ethylene glycol device

TP273

1009-797X（2016）10-0050-05

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.019

張兆東，男，現(xiàn)就職于特變電工集團新特能源股份有限公司，自動化專家。主要負責(zé)自動控制系統(tǒng)與儀器儀表的技術(shù)管理工作。

2016-04-08