甲醇精餾裝置中先進(jìn)控制的應(yīng)用研究

陳小波

摘要：先進(jìn)控制系統(tǒng)的成功實(shí)施有效克服了甲醇精餾生產(chǎn)過程中因管網(wǎng)蒸汽波動(dòng)較大，塔釜熱源關(guān)聯(lián)性強(qiáng)等控制難題，提高了裝置的自動(dòng)化水平，降低了重點(diǎn)工藝參數(shù)的波動(dòng);同時(shí)解放了操作人員，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，為崗位融合創(chuàng)造條件。

關(guān)鍵詞：甲醇精餾裝置;先進(jìn)控制;應(yīng)用

1先進(jìn)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

經(jīng)過對(duì)先進(jìn)控制實(shí)踐應(yīng)用的交流，萬華化學(xué)（寧波）有限公司（以下簡(jiǎn)稱萬華化學(xué)）選用應(yīng)用較為廣泛的模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，其使用的PAVILION8控制軟件系統(tǒng)是集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理模型的復(fù)合模型平臺(tái)，該系統(tǒng)具有以下幾方面的特點(diǎn)和內(nèi)容。

（1）多變量、非線性優(yōu)化控制算法的模型預(yù)測(cè)。以預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正3項(xiàng)基本原理為基礎(chǔ)，其預(yù)測(cè)模型為對(duì)象的動(dòng)態(tài)信息階躍，經(jīng)過一定的時(shí)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(dòng)優(yōu)化即通過對(duì)跟蹤誤差和控制量變化進(jìn)行抑制，計(jì)算出優(yōu)化后的控制增量作用于實(shí)際控制對(duì)象，到下一時(shí)刻，系統(tǒng)再次執(zhí)行計(jì)算優(yōu)化以作用于對(duì)象，如此反復(fù)在線進(jìn)行實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)優(yōu)化;其反饋校正即是下一時(shí)刻輸入時(shí)，首先檢查本時(shí)刻的計(jì)算輸出和實(shí)際輸出的誤差，采用時(shí)間序列方法將預(yù)測(cè)誤差修正到下一時(shí)刻的初始輸入值，如此形成系統(tǒng)實(shí)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(fù)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(dòng)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(yùn)行動(dòng)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(shí)時(shí)優(yōu)化策略計(jì)算出操作變量的設(shè)定值和被控變量的預(yù)測(cè)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(shí)時(shí)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(hù)，只與數(shù)據(jù)服務(wù)器通訊，可視化的界面更便于識(shí)別機(jī)遇，降低成本，提高決策的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

2甲醇精餾裝置先進(jìn)控制方案與實(shí)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(diǎn)物質(zhì)，該塔的主要效益點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)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。

2.1 模型建立

依照設(shè)計(jì)任務(wù)，該控制器實(shí)現(xiàn)甲醇精餾自動(dòng)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(jìn)料或蒸汽壓力確定T801、T802蒸汽隨負(fù)荷變化的調(diào)節(jié)以及對(duì)蒸汽壓力波動(dòng)的補(bǔ)償;②T803靈敏板溫度控制。兩個(gè)靈敏板溫度控制，主要調(diào)整T803的回流量及T802的蒸汽流量。③回流比控制。三個(gè)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(gè)靈敏板溫度;④液位控制。控制T801回流槽液位，主要調(diào)整回流量;

2.2操作員界面設(shè)置

操作員界面設(shè)置在DCS畫面中，簡(jiǎn)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(bào)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(jiǎn)化。

2.3客戶端界面設(shè)置

客戶端界面為工程師控制臺(tái)，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(cè)量值及上下限趨勢(shì)數(shù)據(jù)，直觀表達(dá)跟蹤情況，同時(shí)可查看歷史趨勢(shì)。（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(cè)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(dòng)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(shí)間常數(shù)約束以及純滯后時(shí)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(jì)信息的圖示及報(bào)表。在依照項(xiàng)目機(jī)理和類似經(jīng)驗(yàn)建立初步模型后，針對(duì)本項(xiàng)目需要進(jìn)行一系列的工廠測(cè)試，以達(dá)到符合本裝置獨(dú)特性的真實(shí)有效模型。

通過工廠測(cè)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(cè)試為主，短測(cè)試得到高頻數(shù)據(jù)，長測(cè)試得到低頻數(shù)據(jù)，階躍幅度大小以及停留時(shí)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(jì)。

結(jié)束語

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(jiǎn)單、有效，主要使用的是頻域分析法，控制系統(tǒng)的信號(hào)表示為不同頻率正弦信號(hào)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(hào)，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(duì)應(yīng)關(guān)系確定、易解析求解等特點(diǎn)，在線性控制方面得到了極大的推廣。

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