先進(jìn)控制技術(shù)在分子篩脫蠟分餾單元中的應(yīng)用

潘 鵬

(金陵石化有限責(zé)任公司烷基苯廠，南京 210046 )

先進(jìn)控制技術(shù)在分子篩脫蠟分餾單元中的應(yīng)用

潘 鵬

(金陵石化有限責(zé)任公司烷基苯廠，南京 210046 )

Molex正構(gòu)烷烴分離工藝采用4套吸附室并聯(lián)操作，分餾單元的進(jìn)料流量和組成存在周期性波動(dòng)，常規(guī)DCS控制效果不理想，在采用高級(jí)多變量魯棒預(yù)測控制軟件建立先進(jìn)控制系統(tǒng)后，使得關(guān)鍵工藝參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方差平均降低61.2%，同時(shí)降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

分餾單元 Molex正構(gòu)烷烴分離工藝 分子篩脫蠟 先進(jìn)控制

Molex正構(gòu)烷烴分離工藝(分子篩脫蠟)采用模擬移動(dòng)床吸附分離工藝，將加氫精制煤油通過5A分子篩進(jìn)行物理選擇吸附和正戊烷脫附。金陵石化烷基苯廠目前采用4套吸附室并聯(lián)操作，可以達(dá)到370kt/a液蠟的吸附要求，分餾得到nC10～nC13的正構(gòu)烷烴、nC14或nC14以上的正構(gòu)烷烴和非正構(gòu)烴。液體石蠟(nC10～nC13正構(gòu)烷烴)作為脫氫裝置的原料，脫氫后的液體石蠟再與苯進(jìn)行烷基化反應(yīng)生成烷基苯。因此，分子篩脫蠟分餾單元生產(chǎn)出合格的液體石蠟對后續(xù)裝置單元具有十分重要的意義。

由于分餾單元受模擬移動(dòng)床抽余液和抽出液流量周期性波動(dòng)以及加氫精制煤油組分波動(dòng)的影響，因此常規(guī)DCS控制系統(tǒng)已不能滿足工業(yè)控制要求。

1 工藝特點(diǎn)與控制需求①

圖1為分子篩脫蠟分餾單元的流程簡圖，該分餾單元包括抽余液塔C-201、抽出液塔C-202、脫附劑分餾塔C-203和抽出液再蒸塔C-204。抽余液在抽余液塔C-201中分離成白油原料和脫附劑，抽出液在抽出液塔C-202中分離成脫附劑和粗蠟，自C-201和C-202側(cè)線來的沖洗液在脫附劑分餾塔C-203中分離成脫附劑和沖洗液，自C-202塔底來的粗蠟送至抽出液再蒸塔C-204，塔頂產(chǎn)出液體石蠟(nC10～nC13)作為脫氫單元的原料，塔底產(chǎn)出重質(zhì)液體石蠟(≥nC14)。

圖1 分子篩脫蠟分餾單元流程簡圖

4個(gè)分餾塔之間存在較強(qiáng)的相互耦合，且受到諸多干擾因素。常規(guī)PID控制是一種基于控制系統(tǒng)設(shè)定值與測量值之間偏差的反饋控制，不依賴于過程對象的數(shù)學(xué)模型，不能有效消除分子篩分餾單元各塔之間的強(qiáng)耦合、有約束、多變量控制和干擾對操作帶來的影響。而先進(jìn)控制則是一種將過程對象的數(shù)學(xué)模型、反饋控制和滾動(dòng)優(yōu)化相結(jié)合的計(jì)算機(jī)控制策略，適合于解決大時(shí)滯、強(qiáng)耦合及有約束等復(fù)雜多變量過程的控制問題[1～3]。

基于上述考慮，現(xiàn)采用浙江中控自主開發(fā)的新一代高級(jí)多變量魯棒預(yù)測控制軟件APC-Suite 10.0來對分子篩脫蠟分餾單元實(shí)施先進(jìn)控制，在合理地選擇操縱變量、被控變量和干擾變量后，可提高各分餾塔的抗干擾能力和裝置的平穩(wěn)運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)裝置的“卡邊”操作，提高經(jīng)濟(jì)效益，并降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 APC預(yù)測控制技術(shù)

