先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)在芳烴抽提裝置中的應(yīng)用

王炳淞

(福建古雷石化有限公司，福建 漳州 363216)

工藝過(guò)程控制的關(guān)鍵部位往往具有很強(qiáng)的耦合性、非線性以及滯后性等特性，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)品收率和能耗等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，這些問(wèn)題無(wú)法通過(guò)PID控制策略來(lái)很好的控制[1]。而先進(jìn)過(guò)程控制(APC)技術(shù)的理念是將整個(gè)生產(chǎn)裝置或者某個(gè)工藝單元作為一個(gè)整體研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，量化描述各變量之間的相互關(guān)系，建立過(guò)程多變量控制器模型，利用模型對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前對(duì)控制變量進(jìn)行調(diào)整，提高裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性[2]。某石化公司芳烴抽提工藝生產(chǎn)過(guò)程中存在很大的擾動(dòng)，如：進(jìn)料中芳烴含量的變化、進(jìn)料溫度的變化、溶劑溫度的波動(dòng)以及外部環(huán)境溫度的變化等，這些干擾都對(duì)工藝生產(chǎn)帶來(lái)了不同程度的擾動(dòng)，甚至影響到產(chǎn)品質(zhì)量的控制。因此，該公司針對(duì)芳烴抽提單元的工藝工況及操作難點(diǎn)，引進(jìn)DMCPlus先進(jìn)控制系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)單元進(jìn)行控制優(yōu)化，系統(tǒng)投用后，提高了芳烴的收率，降低了蒸汽消耗，同時(shí)大幅降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 先進(jìn)過(guò)程控制的基本原理

先進(jìn)過(guò)程控制本質(zhì)上是采用多種技術(shù)于一體，例如：前饋(多變量模型預(yù)測(cè))控制、反饋控制及優(yōu)化控制，通過(guò)預(yù)測(cè)模型，提前介入工藝參數(shù)控制，以減少關(guān)鍵工藝變量的波動(dòng)，進(jìn)而優(yōu)化工藝裝置操作，實(shí)現(xiàn)卡邊控制[3]。先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)采用多變量控制理論和控制工程方法，以工藝裝置多變量動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及優(yōu)化控制計(jì)算為核心，保證生產(chǎn)裝置在穩(wěn)定操作前提下，始終運(yùn)行在最優(yōu)卡邊工藝狀態(tài)，以獲取最大產(chǎn)品收率達(dá)到挖潛增效的目的[4]。

該先進(jìn)控制系統(tǒng)包括預(yù)測(cè)、線性規(guī)劃和動(dòng)態(tài)控制三個(gè)階段[5]。預(yù)測(cè)階段通過(guò)比較控制器當(dāng)前監(jiān)控參數(shù)與先期建立的裝置模型來(lái)預(yù)測(cè)參數(shù)未來(lái)的變化；線性規(guī)劃階段根據(jù)被控變量的上下限范圍，計(jì)算出在該范圍內(nèi)最優(yōu)的設(shè)定值；動(dòng)態(tài)控制階段根據(jù)裝置當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)計(jì)算出操作變量的調(diào)節(jié)步幅，以達(dá)到線性規(guī)劃的目標(biāo)設(shè)定值[6]。

2 芳烴抽提單元工藝流程

芳烴抽提蒸餾裝置采用北京石油化工科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的環(huán)丁砜抽提蒸餾工藝(SED)，重整油分離塔頂和異構(gòu)化單元汽提塔底混合C6～C7組分，通過(guò)SED分離出苯和甲苯的混合物(芳烴)，送至苯-甲苯分餾裝置生產(chǎn)苯和甲苯，抽余液(NA)送至乙烯裂解裝置[7]。

SED單元包括：抽提蒸餾塔、非芳烴蒸餾塔、溶劑回收塔、溶劑再生塔。其進(jìn)料來(lái)自重整油分離塔頂、異構(gòu)化汽提塔底的C6～C7餾分，進(jìn)料通過(guò)貧溶劑換熱預(yù)熱到工藝要求的溫度以后，送至抽提蒸餾塔，貧溶劑送至抽提蒸餾塔的塔頂[8]。在抽提蒸餾塔中，芳烴和非芳烴得以分離。抽提蒸餾塔塔頂?shù)姆欠紵N蒸汽送至非芳烴蒸餾塔的底部以回收少量的溶劑；抽提蒸餾塔底富含溶劑的物流送至溶劑回收塔，通過(guò)真空蒸餾分離芳烴和溶劑；塔底的少量貧溶劑物流送至溶劑再生塔以除去溶劑中的聚合物，其余的塔底物流經(jīng)過(guò)熱交換后循環(huán)回抽提蒸餾塔。芳烴抽提單元主要工藝流程如圖1所示。

