乙二醇裝置上的APC技術(shù)應(yīng)用

楊文華，金治東

(湖北三寧化工股份有限公司， 湖北枝江 443200)

湖北三寧化工股份有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)三寧公司)60萬(wàn)t/a乙二醇裝置采用日本設(shè)計(jì)公司多級(jí)精餾制取聚酯級(jí)乙二醇方法。乙二醇精餾主要是利用精餾原理將加氫反應(yīng)產(chǎn)物粗乙二醇中的甲醇、乙醇、水、乙醇酸甲酯、1,2-丁二醇、二乙二醇、三乙二醇等雜質(zhì)分離出來(lái)，得到聚酯級(jí)乙二醇產(chǎn)品,以及甲醇、粗乙醇、混合醇等副產(chǎn)品[1-2]，所涉及到的主要設(shè)備包括：第一精餾塔、第二脫醇塔、甲醇分離塔、脫輕塔、脫水塔、第三脫醇塔A/B、精制塔等。

該精餾裝置運(yùn)用簡(jiǎn)單的比例積分微分(PID)控制，但整體自動(dòng)化水平較低，人員操作強(qiáng)度大，尤其是內(nèi)操，很難保證裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，乙二醇產(chǎn)品質(zhì)量與精餾工況密切相關(guān)，因此三寧公司采用浙江中軟軟件平臺(tái)，以乙二醇精餾裝置為解決對(duì)象，自主實(shí)施先進(jìn)過(guò)程控制(APC)技術(shù)，優(yōu)化乙二醇工藝過(guò)程，提高裝置的穩(wěn)定水平，降低裝置的消耗和系統(tǒng)的內(nèi)操頻次。

1 乙二醇精制單元工藝流程

乙二醇精餾單元由多個(gè)精餾塔串聯(lián)一起工作，圖1為第一精餾塔和第二脫醇塔的工藝流程。

來(lái)自罐區(qū)的原料A(粗乙二醇)和原料B(甲醇)通過(guò)換熱器進(jìn)入第一精餾塔中，通過(guò)底部再沸器換熱，一部分粗乙二醇從塔釜進(jìn)入第二脫醇塔，輕組分回流至第一精餾塔和進(jìn)入第二脫醇塔頂部。粗乙二醇進(jìn)入第二脫醇塔后，經(jīng)過(guò)底部蒸汽再沸器換熱后，一部分作為精甲醇采出，另一部分提壓后進(jìn)入甲醇分離塔。甲醇分離塔的作用是回收粗乙二醇中的甲醇，將一部分甲醇繼續(xù)采出，另一部分粗乙二醇送至脫輕塔。脫輕塔的作用是將第一精餾塔塔頂采出的輕組分中的雜醇油進(jìn)行分離，得到經(jīng)過(guò)初步精餾的粗乙二醇進(jìn)入脫水塔。脫水塔的作用是脫除粗乙二醇中的一元醇、水和低沸點(diǎn)的二元醇。利用相同的精餾原理，脫酮塔和共沸塔脫除粗乙二醇中的二元醇，最后在精制塔中分離得到精乙二醇產(chǎn)品。

2 存在的問(wèn)題

乙二醇裝置屬于生產(chǎn)產(chǎn)品的末端裝置，原料來(lái)自乙二醇加氫合成的罐區(qū)，整個(gè)裝置及關(guān)聯(lián)單元屬于多變量耦合系統(tǒng)，在生產(chǎn)操作過(guò)程中需要克服變量間的強(qiáng)耦合特性，以保持裝置之間以及各單元操作內(nèi)部的物料平衡和能量平衡?；谌斯そ?jīng)驗(yàn)的過(guò)程控制難以確保乙二醇裝置的平穩(wěn)運(yùn)行和節(jié)能降耗，操作難度較大。另外，由于各班組操作習(xí)慣不同，因此控制品質(zhì)也存在一定的差異。目前，在整個(gè)精餾塔系統(tǒng)平衡方面存在著較大波動(dòng)，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

