先進(jìn)控制技術(shù)在馬來(lái)酸酐生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用

夏佳佳，楊效軍，李 劍，楊如惠，陳明宇，鄭 鑫

(中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司BDO部，江蘇儀征 211900)

馬來(lái)酸酐又稱(chēng)順丁烯二酸酐，簡(jiǎn)稱(chēng)順酐，是重要的有機(jī)化工原料，廣泛運(yùn)用于合成樹(shù)脂、涂料、農(nóng)藥、潤(rùn)滑油添加劑、醫(yī)藥、紙張?zhí)幚韯?、食品添加劑和穩(wěn)定劑等方面[1-8]。MAH裝置吸收汽提和精制過(guò)程是典型的多變量非線(xiàn)性系統(tǒng)，吸收塔、汽提塔、后閃蒸塔之間耦合性強(qiáng)，常規(guī)做法是通過(guò)PID控制調(diào)節(jié)，各塔的塔溫、塔壓、液位、回流等關(guān)鍵控制抗干擾能力較差，而以上參數(shù)指標(biāo)波動(dòng)將對(duì)MAH的產(chǎn)品質(zhì)量造成直接影響[9-12]。

本文以某工廠MAH裝置吸收汽提單元和精制單元為背景，在常規(guī)PID控制基礎(chǔ)上采用先進(jìn)控制軟件Cyb-iMPC進(jìn)行先進(jìn)控制改造，通過(guò)多變量預(yù)測(cè)控制技術(shù)克服各塔之間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)和上下游工段干擾頻繁等問(wèn)題，提高裝置平穩(wěn)性和抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)吸收汽提和精制單元的優(yōu)化控制并達(dá)到提升產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能增效的目標(biāo)。同時(shí)依托先控平臺(tái)軟件，實(shí)現(xiàn)儀表診斷、生產(chǎn)報(bào)表等附加功能，為MAH裝置提供生產(chǎn)指導(dǎo)。

1 工藝特點(diǎn)

某工廠MAH裝置吸收汽提單元主要由吸收塔、汽提塔、后閃蒸塔和洗滌塔構(gòu)成。從正丁烷氧化反應(yīng)器出來(lái)的粗產(chǎn)品氣首先通入吸收塔，與塔頂通入的貧油溶劑(鄰苯二甲酸二丁酯)接觸生成富油從塔底通入富油儲(chǔ)罐。為實(shí)現(xiàn)MAH最大化吸收和分離，吸收塔塔底設(shè)置循環(huán)冷卻器進(jìn)行外部循環(huán)冷卻。由富油儲(chǔ)罐出來(lái)的富油經(jīng)預(yù)熱后通過(guò)進(jìn)料泵打入汽提塔中，該塔為真空蒸餾塔，通過(guò)三級(jí)蒸汽噴射器系統(tǒng)使塔頂冷凝器出口處真空壓力保持在0.002 MPa。塔頂物料在冷凝器冷凝，液體MAH產(chǎn)品從側(cè)線(xiàn)出料，塔底再沸器加熱塔底物料，塔底貧油通過(guò)加熱器通入后閃蒸塔進(jìn)一步回收產(chǎn)品。后閃蒸塔為單級(jí)閃蒸塔，塔內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽在塔頂噴淋冷凝器中冷凝，冷凝器外設(shè)置循環(huán)冷卻器對(duì)凝液進(jìn)行冷卻回流，回流物料還包括吸收塔底出料和富油儲(chǔ)罐部分出料；后閃蒸塔塔頂冷凝出料打入富油儲(chǔ)罐，塔底少量貧油打入汽提塔預(yù)熱器；貧油從洗滌塔塔頂流入，用于回收塔頂未冷凝氣流和汽提塔冷凝器出來(lái)的不凝氣體中的MAH。吸收汽提單元流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 吸收汽提單元流程簡(jiǎn)圖

MAH精制單元工藝流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。精制單元由輕組分塔T-1901 和成品塔T-1902 構(gòu)成。輕重組分以MAH為界，沸點(diǎn)低于MAH的組分為輕組分，而沸點(diǎn)高于MAH的組分則為重組分。T-1901與T-1902為多段填料塔，T-1901從塔中上部進(jìn)料，塔頂物流1903與1904中含有輕組分雜質(zhì)。T-1902從塔中下部進(jìn)料，塔釜物流1917 中含有重組分雜質(zhì)，塔中上部側(cè)線(xiàn)采出MAH精餾產(chǎn)品(物流1916)，塔頂物流1914返回T-1901。物流1903送至界外。

