先進(jìn)控制軟件(APC)在精餾裝置的應(yīng)用

梁 慧工程師

(兗礦魯南化工有限公司，山東 滕州 277500)

0 引言

為進(jìn)一步提高甲醇精餾裝置的綜合自動(dòng)化水平，穩(wěn)定工藝指標(biāo)，確保裝置運(yùn)行安全，計(jì)劃引進(jìn)先進(jìn)控制技術(shù)，針對(duì)甲醇精餾裝置合成、精餾單元開(kāi)發(fā)實(shí)施先進(jìn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝置精細(xì)化控制，提高合成、精餾過(guò)程各關(guān)鍵工藝參數(shù)的運(yùn)行平穩(wěn)性，保證裝置運(yùn)行安全，降低生產(chǎn)操作強(qiáng)度，更好地滿足企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。

先進(jìn)控制系統(tǒng)將基于甲醇精餾裝置的工藝特點(diǎn)和過(guò)程控制需求，應(yīng)用預(yù)測(cè)控制、智能控制、軟測(cè)量等先進(jìn)控制技術(shù)，將模型預(yù)測(cè)和反饋控制有機(jī)結(jié)合，有效解決甲醇精餾裝置過(guò)程控制問(wèn)題，抑制干擾因素，達(dá)到統(tǒng)一操作方法，減少人為因素影響，保證生產(chǎn)操作的一致性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)控制，并通過(guò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化工藝參數(shù)，改善合成反應(yīng)和精餾分離效果，降低消耗，同時(shí)提高裝置綜合自動(dòng)化水平，大幅度降低操作勞動(dòng)強(qiáng)度，獲得顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

先進(jìn)控制系統(tǒng)可提高裝置操作穩(wěn)定性，優(yōu)化工藝參數(shù)、實(shí)現(xiàn)“卡邊”操作，可平均降低能耗和物耗2%以上，平均降低生產(chǎn)成本5%以上，項(xiàng)目投資回收期通常在6～10個(gè)月。同時(shí)，通過(guò)采用先進(jìn)控制，還能大大降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，減少生產(chǎn)運(yùn)行中的人為因素影響。因此，先進(jìn)控制已被視為一種投資少、效益高的高新技術(shù)，是流程工業(yè)企業(yè)提升綜合自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降耗和減排，持續(xù)挖潛增效，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。

本文主要開(kāi)展的甲醇精餾裝置引入先進(jìn)控制技術(shù)(Advanced Process Control，APC)，提出多變量預(yù)測(cè)控制和卡邊優(yōu)化策略，主要針對(duì)裝置的整體參數(shù)和工藝指標(biāo)實(shí)施高級(jí)控制和卡邊優(yōu)化，提高甲醇精餾裝置的綜合自動(dòng)化水平和運(yùn)行平穩(wěn)性，改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品收率，降低能耗。此項(xiàng)目技術(shù)路線成熟，風(fēng)險(xiǎn)低，可行性強(qiáng)。另外，此課題采用浙江中控自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)控制軟件包，應(yīng)用多變量預(yù)測(cè)控制、智能控制、軟測(cè)量等先進(jìn)控制技術(shù)研究開(kāi)發(fā)甲醇精餾裝置全流程先進(jìn)控制系統(tǒng)，在甲醇行業(yè)具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性和示范意義。

1 精餾裝置簡(jiǎn)介

1.1 工藝情況

公司甲醇Ⅱ精餾裝置采用三塔工藝流程，裝置設(shè)計(jì)甲醇處理能力為1 000t/d。來(lái)自粗甲醇槽V8001A(B)的粗甲醇經(jīng)預(yù)塔給料泵P8001A(B)加壓后，進(jìn)入粗甲醇預(yù)熱器E8001，由蒸汽冷凝液加熱至65℃左右，送入預(yù)精餾塔T8001；T8001塔底來(lái)的預(yù)精餾后甲醇，經(jīng)加壓塔進(jìn)料泵P8004A(B)加壓后通過(guò)加壓塔進(jìn)料預(yù)熱器E8013預(yù)熱到80～103℃送至加壓精餾塔T8002；由T8002塔底排出的甲醇溶液，經(jīng)過(guò)加壓塔進(jìn)料預(yù)熱器E8013換熱后送往常壓精餾塔T8003。最終合格品(乙醇含量≤100ppm)從加壓精餾塔回流罐V8004及常壓精餾塔回流罐V8005采出至精甲醇槽V8007。

1.2 運(yùn)行現(xiàn)狀

目前，兗礦魯南化工有限公司甲醇Ⅱ精餾裝置采用中控ECS700集散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主要工藝參數(shù)溫度、壓力、流量、液位等的顯示、記錄、累計(jì)、報(bào)警和設(shè)備運(yùn)行聯(lián)鎖功能，并能夠進(jìn)行整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的操作和控制，裝置整體運(yùn)行安全可靠，指標(biāo)正常。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1、2。