(1) 根據(jù)物料平衡及時(shí)調(diào)整第一精餾塔塔頂采出量和回流量，具體參數(shù)設(shè)定值需要根據(jù)檢測(cè)分析結(jié)果進(jìn)行摸索調(diào)整；進(jìn)料組分變化大時(shí)很難及時(shí)調(diào)整，造成精餾塔整體失衡，出料質(zhì)量不合格。

(2) 精餾塔供熱蒸汽波動(dòng)較大，造成精餾塔溫度控制、壓力控制、回流量控制、塔釜液位控制方面波動(dòng)較大，操作人員需要時(shí)刻緊盯各參數(shù)變化，根據(jù)蒸汽波動(dòng)及時(shí)調(diào)整蒸汽壓力，進(jìn)而穩(wěn)定精餾塔的工藝參數(shù)平衡。

(3) 精餾塔塔釜蒸汽流量計(jì)監(jiān)測(cè)存在顯示失真現(xiàn)象，操作人員無(wú)法將流量與相關(guān)溫度組成自動(dòng)控制。

上述控制問(wèn)題很難通過(guò)簡(jiǎn)單的PID控制和人工調(diào)節(jié)來(lái)解決。APC技術(shù)能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和裝置參數(shù)波動(dòng)幅度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并充分考慮各變量的耦合，從而實(shí)現(xiàn)裝置平穩(wěn)控制[3]。因此，采用APC技術(shù)可提高裝置的平穩(wěn)性，降低能耗，并保證滿(mǎn)足操作約束，從而達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

3 APC控制策略

3.1 總體思路

APC技術(shù)通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)控制系統(tǒng)未來(lái)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并采用反饋校正和在線滾動(dòng)優(yōu)化的方法矯正系統(tǒng)行為，實(shí)現(xiàn)乙二醇裝置的閉環(huán)優(yōu)化控制。APC技術(shù)具有以下特點(diǎn)：(1) 在偏差控制的基礎(chǔ)上，將數(shù)學(xué)模型作為控制器內(nèi)部模型，并充分利用過(guò)程信息和知識(shí)信息，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制；(2) 保留原有的復(fù)雜控制，能有效處理各種過(guò)程約束。APC控制器算法、模型參考文獻(xiàn)[4]中的分餾系統(tǒng)多變量預(yù)估控制器。

為了使乙二醇裝置平穩(wěn)運(yùn)行，APC設(shè)計(jì)從物料平衡、節(jié)能降耗、減少操作工勞動(dòng)強(qiáng)度等方面出發(fā)，對(duì)裝置回路進(jìn)行調(diào)整。具體從以下4個(gè)維度進(jìn)行控制：

(1) 壓力穩(wěn)定控制。各個(gè)精餾塔的壓力是實(shí)現(xiàn)乙二醇裝置穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)，如果壓力波動(dòng)太大，則對(duì)應(yīng)溫度等失去參考價(jià)值。因此，除了常壓塔壓力恒定，不需要壓力控制外，其他塔的控制應(yīng)優(yōu)先保證塔壓力穩(wěn)定。

(2) 塔內(nèi)物料平衡。精餾塔物料平衡主要涉及各個(gè)塔頂回流、各個(gè)塔之間進(jìn)出料的平衡控制。由于乙二醇精餾塔區(qū)別傳統(tǒng)的精餾塔，粗乙二醇中各組分在分離塔中沸點(diǎn)相近，塔內(nèi)組分變化時(shí)對(duì)應(yīng)塔靈敏板溫度變化不明顯；因此，物料平衡應(yīng)優(yōu)先考慮基于全流程物料平衡控制思路，具體到每個(gè)塔為采用類(lèi)似內(nèi)回流的方式進(jìn)行控制(回流串回流罐液位)，以局部克服蒸汽波動(dòng)及外界干擾，避免蒸汽及外界小幅度干擾沖擊。