圖2 MAH精制單元工藝流程圖

該MAH裝置已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了PID控制，自動(dòng)化程度相對(duì)較高，但是由于MAH吸收汽提單元的工藝特性、儀表情況以及控制手段等限制，部分回路仍存在無(wú)法投用自動(dòng)控制或無(wú)法優(yōu)化控制的情況。

2 先進(jìn)控制實(shí)施

2.1 MAH裝置先進(jìn)控制目標(biāo)

某工廠MAH裝置先進(jìn)控制項(xiàng)目通過(guò)采用先進(jìn)成熟的先進(jìn)控制軟件，采用行業(yè)先進(jìn)過(guò)程控制最佳實(shí)踐，建立裝置多變量控制器，實(shí)現(xiàn)成功投用，達(dá)到平穩(wěn)裝置生產(chǎn)、減少質(zhì)量波動(dòng)、實(shí)現(xiàn)最優(yōu)卡邊操作、降低裝置能耗的基本目標(biāo)。具體控制目標(biāo)如下：

(1) 裝置正常生產(chǎn)情況下，控制器投運(yùn)率95%以上。

(2) 提高裝置生產(chǎn)平穩(wěn)率，克服干擾的影響，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，使關(guān)鍵被控變量標(biāo)準(zhǔn)偏差降低20%以上。

(3) 通過(guò)卡邊控制，提高M(jìn)AH裝置產(chǎn)品質(zhì)量，減少貧油損失1%以上。

2.2 MAH裝置先進(jìn)控制策略

2.2.1 控制器設(shè)計(jì)

某工廠MAH裝置的先進(jìn)控制系統(tǒng)主要涉及吸收汽提單元、精制單元和蒸汽系統(tǒng)，根據(jù)裝置所要實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)和當(dāng)前的約束狀況，分四個(gè)控制模塊進(jìn)行實(shí)施，分別為吸收汽提單元各子控制器、精制單元控制器、蒸汽系統(tǒng)專(zhuān)家控制器、儀表診斷系統(tǒng)和生產(chǎn)指導(dǎo)模塊。該裝置先進(jìn)控制器以提升關(guān)鍵指標(biāo)平穩(wěn)率和自動(dòng)化率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約能耗物耗為主要目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化調(diào)節(jié)各控制變量，克服干擾影響，并依據(jù)工藝特點(diǎn)和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行“卡邊”優(yōu)化，挖掘經(jīng)濟(jì)效益潛力。

(1) 吸收塔控制器

MAH裝置吸收塔塔頂溫度、靈敏板溫度對(duì)富油氣中馬來(lái)酸酐的吸收效率及貧油消耗量具有直接影響。受回流量、進(jìn)料氣流量、循環(huán)冷卻水溫度等干擾的影響，且由于塔徑較大造成控制滯后較大，在常規(guī)PID控制下，僅根據(jù)溫度變化調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水量來(lái)對(duì)塔頂溫度和靈敏板溫度進(jìn)行控制的方法，無(wú)法及時(shí)有效地克服干擾，波動(dòng)較大。

根據(jù)吸收塔的運(yùn)行特點(diǎn)和控制要求，采用多變量模型預(yù)測(cè)控制，以塔釜循環(huán)水調(diào)節(jié)閥、塔釜出料流量和塔底回流調(diào)節(jié)閥等為操作變量，以塔頂溫度、塔釜溫度、靈敏板溫度、塔釜液位、返塔流量等各關(guān)鍵工藝參數(shù)為被控變量，克服滯后與干擾因素，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)系統(tǒng)各指標(biāo)的平穩(wěn)控制和“卡邊”優(yōu)化，在滿(mǎn)足生產(chǎn)條件的情況下盡量將靈敏板溫度卡下限，提高M(jìn)AH吸收率，減少有機(jī)相的跑損，提高經(jīng)濟(jì)效益。

(2) 汽提塔控制器

汽提塔部分相對(duì)自動(dòng)化率低于其他工段，在富油罐液位、真空系統(tǒng)壓力等關(guān)鍵控制變量上未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，因此常規(guī)控制勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較大，控制效果不佳。

根據(jù)汽提塔的運(yùn)行特點(diǎn)和控制要求，采用多變量模型預(yù)測(cè)控制，以富油儲(chǔ)罐出料流量閥、汽提塔高壓蒸汽流量閥、真空系統(tǒng)蒸汽調(diào)節(jié)閥、溫水調(diào)節(jié)閥等為控制變量，以富油儲(chǔ)罐液位、汽提塔塔底溫度、壓力、塔頂溫度、冷后溫度等各關(guān)鍵工藝參數(shù)為被控變量，克服管網(wǎng)蒸汽壓力等干擾以及裝置之后的影響，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)系統(tǒng)各指標(biāo)的平穩(wěn)控制和“卡邊”優(yōu)化。

