甲醇精餾裝置中先進控制的應(yīng)用研究

(萬華化學(xué)(寧波)有限公司，浙江 寧波 315812)

從上世紀(jì)40年代起，單回路系統(tǒng)的PID控制一直沿用至今，其控制簡單、有效，主要使用的是頻域分析法，控制系統(tǒng)的信號表示為不同頻率正弦信號的合成，控制系統(tǒng)輸入和輸出關(guān)系形成不同頻率的正弦信號，其關(guān)系模型稱為頻率特性。因單回路系統(tǒng)的PID控制具有穩(wěn)態(tài)性、對應(yīng)關(guān)系確定、易解析求解等特點，在線性控制方面得到了極大的推廣。

隨著控制系統(tǒng)的發(fā)展，逐漸滿足復(fù)雜和特殊生產(chǎn)過程的串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、預(yù)估控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，解決了一些復(fù)雜、特殊以及高精度生產(chǎn)過程的控制。

目前工業(yè)過程不斷走向復(fù)雜化和大型化，而且對品質(zhì)控制要求越來越高，很難用簡單準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來描述，其非線性、時變性、耦合性、大滯后性以及不確定性等綜合特點造成控制策略非常復(fù)雜，相對簡單的單回路控制理念已經(jīng)不能滿足，因而出現(xiàn)了先進過程控制(Advanced Process Control APC)的概念及應(yīng)用[1]。

1 先進控制系統(tǒng)介紹

先進控制通常是區(qū)別于單回路PID控制而具有更有效控制策略的統(tǒng)稱，如推斷控制、預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制等。先進控制是基于模型的一種控制策略，是建立在常規(guī)單回路控制基礎(chǔ)之上的動態(tài)協(xié)調(diào)約束控制，通常需要足夠的計算能力作為支撐平臺。

先進控制系統(tǒng)一般具有以下3個特點。

(1)過程辨識。通過建立一個動態(tài)的數(shù)學(xué)模型來表征一個實際過程，對于一個實際工業(yè)過程，運用模擬實驗數(shù)據(jù)或者實際運行數(shù)據(jù)對這個數(shù)學(xué)模型的多個輸入、輸出變量進行科學(xué)有效組織，利用強大的數(shù)據(jù)擬合分析辨識軟件，通過不斷驗證，最終形成符合實際過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。

(2)過程數(shù)據(jù)的采集、處理和軟測量。利用大量的實測數(shù)據(jù)是先進控制的優(yōu)勢之處，這些信息有效、可靠，先進控制要具備對過程數(shù)據(jù)的采集和處理能力。同時，軟測量技術(shù)是先進控制過程不可缺少的，即要對收集到的數(shù)據(jù)通過模型實時的計算得出不可測量的變量結(jié)果。

(3)控制策略。即采用合理的控制結(jié)構(gòu)和控制目的，更好地適用于工業(yè)過程的需要。比如將反饋、前饋控制與經(jīng)濟優(yōu)化結(jié)合，使系統(tǒng)具有約束處理能力。

2 先進控制系統(tǒng)的特點

經(jīng)過對先進控制實踐應(yīng)用的交流，萬華化學(xué)(寧波)有限公司(以下簡稱萬華化學(xué))選用應(yīng)用較為廣泛的模型預(yù)測控制系統(tǒng)，其PAVILION8軟件系統(tǒng)是集合經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃蜋C理模型的復(fù)合模型平臺，該系統(tǒng)具有以下幾方面的特點和內(nèi)容。

(1)多變量、非線性優(yōu)化控制算法的模型預(yù)測。以預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正3項基本原理為基礎(chǔ)，其預(yù)測模型為對象的動態(tài)信息階躍，經(jīng)過一定的時域在單位階躍控制作用產(chǎn)生階躍響應(yīng)的穩(wěn)定值之間的算法；其滾動優(yōu)化即通過對跟蹤誤差和控制量變化進行抑制，計算出優(yōu)化后的控制增量作用于實際控制對象，到下一時刻，系統(tǒng)再次執(zhí)行計算優(yōu)化以作用于對象，如此反復(fù)在線進行實現(xiàn)滾動優(yōu)化；其反饋校正即是下一時刻輸入時，首先檢查本時刻的計算輸出和實際輸出的誤差，采用時間序列方法將預(yù)測誤差修正到下一時刻的初始輸入值，如此形成系統(tǒng)實際基礎(chǔ)上的閉環(huán)控制算法[2]。