預(yù)測控制技術(shù)是先進(jìn)控制技術(shù)的核心，該預(yù)測控制技術(shù)是一種通過系統(tǒng)模型對過程未來狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，并采用反饋校正和在線滾動(dòng)優(yōu)化的方法以優(yōu)化系統(tǒng)行為的閉環(huán)優(yōu)化控制策略，具有如下特點(diǎn)：在偏差控制的基礎(chǔ)上，將過程模型作為控制器內(nèi)部模型，提高過程信息和知識(shí)利用率，可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制；保持前饋、選擇性及解耦等復(fù)雜控制的功能，并能有效處理各種過程約束，適合應(yīng)對大型復(fù)雜工業(yè)控制過程。以下對預(yù)測控制算法做簡要介紹[4]：

(1)

式中hi——過程對象的單位脈沖響應(yīng)序列采樣值；

k——當(dāng)前采樣時(shí)刻；

u(k+j-i)——系統(tǒng)在第k+j-i個(gè)采樣時(shí)刻的輸入量；

設(shè)P為預(yù)測時(shí)域，M為控制時(shí)域，N為建模時(shí)域，且M≤P≤N，j=1,2,…,P。由于實(shí)際過程對象具有時(shí)變或非線性等特點(diǎn)，外加過程對象存在各種干擾因素，使得過程模型的開環(huán)預(yù)測值與實(shí)際對象的輸出值存在一定的偏差，因此需要對式(1)的開環(huán)模型預(yù)測輸出進(jìn)行修正，即閉環(huán)預(yù)測：

(2)

式中y(k)——當(dāng)前采樣時(shí)刻的實(shí)際對象輸出測量值；

yc(k+j)——校正后的未來第j個(gè)采樣時(shí)刻的輸出預(yù)測值；

βj——誤差修正系數(shù)。

(3)

式中Q——預(yù)測誤差的加權(quán)系數(shù)；

R——控制量的加權(quán)系數(shù)；

ysp(k+j)——未來第j個(gè)采樣時(shí)刻的參考軌跡設(shè)定值。

在一定的約束條件下對式(3)的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，可以同時(shí)計(jì)算出從k至k+M-1采樣時(shí)刻的M個(gè)控制量，但只執(zhí)行當(dāng)前時(shí)刻的控制作用u(k)，即采用閉環(huán)控制算法，下一時(shí)刻的控制量u(k+1)再按式(3)遞推一步進(jìn)行計(jì)算。

3 APC實(shí)施架構(gòu)

本項(xiàng)目采用浙江中控自主開發(fā)的新一代高級(jí)多變量魯棒預(yù)測控制軟件包APC-Suite 10.0和控制平臺(tái)APC-iSYS 3.0來實(shí)施控制，該控制系列軟件支持浙江中控的JX-300X、ECS700，艾默生的DeltaV，霍尼韋爾的PKS，橫河的CENTUM CS以及CS3000等主流DCS系統(tǒng)。

圖2為APC實(shí)施架構(gòu)示意圖，在本項(xiàng)目中控制軟件APC-Suite 10.0和控制平臺(tái)APC-iSYS 3.0共同構(gòu)成APC上位機(jī)，并通過OPC Server來實(shí)現(xiàn)APC上位機(jī)和現(xiàn)場DCS之間的雙向數(shù)據(jù)讀寫功能。

圖2 APC實(shí)施架構(gòu)示意圖

4 APC實(shí)施方案和實(shí)施效果

4.1抽余液塔的先進(jìn)控制方案

利用控制平臺(tái)APC-iSYS 3.0對抽余液塔C-201的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，來自分子篩單元的4股抽余液流量存在周期性波動(dòng)，對塔造成強(qiáng)烈干擾，故將它作為主要干擾變量。此外，C-201側(cè)線抽出、C-203塔頂出料溫度和熱油溫度均對C-201有一定干擾。在上述分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)，最終形成的控制方案見表1。

表1 抽余液塔C-201的先進(jìn)控制方案

在先進(jìn)控制器在線運(yùn)行3個(gè)月后，對先進(jìn)控制器的控制效果進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如圖3、4所示，可知在對抽余液塔C-201實(shí)施先進(jìn)控制后，有效抑制了外界干擾因素對該塔的影響，各關(guān)鍵操作參數(shù)運(yùn)行平穩(wěn)。

圖3 C-201塔頂溫度2TI72.PV對比

圖4 C-201塔底溫度2TI73.PV對比

4.2抽出液塔的先進(jìn)控制方案

在對抽出液塔C-202的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，分子篩單元的4股抽出液均對C-202有強(qiáng)烈的干擾，這里將總抽出液流量作為C-202的主要干擾變量；此外，塔頂回流、側(cè)線抽出、進(jìn)料溫度和熱油溫度也對C-202造成了一定程度的干擾，最終形成的先進(jìn)控制方案見表2。