表1 控制軟件投運(yùn)前加壓塔相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 The statistical table of relative data of pressurized tower before the operation of control software

表2 控制系統(tǒng)投運(yùn)前常壓塔相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 The relevant data statistics table of atmospheric tower before the operation of control software

通過(guò)表1、2中的數(shù)據(jù)可知，裝置在運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行基本穩(wěn)定。加壓塔塔釜液位方差24.97，加壓塔回流罐液位方差1.52，加壓塔塔釜溫度方差0.33；常壓塔靈敏板溫度方差4.17，常壓塔回流罐液位方差3.28。

1.3 存在的問(wèn)題

(1)化工裝置在正常運(yùn)行過(guò)程中，受各種因素影響，上下游及公用工程工序都會(huì)發(fā)生不同程度的波動(dòng)，必然導(dǎo)致精餾裝置加壓塔回流罐液位、加壓塔塔釜液位及塔釜溫度出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象；常壓塔靈敏板溫度及回流罐液位出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。目前，精餾塔的運(yùn)行負(fù)荷、再沸器蒸汽量、回流量、塔頂和塔底餾分采出量等均由人工憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)，為克服負(fù)荷、轉(zhuǎn)化氣溫度、進(jìn)料組分的波動(dòng)干擾，保證產(chǎn)品質(zhì)量，操作人員通常將各精餾塔保持在過(guò)回流狀態(tài)下運(yùn)行，以此來(lái)增加操作彈性，防止產(chǎn)品質(zhì)量不合格，這在一定程度上犧牲了產(chǎn)品收率，增加了消耗。

(2)通過(guò)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的分析，精甲醇中乙醇含量為95.33ppm,雖在正常指標(biāo)范圍內(nèi)(≤100ppm),但是系統(tǒng)稍微一出現(xiàn)波動(dòng)，就會(huì)出現(xiàn)指標(biāo)超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

2 精餾裝置先進(jìn)控制軟件需求分析

根據(jù)對(duì)精餾裝置的初步調(diào)研，精餾系統(tǒng)的部分控制回路僅實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的PID單回路自動(dòng)控制，在過(guò)程控制上仍處于基于人工經(jīng)驗(yàn)的控制水平，各精餾塔關(guān)鍵工藝指標(biāo)及質(zhì)量指標(biāo)等存在一定程度的波動(dòng)，嚴(yán)重影響裝置的運(yùn)行平穩(wěn)性、產(chǎn)品質(zhì)量和整體經(jīng)濟(jì)效益。介于此情況，精餾裝置實(shí)施先進(jìn)控制的需求為：

(1)甲醇精餾系統(tǒng)基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x表、控制閥門配置比較齊全，各精餾塔部分工藝指標(biāo)實(shí)現(xiàn)PID自動(dòng)控制，但大部分控制回路仍處于手動(dòng)控制狀態(tài)。由于精餾系統(tǒng)的復(fù)雜工藝特性和物料之間的交叉換熱耦合作用，部分工藝指標(biāo)如靈敏板溫度、塔釜液位等PID控制回路無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。生產(chǎn)過(guò)程中擾動(dòng)因素多，經(jīng)常出現(xiàn)因人工調(diào)節(jié)不及時(shí)或調(diào)節(jié)幅度不合適等因素而影響工藝指標(biāo)的平穩(wěn)運(yùn)行。

(2)常規(guī)控制算法以PID反饋控制為主，將精餾塔簡(jiǎn)化為若干個(gè)單變量來(lái)處理，無(wú)法滿足實(shí)際精餾過(guò)程需要兼顧多個(gè)目標(biāo)的工藝控制要求。

(3)精餾裝置具有較強(qiáng)的多變量耦合特性，各塔之間存在著極強(qiáng)的物料交叉換熱，如常壓塔采用加壓塔塔頂氣相采出作為再沸器熱源，預(yù)塔、加壓塔采用低壓蒸汽作為再沸器熱源。因此，在甲醇精餾生產(chǎn)過(guò)程中，精餾系統(tǒng)各工藝參數(shù)之間存在著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)耦合特性，相關(guān)物料流量或溫度的波動(dòng)將導(dǎo)致精餾塔工況產(chǎn)生大幅度波動(dòng)，基于人工經(jīng)驗(yàn)的常規(guī)控制難以實(shí)時(shí)保持精餾過(guò)程的整體物料平衡和能量平衡，裝置的運(yùn)行平穩(wěn)性差，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證，綜合能耗高。