(2)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)服務(wù)器、控制器客戶端和圖形界面客戶端4大部分組成：①數(shù)據(jù)接口負責(zé)完成底層控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的通訊工作，將軟件應(yīng)用中需處理的讀入/寫出數(shù)據(jù)通過各種驅(qū)動程序翻譯成底層控制系統(tǒng)認(rèn)可的方式；②數(shù)據(jù)服務(wù)器完成數(shù)據(jù)接口服務(wù)器與控制器客戶端，及與圖形界面客戶端之間過程變量和參數(shù)的通信、緩存和傳送功能，是控制系統(tǒng)與DCS之間的數(shù)據(jù)連接橋梁；③控制器客戶端運行動態(tài)模型和控制器/優(yōu)化器功能，其定義了被控變量(CV)、操縱變量(MV)和干擾變量(DV)，通過有效的實時優(yōu)化策略計算出操作變量的設(shè)定值和被控變量的預(yù)測值，使被控變量盡可能地接近目標(biāo)值或者保持在約束條件內(nèi)，以實時優(yōu)化控制生產(chǎn)過程，稱為主服務(wù)器；④圖形界面客戶端提供監(jiān)控畫面，可以管理應(yīng)用程序，可讓操作員或工程師設(shè)置控制參數(shù)等日常操作和維護，只與數(shù)據(jù)服務(wù)器通訊，可視化的界面更便于識別機遇，降低成本，提高決策的及時性和準(zhǔn)確性。

上述4大組成部分中關(guān)鍵的主服務(wù)器實時應(yīng)用引擎組件為軟件內(nèi)嵌的強大運算平臺，包括數(shù)學(xué)運算、邏輯運算、模型運算等共200種以上的內(nèi)置算法，為項目執(zhí)行過程中處理各種數(shù)據(jù)提供了便利；虛擬分析儀組件可提供比實驗室分析頻率高很多的產(chǎn)品質(zhì)量估算，也可采用可信的實驗室檢測結(jié)果來校正，計算結(jié)果接入控制器進行反饋控制。

控制系統(tǒng)通過以上4部分的配置及各組件功能實現(xiàn)對PID輸入值、輸出值的操控以及實時跟蹤無擾動切換等功能可控制、多模式的實施系統(tǒng)優(yōu)化?？刂葡到y(tǒng)關(guān)系見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)關(guān)系

3 甲醇精餾裝置先進控制方案與實施

萬華化學(xué)甲醇精餾裝置是典型的三塔精餾工藝，包括預(yù)精餾塔T801、加壓精餾塔T802和常壓精餾塔T803。粗甲醇經(jīng)泵送入T801預(yù)精餾塔，塔底設(shè)置0.4MPa(g)蒸汽加熱的再沸器，塔頂設(shè)置循環(huán)水冷凝器。預(yù)精餾塔的作用是除去粗甲醇中殘余溶解氣體以及以二甲醚為代表的低沸點物質(zhì)，該塔的主要效益點是保證塔頂甲醇含量最小化，降低塔底再沸器S4蒸汽的消耗，另外，塔頂甲醇含量最小化也能節(jié)省冷卻用工藝水的用量。預(yù)精餾塔底部甲醇由泵送入T802加壓精餾塔，加壓精餾塔塔頂氣作為常壓精餾塔T803的塔底再沸器熱源，冷卻后部分作為產(chǎn)品外送，部分作為加壓精餾塔的回流液。T802加壓精餾塔的作用是將來自T801塔底的中間甲醇進一步去除其他雜質(zhì)，保證塔頂采出的甲醇產(chǎn)品質(zhì)量合格，乙醇不超標(biāo)，提高甲醇收率，并且為T803常壓精餾塔提供熱量，降低塔底S10蒸汽的消耗，保證塔底的殘余甲醇在常壓精餾塔中能充分分離。T803常壓精餾塔的作用是塔頂采出產(chǎn)品，側(cè)線采出雜醇，分離出重組分水并排出系統(tǒng)，該塔的主要效益點是保證塔頂甲醇質(zhì)量合格的前提下，卡邊控制水和乙醇的含量，使甲醇收率最大化。甲醇精餾流程見圖2。