(3) 供熱負(fù)荷平衡及塔內(nèi)氣液交互平衡。在塔頂回流罐液位自調(diào)強(qiáng)跟蹤的基礎(chǔ)上，使塔底供熱負(fù)荷匹配塔回流比及塔內(nèi)提餾段溫度，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定回流比控制及塔底溫度控制，保障塔內(nèi)熱量交互平衡及塔內(nèi)組分分布梯度相對(duì)穩(wěn)定，從而使全塔趨于平衡。

(4) 各塔之間物料互供平衡及質(zhì)量切割。在各塔穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，依據(jù)各塔進(jìn)料組分、塔精餾段溫差等參數(shù)，輔助確認(rèn)塔上部切割出料占進(jìn)料的比例，控制前后塔間物料互供相對(duì)穩(wěn)定。

3.2 第一精餾塔控制策略

以第一精餾塔的APC為例，具體控制策略為：

(1) 塔頂回流量控制。

建立塔釜蒸汽進(jìn)口壓力與塔頂回流量、塔釜蒸汽進(jìn)口壓力與塔頂采出量，以及塔頂氣相出口溫度與液相回流溫度偏差的APC控制器(通過(guò)歷史數(shù)據(jù)分析加入算法后建立的控制模型)。塔釜蒸汽進(jìn)口壓力、塔頂氣相出口溫度設(shè)為操作變量，塔頂回流量、塔頂采出量、液相回流溫度偏差設(shè)為被控變量，以塔釜蒸汽進(jìn)口壓力為主調(diào)變量，通過(guò)蒸汽調(diào)節(jié)閥控制塔釜蒸汽進(jìn)口壓力穩(wěn)定在工藝要求控制范圍內(nèi)。

(2) 塔釜?dú)庀鄿囟瓤刂啤?/p>

建立塔釜?dú)庀鄿囟扰c塔釜蒸汽進(jìn)口壓力、塔頂回流量的APC控制器，以塔釜蒸汽進(jìn)口壓力為主調(diào)變量，通過(guò)蒸汽調(diào)節(jié)閥控制塔釜蒸汽進(jìn)口壓力穩(wěn)定在工藝要求控制范圍內(nèi)。

(3) 塔釜蒸汽進(jìn)口壓力控制。

建立塔釜蒸汽進(jìn)口壓力與蒸汽管網(wǎng)中的0.6 MPa蒸汽、0.1 MPa蒸汽壓力的APC控制器，調(diào)節(jié)0.6 MPa蒸汽進(jìn)口調(diào)節(jié)閥、0.1 MPa蒸汽進(jìn)口調(diào)節(jié)閥控制蒸汽進(jìn)口壓力，減少對(duì)精餾塔整體平衡的影響。

4 APC投運(yùn)效果

APC技術(shù)投運(yùn)后，乙二醇裝置取得良好的控制效果，抗干擾能力強(qiáng)，并能協(xié)調(diào)各個(gè)過(guò)程控制變量，使裝置更加平穩(wěn)。同時(shí)，該控制系統(tǒng)減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)裝置優(yōu)化控制，降低了操作成本。達(dá)到了預(yù)期的建設(shè)目標(biāo)，即

(1) 實(shí)現(xiàn)了常規(guī)PID控制和APC的無(wú)擾切換，提高了裝置平穩(wěn)性。

(2) 降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3) 提高了工藝平穩(wěn)率，生產(chǎn)裝置綜合平穩(wěn)率達(dá)99.96%,環(huán)比提高22百分點(diǎn)。

APC投運(yùn)前后效果圖見(jiàn)圖2、圖3。

5 結(jié)語(yǔ)

APC技術(shù)投用以后，大幅減小了乙二醇裝置主要控制指標(biāo)的波動(dòng)，并且該控制系統(tǒng)與下位機(jī)DCS700系統(tǒng)可進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)自由切換,不僅實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高了產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量，而且也降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。