3 控制目標(biāo)

3.1 控制目標(biāo)分析

芳烴抽提單元中抽提蒸餾塔是利用溶劑抽提蒸餾分離芳烴和非芳烴的關(guān)鍵設(shè)備[9]，在塔內(nèi)溶劑和進(jìn)料之間進(jìn)行多步抽提蒸餾。非芳烴在塔頂蒸出，而富含芳烴的溶劑在塔底被抽出，因此芳烴產(chǎn)品質(zhì)量的控制主要是在優(yōu)化抽提蒸餾塔的分離效果。同時(shí)，該塔也是蒸汽消耗主要來(lái)源，對(duì)該塔進(jìn)行控制使其平穩(wěn)操作也可以減少能耗。

正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要求富溶劑中非芳烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.15%，抽余液中芳烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.5%，這是保證芳烴產(chǎn)品質(zhì)量和回收效率的關(guān)鍵。操作抽提蒸餾塔時(shí)，為了維持塔盤汽-液相正常，必須選擇合適的塔壓、溶劑溫度、溶劑中的水含量和溶劑比率，以保證蒸汽和液體之間的傳熱效率以及流體力學(xué)上的穩(wěn)定性。

在抽提蒸餾塔運(yùn)行穩(wěn)定的前提下，為了保證芳烴的純度和回收效率必須對(duì)一些工藝變量進(jìn)行控制。這些變量包括：塔壓、溶劑比率、溶劑進(jìn)入抽提蒸餾塔的溫度、靈敏板溫度和貧溶劑中烴類物質(zhì)的含量，其中，抽提蒸餾塔溶劑比和靈敏板溫度的控制是整個(gè)芳烴抽提單元芳烴與非芳分離的關(guān)鍵。

溶劑比指的是進(jìn)入抽提蒸餾塔的總?cè)軇┝颗c原料量的質(zhì)量比率。溶劑比不僅是抽提蒸餾塔操作的關(guān)鍵，而且還決定了芳烴抽提單元的能耗。它是調(diào)節(jié)苯回收率的重要手段，溶劑比過(guò)低，溶劑與油不能完全互溶解，抽提進(jìn)行不充分，芳烴的收率及純度下降。較高的溶劑比對(duì)提高芳烴產(chǎn)品的純度和回收率是有利的，但過(guò)高的溶劑比將會(huì)造成裝置的處理能力下降并增加能耗[10]。

控制靈敏板溫度是直接影響芳烴產(chǎn)品純度和收率的重要因素。當(dāng)靈敏板溫度過(guò)低時(shí)，芳烴中的非芳烴含量迅速上升，反之，當(dāng)靈敏板溫度過(guò)高時(shí)，則抽余液中損失的芳烴將大幅增加，芳烴回收率降低。因此，靈敏板溫度的設(shè)定值必須控制在合理的范圍來(lái)調(diào)節(jié)小股溶劑，保證產(chǎn)品合格[11]。由于溫度PID控制存在反應(yīng)滯后大，調(diào)整不及時(shí)的問(wèn)題，在實(shí)際操作中應(yīng)密切關(guān)注靈敏板溫度的變化，必要時(shí)由操作員提前干預(yù)手動(dòng)進(jìn)行超前調(diào)節(jié)，但調(diào)整的幅度不能過(guò)大。隨著溫度控制值的增大，芳烴純度提高的同時(shí)，其在抽余液中的損失也相應(yīng)增加。

3.2 控制目標(biāo)確認(rèn)

根據(jù)設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)以及裝置歷史運(yùn)行情況綜合分析，芳烴抽提單元的控制目標(biāo)如下：

1)降低非芳烴中芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%以上。

2)芳烴中非芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2%。

3)優(yōu)化各塔溫度，在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下降低蒸汽消耗。

4)APC控制器投用率在95%以上。

4 控制器方案設(shè)計(jì)及控制器組態(tài)

4.1 控制策略

芳烴抽提單元的APC控制器的設(shè)計(jì)綜合考慮了裝置的實(shí)際情況和各個(gè)塔之間的關(guān)聯(lián)耦合關(guān)系，將芳烴抽提蒸餾塔、非芳烴蒸餾塔、溶劑回收塔和溶劑再生塔4個(gè)塔建立1個(gè)控制器，協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)合理控制抽提蒸餾塔塔頂塔釜溫度，優(yōu)化溶劑比的控制，提高芳烴收率，降低蒸汽消耗。

2)保證非芳烴蒸餾塔和溶劑回收塔的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)非芳烴蒸餾塔塔頂芳烴含量和溶劑回收塔塔頂非芳烴含量的卡邊控制，降低非芳烴中芳烴含量，保證芳烴中非芳烴含量滿足質(zhì)量要求。