圖2 甲醇精餾流程注：T801—預(yù)精餾塔；T802—加壓精餾塔；T803—常壓精餾塔

依據(jù)萬華化學(xué)工藝流程、原理及設(shè)計需求，控制系統(tǒng)配置了2臺16 G內(nèi)存和500 G硬盤的主機，一臺安裝控制軟件APC服務(wù)器及數(shù)據(jù)集合模塊，包含了數(shù)據(jù)采集/分析/儲存模塊、模型建立/分析/調(diào)試模塊、在線控制和優(yōu)化模塊、實時計算引擎等，該主機系統(tǒng)為軟件設(shè)定的處理、計算程序，不需要操作人員干預(yù)；另一臺安裝控制軟件客戶端服務(wù)器，包含了控制器監(jiān)控和性能監(jiān)視模塊，同時在DCS界面增加控制器投用/切出操作面板，該主機系統(tǒng)是操作人員對控制系統(tǒng)的操作和參數(shù)調(diào)整的端口，可以依據(jù)生產(chǎn)變化情況隨時調(diào)整控制系統(tǒng)應(yīng)用和效力。下面就實際工藝的模型建立和控制界面進行簡要描述。

3.1 模型建立

依照設(shè)計任務(wù)，該控制器實現(xiàn)甲醇精餾自動控制，包括以下4方面功能：①系統(tǒng)蒸汽設(shè)定：包括T801蒸汽和T802蒸汽，根據(jù)總進料或蒸汽壓力確定T801、T802蒸汽隨負荷變化的調(diào)節(jié)以及對蒸汽壓力波動的補償；②液位控制。控制T801回流槽液位，主要調(diào)整回流量；③回流比控制。三個塔的回流比控制，主要調(diào)整回流量，其中T801約束為回流槽液位，T803約束為兩個靈敏板溫度；④ T803靈敏板溫度控制。兩個靈敏板溫度控制，主要調(diào)整T803的回流量及T802的蒸汽流量。

控制器的結(jié)構(gòu)關(guān)系設(shè)置見表1。

表1 控制器的結(jié)構(gòu)關(guān)系設(shè)置

表1對應(yīng)的控制策略解釋為：預(yù)精餾塔T801回流量用于控制回流槽液位，預(yù)精餾塔再沸器蒸汽流量用于控制預(yù)精餾塔回流比，由甲醇精餾裝置負荷(進料量)計算出預(yù)精餾塔再沸器蒸汽流量期望值，預(yù)精餾塔再沸器蒸汽流量能跟蹤其期望值；加壓精餾塔T802回流量用于控制加壓塔回流比；由甲醇精餾裝置負荷(進料量)計算出加壓精餾塔再沸器蒸汽流量期望值，加壓精餾塔再沸器蒸汽流量能跟蹤其期望值；常壓精餾塔T803回流量用于控制常壓精餾塔回流比和兩個靈敏板溫度，按甲醇裝置操作要求，當(dāng)回流比在一定范圍內(nèi)時，用常壓精餾塔回流量控制兩個靈敏板溫度，當(dāng)回流比超出該范圍時，同時用加壓精餾塔再沸器蒸汽流量調(diào)節(jié)，該功能通過邏輯實現(xiàn)。