(3) 后閃蒸塔和洗滌塔控制器

后閃蒸塔與吸收塔、汽提塔的耦合性較強(qiáng)，如吸收塔和汽提塔的液位波動(dòng)會(huì)直接影響后閃蒸塔的側(cè)線(xiàn)液位、塔釜液位和溫度，常規(guī)控制無(wú)法克服以上干擾影響，控制效果有待優(yōu)化。

根據(jù)后閃蒸塔的運(yùn)行特點(diǎn)和控制要求，采用多變量模型預(yù)測(cè)控制器，以后閃蒸塔出料流量調(diào)節(jié)閥、側(cè)線(xiàn)出料調(diào)節(jié)閥、蒸汽流量閥、溫水調(diào)節(jié)閥、洗滌塔進(jìn)料流量閥等為控制變量，以后閃蒸塔塔釜液位、塔頂回流溫度、塔頂出料溫度、側(cè)線(xiàn)液位、塔底溫度、洗滌塔液位等關(guān)鍵工藝參數(shù)為被控變量，克服后閃蒸塔底回流量、吸收塔液位、洗滌塔出料流量、蒸汽管網(wǎng)壓力、后閃蒸塔壓力等干擾影響，實(shí)現(xiàn)后閃蒸塔及洗滌塔的優(yōu)化控制。

(4) 輕組分塔和成品塔控制器

輕組分塔和成品塔控制器以輕組分塔和成品塔的壓力調(diào)節(jié)閥、循環(huán)水調(diào)節(jié)閥、塔底再沸蒸汽調(diào)節(jié)閥作為操作變量，以輕組分塔和成品塔的塔頂溫度、回流罐溫度、靈敏板溫度和塔頂回流量等關(guān)鍵工藝參數(shù)作為被控變量，克服蒸汽管網(wǎng)壓力等干擾的影響，實(shí)現(xiàn)輕組分塔和成品塔的平穩(wěn)優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提升產(chǎn)品質(zhì)量的目標(biāo)。

MAH裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)變量匯總?cè)绫?所示。

表1 MAH裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)變量匯總表

2.2.2 儀表診斷模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)控制系統(tǒng)建立明確的儀表診斷與監(jiān)測(cè)規(guī)則，結(jié)合操作人員以及工藝專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，利用在線(xiàn)儀表等的指示功能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)診斷及監(jiān)控，達(dá)到提高裝置運(yùn)行安全性的目的；實(shí)現(xiàn)MAH裝置主要檢測(cè)儀表的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)檢測(cè)儀表出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)切除先進(jìn)控制系統(tǒng)并進(jìn)行報(bào)警提示；實(shí)現(xiàn)MAH裝置主要設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)切除先進(jìn)控制系統(tǒng)并進(jìn)行報(bào)警提示。

(1) 故障診斷方法：

先進(jìn)控制系統(tǒng)通過(guò)OPC以10 s為采集周期采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并基于公式(1)進(jìn)行儀表測(cè)量值不變故障判斷。

思想政治教育者自身必須具備合格的理論品質(zhì)，提高自身的素養(yǎng)，培養(yǎng)實(shí)事求是的認(rèn)知觀，克服心理效應(yīng)所造成的認(rèn)知偏見(jiàn)。與教育對(duì)象打交道，如果片面利用心理效應(yīng)，就會(huì)使人們陷入認(rèn)識(shí)誤區(qū)，要利用實(shí)事求是的觀點(diǎn)看問(wèn)題，以實(shí)事求是與時(shí)俱進(jìn)的態(tài)度來(lái)處理教育過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題。克服第一印象的片面性，減少“新穎印象”的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，避免定勢(shì)效應(yīng)的刻板印象，從而以一種實(shí)事求是的態(tài)度來(lái)對(duì)待教育對(duì)象。作為教育工作者不能高估或低估任何學(xué)生，要一切從實(shí)際出發(fā)，對(duì)于學(xué)生的客觀情況客觀分析，做一名讓學(xué)生信服的思想政治教育工作者。當(dāng)然，也要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)事求是，一切從實(shí)際出發(fā)的認(rèn)知觀，促進(jìn)教學(xué)效果的提高。

(1)

式中X代表變化率；X0代表當(dāng)前測(cè)量值；X1代表一個(gè)周期前測(cè)量值；X2代表兩個(gè)周期前測(cè)量值；X3代表三個(gè)周期前測(cè)量值；X4代表四個(gè)周期前測(cè)量值；X5代表五個(gè)周期前測(cè)量值。

通過(guò)公式計(jì)算出過(guò)去5個(gè)周期，該儀表的平均變化率。當(dāng)該變化率小于某一個(gè)值時(shí)，則可以判斷該儀表出現(xiàn)了測(cè)量值不變的故障。