(4)對(duì)于甲醇精餾系統(tǒng)，當(dāng)?shù)蛪赫羝麥囟然驂毫Πl(fā)生波動(dòng)時(shí)，精餾系統(tǒng)在過(guò)程控制上沒(méi)有很好的抗干擾措施和方法，主要由操作人員根據(jù)工藝參數(shù)反饋信息手動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)操縱手段以克服干擾，調(diào)節(jié)響應(yīng)滯后嚴(yán)重，且可能存在調(diào)節(jié)不及時(shí)或調(diào)節(jié)幅度不合適問(wèn)題，以至于經(jīng)常影響產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和產(chǎn)品收率。

基于以上分析，結(jié)合精餾裝置的工藝特點(diǎn)和過(guò)程控制需求，在DCS常規(guī)控制的基礎(chǔ)上采用模型預(yù)測(cè)控制、智能控制等先進(jìn)控制策略開(kāi)發(fā)實(shí)施精餾裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)精餾系統(tǒng)關(guān)鍵工藝指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的準(zhǔn)確分析，建立合理的控制模型，克服粗甲醇組分變化、低壓蒸汽壓力及其他干擾因素的影響，進(jìn)一步提高精餾系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3 APC控制軟件功能及應(yīng)用

3.1 APC控制軟件功能

先進(jìn)控制軟件(APC)適用于多變量、強(qiáng)耦合、大時(shí)滯、帶約束復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)控制和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，其主要功能有：

(2)有效抑制可測(cè)擾動(dòng)：對(duì)可測(cè)擾動(dòng)同時(shí)建模，預(yù)測(cè)擾動(dòng)變量(DV)對(duì)過(guò)程的影響，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)有效補(bǔ)償，提高裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)提供多目標(biāo)動(dòng)態(tài)優(yōu)化：通過(guò)對(duì)表征裝置運(yùn)行過(guò)程中的安全、穩(wěn)定、質(zhì)量、產(chǎn)能、能耗等方面的多個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)置，按照權(quán)重優(yōu)先級(jí)依次滿足，自動(dòng)解耦尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)在確保裝置安全穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

(4)利用智能控制策略靈活實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置的個(gè)性化過(guò)程控制需求，支持多元化行業(yè)解決方案的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)。

3.2 APC控制軟件應(yīng)用

根據(jù)該技術(shù)特點(diǎn)，技術(shù)軟件可應(yīng)用于甲醇Ⅱ精餾裝置的加壓塔及常壓塔，可解決甲醇精餾裝置的如下問(wèn)題：

(1)在DCS系統(tǒng)常規(guī)控制基礎(chǔ)上建立精餾單元先進(jìn)控制系統(tǒng)，提高裝置的綜合自動(dòng)化水平，克服變量間的關(guān)聯(lián)耦合和干擾因素，穩(wěn)定生產(chǎn)工況，提高主要工藝參數(shù)的平穩(wěn)性，與常規(guī)控制相比，關(guān)鍵工藝參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差(波動(dòng)幅度)降低30%以上。

(2)基于裝置的平穩(wěn)操作，優(yōu)化裝置運(yùn)行負(fù)荷，克服分子篩切換事件干擾影響，保證裝置運(yùn)行安全，并對(duì)相關(guān)工藝指標(biāo)進(jìn)行“卡邊”優(yōu)化，挖掘裝置潛力，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，提高產(chǎn)品收率0.2%以上，降低裝置能耗2%以上。

(3)在正常生產(chǎn)條件下，保證先進(jìn)控制系統(tǒng)的投運(yùn)率達(dá)到95%以上，提高裝置綜合自動(dòng)化水平，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，保持生產(chǎn)操作的一致性，減少人為干擾。

(4)獨(dú)立完成與DCS之間的數(shù)據(jù)通訊，保證DCS系統(tǒng)的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的無(wú)擾動(dòng)切換功能。

根據(jù)冠狀動(dòng)脈狹窄情況將461例患者分組：將冠脈正常組和冠脈粥樣硬化組合為非冠心病組（117例）；冠狀動(dòng)脈狹窄≥50%為冠心病組（344例）。按冠脈狹窄累及冠脈血管支數(shù)分為：?jiǎn)沃Р∽兘M112例、雙支病變組125例及三支病變組107例。根據(jù)冠狀動(dòng)脈病變積分，分為3個(gè)亞組：低分組（＜5分）52例，中分組（5-1 0分）135例，高分組（≥10分）133例。

4 效果分析

4.1 裝置的控制系統(tǒng)更加完完備

由于精餾裝置工藝特點(diǎn)和復(fù)雜動(dòng)態(tài)特征，采用多變量預(yù)測(cè)控制、智能控制、軟測(cè)量等先進(jìn)控制技術(shù)，提出基于多變量預(yù)測(cè)控制、智能控制方法及基于滾動(dòng)優(yōu)化性能指標(biāo)的最優(yōu)控制策略，通過(guò)建立適合甲醇生產(chǎn)過(guò)程的多工況數(shù)學(xué)模型和變量分級(jí)優(yōu)化先進(jìn)控制器，解決甲醇生產(chǎn)過(guò)程中存在的大滯后、非線性、變量耦合、干擾因素多等問(wèn)題，保證甲醇精餾裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)的強(qiáng)魯棒性和最優(yōu)控制。