3)穩(wěn)定溶劑再生塔液位及溫度的控制，保證再生效果。

4.2 控制設(shè)計(jì)

4.2.1控制方案

1)抽提蒸餾塔(C301)。控制器協(xié)調(diào)調(diào)整該塔塔頂兩股進(jìn)料溶劑和塔釜蒸汽量，優(yōu)化靈敏板溫度和塔釜溫度，使溶劑比控制在4.2～6.0，降低非芳烴中芳烴含量，使芳烴中非芳烴含量卡邊控制，降低蒸汽消耗量。

2)非芳烴蒸餾塔(C302)。調(diào)節(jié)該塔回流量，優(yōu)化回流比的控制，保證塔頂溫度穩(wěn)定。

3)溶劑回收塔(C303)。調(diào)節(jié)該塔塔頂回流和塔釜熱源，優(yōu)化塔頂塔底溫度，降低蒸汽消耗。

4.2.2控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)芳烴抽提單元工藝流程以及控制方案，設(shè)定APC控制器的操作變量見(jiàn)表1所列，被控變量見(jiàn)表2所列。

表1 抽提單元APC控制器主要操作變量

表2 抽提單元APC控制器主要被控變量

4.2.3控制器模型

以C301塔頂溫度TIC3009.PV以及塔底出口溫度TI3017.PV為例：

1)C301塔頂溫度相關(guān)參數(shù)關(guān)聯(lián)變化曲線如圖2所示。其中，Δqm1為C301塔蒸汽量變化量，Δqm2為C301塔小股溶劑量變化量，Δqm3為C301塔全溶劑量變化量。

圖2 C301塔頂溫度相關(guān)參數(shù)關(guān)聯(lián)變化曲線示意

抽提蒸餾塔頂溫度TIC3009.PV控制的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3所列。

表3 抽提蒸餾塔頂溫度TIC3009.PV控制相關(guān)參數(shù)

2)C301塔底出口溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 C301塔塔底出口溫度變化曲線示意

5 應(yīng)用效果

APC自投用以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行良好，各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)運(yùn)行在設(shè)定范圍內(nèi)，大幅提高了裝置的穩(wěn)定性。

1)抽提蒸餾塔靈敏板溫度在APC投用前后對(duì)比如圖4所示。

圖4 C301塔靈敏板溫度在APC投用前后對(duì)比示意

由圖4可知，APC投用后明顯降低了C301塔靈敏板溫度的波動(dòng)，使其穩(wěn)定在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，有助于穩(wěn)定塔的分離效果和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了溶劑的消耗。

2)溶劑比在APC投用前后對(duì)比如圖5所示。

圖5 溶劑比在APC投用前后對(duì)比示意

由圖5可知，APC投用后明顯穩(wěn)定了C301塔的溶劑比，使其保持在理論合理范圍4.5～5.5，并將其推向最優(yōu)控制范圍5.0～5.2，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下降低該單元的蒸汽消耗量。

3)非芳中芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)在APC投用前后對(duì)比如圖6所示。

圖6 非芳烴中芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)在APC投用前后對(duì)比示意

由圖6可知，APC投用后明顯降低了非芳烴中的芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)，提高了高附加值產(chǎn)品芳烴的收率。根據(jù)日常操作人員反饋情況，在裝置操作中最常對(duì)C301塔的溶劑流量(FIC3002/FIC3003)以及C301塔的進(jìn)料量(FIC3001)進(jìn)行調(diào)整。APC投用前后調(diào)整C301塔進(jìn)料量和溶劑流量的次數(shù)見(jiàn)表4所列。

表4 APC投用前后調(diào)整C301塔進(jìn)料量和溶劑流量的次數(shù) 次

APC控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使得FIC3001月平均操作次數(shù)下降了12.3%，F(xiàn)IC3002月平均操作次數(shù)下降了95.32%，F(xiàn)IC3003月平均操作次數(shù)下降了78.29%，有效地降低了操作員的操作強(qiáng)度，大幅提高了工作效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

APC在芳烴抽提單元的應(yīng)用，顯著提高了該單元的運(yùn)行平穩(wěn)性，大幅降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使裝置操作人員有更多的時(shí)間與精力來(lái)思考操作上的優(yōu)化。APC通過(guò)多變量預(yù)估優(yōu)化控制，提高各塔溫度的穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)抽提蒸餾塔靈敏板溫度和溶劑比的優(yōu)化控制，提高了該單元的芳烴收率，并降低了單元溶劑消耗和蒸汽消耗，提升了裝置的操作安全性，為裝置帶來(lái)了較為客觀的經(jīng)濟(jì)效益。