在APC模型外，為了克服蒸汽壓力波動影響，在DCS上修改組態(tài)，實現(xiàn)壓力流量補償。

3.2 操作員界面設(shè)置

操作員界面設(shè)置在DCS畫面中，簡單直觀，分別顯示了變量的狀態(tài)和模式以及控制器狀態(tài)和故障報警，設(shè)置了控制器以及各變量的投用和切出開關(guān)，操作簡化。

3.3 客戶端界面設(shè)置

客戶端界面為工程師控制臺，用于控制器參數(shù)的調(diào)整和展示，分別有下面四部分的界面及功能。

(1)控制器界面。該部分顯示各變量的目標(biāo)值、測量值及上下限趨勢數(shù)據(jù)，直觀表達跟蹤情況，同時可查看歷史趨勢。

(2)控制器參數(shù)界面。該部分可以設(shè)置各變量的目標(biāo)值、影響系數(shù)、響應(yīng)系數(shù)、抑制因子、硬約束界限、模糊約束界限、軌跡權(quán)重系數(shù)、預(yù)測校正系數(shù)、調(diào)節(jié)優(yōu)先順序等一系列參數(shù)。

(3)控制器動態(tài)模型參數(shù)界面。該部分可以設(shè)置模型的增益約束、時間常數(shù)約束以及純滯后時間等參數(shù)。

(4)性能指標(biāo)界面。該部分可以查看投用、偏差、干擾等各種統(tǒng)計信息的圖示及報表。

在依照項目機理和類似經(jīng)驗建立初步模型后，針對本項目需要進行一系列的工廠測試，以達到符合本裝置獨特性的真實有效模型。通過工廠測試，在理想情況下，需特意改變唯一操縱變量以觀察特定被控變量的變化，這能最大限度地來界定被控變量和操縱變量的單一關(guān)系。通常以階躍測試為主，短測試得到高頻數(shù)據(jù)，長測試得到低頻數(shù)據(jù)，階躍幅度大小以及停留時間隨具體情況而變，以不影響生產(chǎn)為前提，最終通過采集相關(guān)工藝數(shù)據(jù)，完善模型設(shè)計。

4 先進控制的應(yīng)用效果

控制系統(tǒng)測試完成后投入運行控制，操作員正常操作控制器的投入和切出對系統(tǒng)無干擾；工程師界面需要授權(quán)的用戶名和密碼登錄，供工程師編輯以及查看匯總統(tǒng)計結(jié)果。

各參數(shù)取一個月的平均值標(biāo)準(zhǔn)差的計算對比見表2。

表2 投用前后標(biāo)準(zhǔn)差計算對比

APC投用前后T802塔蒸汽消耗的對比見表3。

另外，對甲醇精餾單元控制室人工操作的數(shù)量進行了統(tǒng)計，APC投用前統(tǒng)計了一周的操作數(shù)量，分別為蒸汽流量調(diào)節(jié)84次，3個塔的回流調(diào)節(jié)357次，而APC投用后統(tǒng)計一周的操作數(shù)量僅為12次。

表3 APC投用前后T802塔蒸汽消耗的對比

以上的對比數(shù)據(jù)顯示，甲醇精餾3臺精餾塔的操作穩(wěn)定性得到大幅提升，波動幅度降低30%以上，全部實現(xiàn)自動控制。通過對蒸汽消耗數(shù)據(jù)的對比，綜合減少蒸汽消耗1.2萬t/a以上，達到預(yù)期的目的。

5 結(jié)語

2018年先進控制系統(tǒng)在萬華化學(xué)甲醇精餾和其他3套裝置上已經(jīng)得到成功應(yīng)用，后續(xù)計劃將繼續(xù)深入應(yīng)用到多套裝置。隨著工業(yè)裝置的日趨大型化、集成化發(fā)展，系統(tǒng)復(fù)雜性不斷增加，控制目標(biāo)多元化，約束條件也不斷苛刻，設(shè)計者在不斷準(zhǔn)確把握被控過程機理，研究適合的先進控制策略，先進控制系統(tǒng)的應(yīng)用將得到更廣泛的推廣，而且針對先進控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，設(shè)計者在設(shè)計時也將必須首先選用先進控制。