表2 抽出液塔C-202的先進(jìn)控制方案

對抽出液塔C-202實(shí)施表2所示的先進(jìn)控制方案，標(biāo)定結(jié)果如圖5、6所示，可以看出，先進(jìn)控制相對于常規(guī)控制具有較強(qiáng)的控制優(yōu)勢。一方面先進(jìn)控制提高了裝置的抗干擾能力和運(yùn)行平穩(wěn)性，另一方面對實(shí)現(xiàn)裝置的“卡邊”操作提供了優(yōu)化操作空間。

圖5 C-202塔頂溫度2TI136.PV對比

圖6 C-202塔底溫度2TI134.PV對比

4.3脫附劑分餾塔的先進(jìn)控制方案

脫附劑分餾塔C-203塔釜液位的先進(jìn)控制方案采用現(xiàn)場操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)，即利用C-201側(cè)線抽出2HC87.OUT和C-202側(cè)線抽出2FIC122.SP來進(jìn)行控制，并將塔釜抽出2FIC403.PV和2FIC403A.PV作為干擾變量；將C-201側(cè)線溫度、C-201側(cè)線抽出、C-202側(cè)線抽出和白油溫度作為靈敏板溫度和塔釜溫度的主要干擾變量，最終形成的控制方案見表3。

表3 脫附劑分餾塔C-203的先進(jìn)控制方案

對脫附劑分餾塔C-203實(shí)施表3所示的先進(jìn)控制方案，標(biāo)定結(jié)果如圖7、8所示?？梢钥闯?，C-203塔釜液位在先進(jìn)控制實(shí)施后，其平穩(wěn)性大幅提高，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；由圖8可知，在將各主要干擾因素納入先進(jìn)控制系統(tǒng)后，C-203靈敏板溫度的抗干擾能力增強(qiáng)，波動(dòng)幅度降低。

圖7 C-203塔釜液位2LIALH108.PV對比

圖8 C-203靈敏板溫度2TI105.PV對比

4.4抽出液再蒸塔的先進(jìn)控制方案

在對抽出液再蒸塔C-204的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，塔頂溫度與回流溫度間的溫差對塔頂溫度和靈敏板溫度均具有較強(qiáng)的干擾作用，該溫差可以表征塔頂取熱情況，因此將該溫差作為塔頂溫度和靈敏板溫度的主要干擾變量；在將熱油溫度、回流罐3股抽出和進(jìn)料流量納入先控系統(tǒng)中后，最終形成的先進(jìn)控制方案見表4。

表4 抽出液再蒸塔C-204的先進(jìn)控制方案

(續(xù)表4)

對抽出液再蒸塔C-204實(shí)施表4所示的先進(jìn)控制方案，標(biāo)定結(jié)果如圖9、10所示。由圖9可知，在先進(jìn)控制實(shí)施后，回流罐液位的抗干擾性能和平穩(wěn)性均大幅提高，體現(xiàn)出先進(jìn)控制的優(yōu)越性。由圖10可知，靈敏板溫度2TI835A.PV在先進(jìn)控制實(shí)施后，其波動(dòng)幅度大幅收窄，抗外界干擾能力增強(qiáng)，為產(chǎn)品質(zhì)量的“卡邊”操作和節(jié)能降耗提供了操作空間。

圖9 C-204回流罐液位2LIC181B.PV對比

圖10 C-204靈敏板溫度對比

5 結(jié)束語

對分子篩脫蠟分餾單元中的4個(gè)分餾塔實(shí)施先進(jìn)控制，并結(jié)合現(xiàn)場操作人員的寶貴操作經(jīng)驗(yàn)，將各主要干擾變量納入先進(jìn)控制系統(tǒng)中，有效克服了分子篩單元的4股抽余液和抽出液流量以及組成的周期性波動(dòng)對分餾單元的影響，同時(shí)解決了各分餾塔之間的強(qiáng)耦合問題。在先進(jìn)控制系統(tǒng)實(shí)施后，經(jīng)過標(biāo)定測算，分餾單元各塔關(guān)鍵工藝參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方差平均降低61.2%，為實(shí)現(xiàn)裝置的“卡邊”操作和節(jié)能降耗提供了優(yōu)化操作空間，同時(shí)降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1] 王樹青. 先進(jìn)控制技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2001.

[2] 黃德先. 化工過程先進(jìn)控制[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

[3] 李業(yè)君. 分餾系統(tǒng)多變量預(yù)估控制器的功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)計(jì), 1997, 14(4):58～61.

[4] 王樹青. 工業(yè)過程控制工程[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

2016-02-29

TQ051.6

B

1000-3932(2016)07-0772-05