丁二烯裝置脫重脫輕精餾單元先進(jìn)控制研究與應(yīng)用

馬國(guó)英，王沖

(中國(guó)石油蘭州石化公司 電儀事業(yè)部，甘肅 蘭州 730060)

丁二烯裝置脫重脫輕精餾單元先進(jìn)控制研究與應(yīng)用

馬國(guó)英，王沖

(中國(guó)石油蘭州石化公司 電儀事業(yè)部，甘肅 蘭州 730060)

針對(duì)丁二烯裝置脫重脫輕精餾單元在生產(chǎn)過(guò)程中存在干擾多、耦合嚴(yán)重、產(chǎn)品質(zhì)量難以保證等問(wèn)題，常規(guī)PID控制難以解決，采用基于DeltaV DCS內(nèi)嵌的多變量預(yù)測(cè)控制技術(shù)建立先進(jìn)控制系統(tǒng)，通過(guò)裝置階躍測(cè)試辨識(shí)得到脫重脫輕精餾單元傳遞函數(shù)矩陣模型。應(yīng)用表明： 該系統(tǒng)提高了過(guò)程控制平穩(wěn)性，使主要工藝參數(shù)波動(dòng)均方差減少50%以上。

丁二烯裝置 脫重塔 脫輕塔 系統(tǒng)辨識(shí) 傳遞函數(shù) 多變量預(yù)測(cè)控制

近年來(lái)，先進(jìn)控制在石油、化工行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。先進(jìn)控制與在線優(yōu)化技術(shù)的實(shí)施，使得過(guò)程控制更為平穩(wěn)，并帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1-2]。本文著重對(duì)某石化公司丁二烯裝置脫重脫輕精餾單元進(jìn)行先進(jìn)控制研究和應(yīng)用。由于脫重脫輕精餾單元在生產(chǎn)過(guò)程中存在著多變量關(guān)聯(lián)和耦合特性，通過(guò)常規(guī)PID控制及人工調(diào)整較難解決該類(lèi)問(wèn)題，產(chǎn)品質(zhì)量也難以得到保證。因而需要通過(guò)采用更為高級(jí)的控制策略，來(lái)適應(yīng)裝置生產(chǎn)過(guò)程的需要，對(duì)提高裝置的運(yùn)行水平，減少加工損失，提高丁二烯收率，降低產(chǎn)品能耗，增加效益，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工藝簡(jiǎn)介

脫重脫輕精餾單元主要由脫輕塔和脫重塔組成，脫重脫輕系統(tǒng)均采用普通加壓精餾的方法。脫重塔將丁二烯與順-2-丁烯等重組分進(jìn)行分離，使粗丁二烯濃度進(jìn)一步提高，在塔頂?shù)玫礁邼舛鹊拇侄《?，塔釜分離出順-2-丁烯等重組分，由于高濃度的丁二烯容易自聚，該裝置采用亞硝酸鈉溶液做阻聚劑。脫輕塔將丁二烯與丙炔等輕組分進(jìn)行分離，在塔頂?shù)玫奖驳瑞s分，塔釜得到聚合級(jí)的丁二烯產(chǎn)品，由于丁二烯的自聚性，該裝置采用對(duì)叔丁基鄰苯二酚溶液做為阻聚劑，防止丁二烯產(chǎn)品自聚。其中，脫輕塔脫除丙炔的過(guò)程中造成的丁二烯放空損失占裝置加工損失的比重較大，脫重塔分離重組分過(guò)程中造成的丁二烯損失也比較高，此為影響裝置丁二烯收率的2個(gè)主要因素。

2 先進(jìn)控制技術(shù)

先進(jìn)控制是建立在常規(guī)單回路控制之上的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)約束控制，可使控制系統(tǒng)適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性和操作要求。本文采用的多變量預(yù)測(cè)控制技術(shù)，其算法的核心由模型預(yù)測(cè)、反饋修正和滾動(dòng)優(yōu)化等組成。采用DeltaV系統(tǒng)中內(nèi)嵌的模型預(yù)測(cè)控制策略(MPCPro)，其為基于模型的動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)，適用于具有耦合及存在眾多約束的復(fù)雜多變量過(guò)程控制。計(jì)算步驟為在當(dāng)前時(shí)刻預(yù)測(cè)未來(lái)一定時(shí)域內(nèi)的過(guò)程輸出，按照基于反饋校正的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)計(jì)算當(dāng)前控制量。為了防止控制量劇烈變化及超調(diào)，一般在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中都考慮使未來(lái)輸出以某參考軌跡最優(yōu)地去跟蹤期望設(shè)定值，至下一時(shí)刻，根據(jù)新測(cè)量的數(shù)據(jù)重新按上述步驟計(jì)算控制量，該優(yōu)化過(guò)程不是離線進(jìn)行，而是反復(fù)在線進(jìn)行，即滾動(dòng)向前推移。由于每一步優(yōu)化都建立在實(shí)時(shí)反饋校正的基礎(chǔ)上，因而能彌補(bǔ)模型失配、時(shí)變、干擾等不確定因素帶來(lái)的影響，比傳統(tǒng)的最優(yōu)控制具有更好的魯棒性[3-5]。當(dāng)有外界干擾時(shí)，塔系各主要工藝參數(shù)能自動(dòng)跟蹤調(diào)整，使塔系的操作更平穩(wěn)，在平穩(wěn)操作的基礎(chǔ)上降低能耗，提高主要產(chǎn)品的收率。

3 控制方案

3.1 控制目標(biāo)

脫重塔分離重組分過(guò)程中造成的丁二烯損失比較高，對(duì)脫重塔實(shí)施先進(jìn)控制，以提高塔靈敏板溫度等主要參數(shù)的平穩(wěn)率，提高丁二烯產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量。