判斷現(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)量值跳變，可選取公式(2)判斷。當(dāng)該變化率高于某一個(gè)數(shù)值時(shí)，則可以判斷該儀表出現(xiàn)了測(cè)量值跳變的故障。

(2)

(2) 故障處理措施

通過(guò)先進(jìn)控制系統(tǒng)儀表智能診斷解決策略判斷出該檢測(cè)儀表故障類(lèi)型，當(dāng)該儀表故障類(lèi)型判斷為測(cè)量數(shù)值不變時(shí)，先控上位機(jī)會(huì)向DCS系統(tǒng)輸出信號(hào)1，并由DCS執(zhí)行對(duì)該回路的閥值限位保護(hù)，控制回路模式由自動(dòng)切回手動(dòng)，并將閥開(kāi)度恢復(fù)至測(cè)量?jī)x表故障前的開(kāi)度。同時(shí)在DCS系統(tǒng)上彈出報(bào)警提示，由現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行檢修處理。

當(dāng)該儀表故障判斷為測(cè)量數(shù)值跳變時(shí)，先控上位機(jī)會(huì)向DCS系統(tǒng)輸出信號(hào)2，并由DCS執(zhí)行對(duì)該回路的閥值限位保護(hù)，控制回路模式由自動(dòng)切回手動(dòng)，并將閥開(kāi)度恢復(fù)至測(cè)量?jī)x表故障前的開(kāi)度。同時(shí)在DCS系統(tǒng)上彈出報(bào)警提示，由現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行檢修處理。

3 實(shí)施效果

MAH裝置采用先進(jìn)控制系統(tǒng)后，在工藝指標(biāo)平穩(wěn)性、操作勞動(dòng)強(qiáng)度、貧油消耗、產(chǎn)品質(zhì)量、蒸汽能耗等方面都取得了明顯成效。

在裝置平穩(wěn)性上，先進(jìn)控制克服了干擾變量對(duì)關(guān)鍵工藝變量的影響，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使關(guān)鍵溫度變量標(biāo)準(zhǔn)偏差降低50%以上，關(guān)鍵液位標(biāo)準(zhǔn)偏差降低23%以上，提升了裝置穩(wěn)定性。以汽提塔塔頂溫度、富油儲(chǔ)罐液位為例，投用先進(jìn)控制系統(tǒng)后測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差分別提升72.18%和47.41%，其在先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)前后48 h內(nèi)的趨勢(shì)對(duì)比如圖3、圖4所示。

圖3 先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)前后汽提塔塔頂溫度趨勢(shì)對(duì)比

圖4 先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)前后富油儲(chǔ)罐液位趨勢(shì)對(duì)比

在貧油消耗上，通過(guò)卡邊控制，有效降低貧油單耗1.93%，達(dá)到了先控目標(biāo)，并使得MAH產(chǎn)品質(zhì)量有了明顯提升，產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)步提高，雜質(zhì)含量及其波動(dòng)明顯下降。先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)先后產(chǎn)品質(zhì)量分析數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5、圖6所示。

圖5 先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)前后MAH產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)比

圖6 先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)前后MAH產(chǎn)品雜質(zhì)含量對(duì)比

經(jīng)計(jì)算，投運(yùn)前輕組分塔采樣點(diǎn)MAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為99.980 4%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.003 37，投運(yùn)后MAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為99.983 2%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.002 39，產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)和穩(wěn)定性均呈穩(wěn)定提升的趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了“卡邊”優(yōu)化。

經(jīng)計(jì)算，投運(yùn)前產(chǎn)品雜質(zhì)含量(丙烯酸)的數(shù)據(jù)平均值為130.03 mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為31.48，投運(yùn)后平均值為96.54 mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為20.04，降幅分別為25.76%和36.34%。產(chǎn)品雜質(zhì)含量波動(dòng)變小，且與投運(yùn)前相比明顯降低，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性提升較為明顯，投運(yùn)效果較為直觀。

在蒸汽能耗方面，通過(guò)精制單元成品塔的卡邊優(yōu)化控制，使得蒸汽用量降低下降3.6%，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，直接年經(jīng)濟(jì)效益近180萬(wàn)元。

4 結(jié) 論

將先進(jìn)控制技術(shù)引入馬來(lái)酸酐裝置，有效提升了生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化水平和平穩(wěn)性，通過(guò)“卡邊”優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的預(yù)期目標(biāo)，并通過(guò)設(shè)計(jì)多功能模塊提升MAH裝置生產(chǎn)管理的便捷性。該先進(jìn)控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，控制效果優(yōu)良，在正常生產(chǎn)過(guò)程中可連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。