4.2 裝置工況實(shí)現(xiàn)智能診斷與監(jiān)控技術(shù)

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控甲醇精餾裝置生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的負(fù)荷波動(dòng)、蒸汽壓力波動(dòng)、指標(biāo)超限、分子篩切換等異常事件，自動(dòng)進(jìn)行工況診斷，及時(shí)作出合理應(yīng)急處理，確保生產(chǎn)的運(yùn)行安全。

4.3 裝置運(yùn)行情況

項(xiàng)目于2019年8月利用系統(tǒng)停車檢修的機(jī)會(huì)改造完成并投入使用，筆者收集統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)項(xiàng)目前后進(jìn)行對(duì)比。

4.3.1 加壓塔

控制軟件投運(yùn)后加壓塔相關(guān)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3)，投運(yùn)前后相關(guān)數(shù)據(jù)的變化情況，如圖1-3。

表3 控制軟件投運(yùn)后加壓塔相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.3 The statistical table of pressurized tower data after operation of control software

圖1 投運(yùn)前、后加壓塔塔釜液位對(duì)比Fig.1 The comparison of liquid level of pressurized tower kettle before and after operation

圖2 投運(yùn)前、后加壓塔塔頂回流罐液位對(duì)比Fig.2 The liquid level comparison of reflux tank on top of pressurized tower before and after operation

圖3 投運(yùn)前、后加壓塔塔釜溫度對(duì)比Fig.3 The comparison of pressurized tower kettle temperature before and after operation

加壓塔塔釜液位方差由24.97降低至4.79，方差改善80.84%。 加壓塔回流罐液位方差由1.52降低至0.35，方差改善77.28%。加壓塔塔釜溫度方差由0.33降低至0.12，方差改善63.85%。

加壓塔塔釜液位LI8005、回流罐液位LI8006、塔釜溫度TI8011波動(dòng)明顯變小，趨于更加平穩(wěn)的狀態(tài)。

4.3.2 常壓塔

控制軟件投運(yùn)后常壓塔相關(guān)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表4，投運(yùn)前后相關(guān)數(shù)據(jù)的變化情況，如圖4、5。

表4 控制軟件投運(yùn)后常壓塔相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.4 The related data statistical table of atmospherictower after operation

圖4 投運(yùn)前、后常壓塔靈敏板溫度對(duì)比Fig.4 The temperature comparison of sensitive plate of atmospheric column before and after operation

常壓塔靈敏板溫度方差由4.17降低至0.35，方差改善91.64%。常壓塔回流罐液位方差由3.28降低至0.17，方差改善94.67%。

常壓塔靈敏板溫度TI8018、回流罐液位LI8008波動(dòng)明顯變小，趨于更加平穩(wěn)的狀態(tài)。

4.3.3 產(chǎn)品消耗及質(zhì)量

控制軟件投運(yùn)后，收集統(tǒng)計(jì)同一時(shí)期的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表5、6。

圖5 投運(yùn)前、后常壓塔回流罐液位對(duì)比Fig.5 The comparison of liquid level in reflux tank of atmospheric tower before and after operation

表5 項(xiàng)目實(shí)施前產(chǎn)品蒸汽消耗及質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表Tab.5 The statistical table of steam consumption and mass of products before project implementation

表6 項(xiàng)目實(shí)施后產(chǎn)品蒸汽消耗及質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表Tab.6 The statistical table of steam consumption and mass of products after project implementation

根據(jù)表5、6可得知，項(xiàng)目實(shí)施后，噸甲醇耗蒸汽減少了0.02t，甲醇中乙醇含量降低至65.7ppm。

4.3.4 其他方面

先進(jìn)控制軟件(APC)的應(yīng)用，降低操作人員的工作強(qiáng)度，使精餾裝置運(yùn)行更加穩(wěn)定，使公司的“三化融合”建設(shè)更近一步。

5 結(jié)論

(1)先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用，使得加壓塔塔釜液位LI8005、回流罐液位LI8006、塔釜溫度TI8011；常壓塔靈敏板溫度TI8018、回流罐液位LI8008更加平穩(wěn)。

(2)噸甲醇耗蒸汽減少了0.02t，甲醇中乙醇含量降低至65.7ppm。

本項(xiàng)目的實(shí)施，使公司自動(dòng)化水平上升一個(gè)新的臺(tái)階，為下一步公司醋酐精餾裝置、丁醇精餾裝置、醋酸酯精餾裝置提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。