脫輕塔脫除丙炔的過(guò)程中造成丁二烯放空損失占裝置加工損失的比重較大，對(duì)脫輕塔實(shí)施先進(jìn)控制，以提高關(guān)鍵工藝變量平穩(wěn)性，穩(wěn)定脫輕塔操作，保證塔釜丙炔含量以及塔頂放空氧含量指標(biāo)合格，減小丁二烯的放空損失，提高產(chǎn)品收率。

3.2 控制方案

本文根據(jù)脫重塔和脫輕塔工藝特點(diǎn)、控制目標(biāo)，針對(duì)常規(guī)控制存在的不足，結(jié)合工藝人員操作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)控制方案見(jiàn)表1所列，其中，所有被控變量采用給定點(diǎn)控制，約束變量采用區(qū)間控制。

表1 脫重脫輕精餾單元先進(jìn)控制方案

3.3 控制模型

在預(yù)測(cè)控制中，過(guò)程的內(nèi)部模型占有相當(dāng)重要的地位，雖然對(duì)它與實(shí)際控制對(duì)象的擬合精度要求不是特別高，但若大致的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)態(tài)增益、時(shí)間常數(shù)和純滯后較為準(zhǔn)確，則預(yù)測(cè)結(jié)果比較理想，預(yù)估控制器就有了良好的基礎(chǔ)[5]。在建模過(guò)程中，結(jié)合脫重脫輕單元的控制方案，根據(jù)工藝及裝置設(shè)備的極限要求，通過(guò)對(duì)脫重脫輕精餾單元進(jìn)行階躍測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，確定各MV，DV與CV，AV的對(duì)應(yīng)關(guān)系，辯識(shí)得到如下傳遞函數(shù)矩陣形式的數(shù)學(xué)模型，如式(1)所示，作為預(yù)測(cè)控制所需的內(nèi)部模型，并根據(jù)實(shí)際工藝特點(diǎn)和要求選取合理的參考軌跡、MV約束、控制結(jié)構(gòu)等以得到合理的先進(jìn)控制器。

(1)

3.4 運(yùn)行效果分析

先進(jìn)控制器投運(yùn)后，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，控制精度高，脫重塔回流罐液位，脫輕塔頂溫控制效果如圖1，圖2所示。通過(guò)調(diào)節(jié)脫重塔熱源冷凝水量，保持脫重塔靈敏板溫度、塔頂溫度、塔側(cè)線溫度運(yùn)行穩(wěn)定；通過(guò)小幅度調(diào)節(jié)回流罐采出量，克服干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)回流罐液位的平穩(wěn)控制。通過(guò)調(diào)節(jié)脫輕塔再沸器供給熱量，小幅度調(diào)節(jié)回流量，保持塔靈敏板溫度、塔頂溫度平穩(wěn)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了該單元平穩(wěn)運(yùn)行。標(biāo)定結(jié)果表明： 設(shè)計(jì)實(shí)施的脫重脫輕精餾單元多變量預(yù)估先進(jìn)控制器是切實(shí)可行的，提高了過(guò)程控制的平穩(wěn)性，使主要工藝參數(shù)波動(dòng)均方差減少50%以上。

圖1 脫重塔回流罐液位常規(guī)控制和先進(jìn)控制運(yùn)行效果對(duì)比曲線

圖2 脫輕塔頂溫常規(guī)控制和先進(jìn)控制運(yùn)行效果對(duì)比曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

丁二烯裝置脫重脫輕精餾單元先進(jìn)控制系統(tǒng)的投用，解決了常規(guī)控制存在的不足，進(jìn)一步提高了裝置的自動(dòng)控制水平，實(shí)現(xiàn)了裝置平穩(wěn)、快速和準(zhǔn)確的控制，減少了主產(chǎn)品丁二烯產(chǎn)品的損失，減少了副產(chǎn)品丙炔的排空，降低了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)能降耗，達(dá)到了良好的應(yīng)用效果。先進(jìn)控制系統(tǒng)的長(zhǎng)期投用將給裝置帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得推廣應(yīng)用。

[1] 王樹(shù)青，金曉明.先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用實(shí)例[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 俞金壽.工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制[M].北京： 中國(guó)石化出版社，2002.

[3] 陳素芳，路鐵硯.預(yù)測(cè)控制技術(shù)在丁二烯精制單元的應(yīng)用[J].齊魯石油化工，2010，38(01)： 10-14.

[4] 馬永林.先進(jìn)控制技術(shù)在DMF法丁二烯裝置中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表，2016(01)： 48-52.

[5] 王樹(shù)青.工業(yè)過(guò)程控制工程[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[6] 王愛(ài)廣，王琦.過(guò)程控制技術(shù)[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[7] 席裕庚. 預(yù)測(cè)控制[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社，1993.

[8] 錢(qián)積新，趙均，徐祖華.預(yù)測(cè)控制[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[9] 邵惠鶴.工業(yè)過(guò)程高級(jí)控制[M].上海： 上海交通大學(xué)出版社，2003.

[10] [荷] 朱豫才.過(guò)程控制的多變量系統(tǒng)辨識(shí)[M].張湘平，虞水俊，孫志強(qiáng)，等，譯.長(zhǎng)沙： 國(guó)防科技大學(xué)出版社，2005.

[11] 方崇智，蕭德云.過(guò)程辨識(shí)[M].北京： 清華大學(xué)出版社，1988.

馬國(guó)英(1975—)，女，甘肅蘭州人，1995年畢業(yè)于蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工儀表及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)就職于蘭州石化公司，從事控制系統(tǒng)技術(shù)管理及維護(hù)工作，任工程師。

TP 273

B

1007-7324(2017)02-0060-03

稿件收到日期： 2016-12-24，修改稿收到日期： 2017-01-08。