脫乙烷精餾過程塔頂壓力控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

張 浩,盛茹吉,曹玉波*

(1.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院,吉林 吉林 132022;2.中國石油工程建設(shè)有限公司 工程部,北京 100010)

脫乙烷精餾過程是乙烯生產(chǎn)工藝中的一道重要工序[1]。一般觀點(diǎn)認(rèn)為前脫丙烷流程和順序分離流程適用于裂解原料較重的乙烯裝置,而前脫乙烷裝置適用于裂解原料較輕的乙烯裝置[2]。前脫乙烷技術(shù)對(duì)裂解氣化物進(jìn)行精餾分離的第一順序塔為脫乙烷塔[3]。脫乙烷精餾塔塔頂分離器內(nèi)壓力用來穩(wěn)定精餾塔塔頂?shù)膲毫?通常采用單回路為主要控制方式進(jìn)行調(diào)節(jié)[4],雖然可以達(dá)到工藝指標(biāo),但面對(duì)精餾塔氣體產(chǎn)物增多[5],精餾塔塔頂壓力突增,使得分離器內(nèi)壓強(qiáng)產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)的情況時(shí)[6],單回路控制系統(tǒng)對(duì)分離器內(nèi)壓力以及出口氣體流量的穩(wěn)定性控制效果欠佳[7]。因此對(duì)脫乙烷精餾塔采用串級(jí)控制技術(shù),對(duì)系統(tǒng)平穩(wěn)操作,節(jié)能提效等方面尤其重要[8]。

1 工藝流程

脫乙烷精餾過程塔頂壓力控制系統(tǒng)工藝流程簡圖如圖1所示,在物料進(jìn)入精餾塔后,塔底進(jìn)行加熱,隨后在各層塔板之間形成飽和的汽液混合物并進(jìn)行分離。最終,輕組分物質(zhì)(乙烷)以氣相形式從塔頂流向冷凝器,通過冷凝之后進(jìn)入分離器。分離出的乙烷氣體被送至去氫反應(yīng)器,而冷凝液則回流到精餾塔以進(jìn)一步地精餾,此工藝過程中精餾塔的壓力是重要的工藝參數(shù),而脫乙烷精餾塔的塔頂壓力通過控制產(chǎn)品氣體流量閥門來進(jìn)行調(diào)節(jié)。原系統(tǒng)采用單回路PID控制形式,實(shí)際生產(chǎn)中在負(fù)荷等擾動(dòng)因素作用下經(jīng)常出現(xiàn)振蕩和不易收斂等問題。本系統(tǒng)以精餾塔塔頂壓力作為主被控對(duì)象,以氣相采出流量為副被控對(duì)象設(shè)計(jì)了塔頂壓力-流量串級(jí)控制系統(tǒng)。

圖1 脫乙烷塔壓力串級(jí)控制系統(tǒng)工藝流程圖

2 串級(jí)控制系統(tǒng)算法

控制系統(tǒng)的串級(jí)控制PID方框圖如圖2所示。流量測(cè)量變送器FT101用于測(cè)量實(shí)際氣體出口流量,壓力測(cè)量變送器PT101用于測(cè)量實(shí)際分離器內(nèi)壓力。在控制器主控制模塊PC101中,將實(shí)際測(cè)得壓力值與設(shè)定值進(jìn)行差值運(yùn)算得到偏差e1,經(jīng)過PID運(yùn)算的輸出值作為副控制器模塊FC101的輸入值,再次經(jīng)過副控制器模塊的PID運(yùn)算,最終輸出結(jié)果調(diào)節(jié)閥門FV101的開度,進(jìn)而通過調(diào)節(jié)氣體流量對(duì)分離器內(nèi)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)[9]。

圖2 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖

2.1 控制器常規(guī)PID控制算法

控制器采用常規(guī)PID控制算法,以設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量值為輸入,其輸入與輸出的關(guān)系表達(dá)式[10]:

(1)

式(1)中u(t)為控制器的輸出值;e(t)為設(shè)定值R(t)與實(shí)時(shí)測(cè)量值P(t)的偏差值,KP、Ti、Td分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無法處理連續(xù)變量,且PLC系統(tǒng)程序掃描周期遠(yuǎn)小于被控對(duì)象時(shí)間常數(shù),所以可將公式離散化處理,用求和代替積分,用差分代替微分,可以得到控制器第K次輸出結(jié)果:

(2)

2.2 改進(jìn)PID算法

在實(shí)際生產(chǎn)過程中,當(dāng)設(shè)定值發(fā)生變化時(shí),常規(guī)PID的微分作用會(huì)引起控制器輸出突變,極端情況下可能會(huì)導(dǎo)致控制效果惡化。 本文采用改進(jìn)的微分控制算法,用實(shí)際測(cè)量值代替偏差的微分增量來計(jì)算微分作用,以避免設(shè)定值變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動(dòng),改進(jìn)后的PID控制系統(tǒng)方框圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)PID控制系統(tǒng)方框圖

改進(jìn)后PID控制算式中的比例和積分作用與常規(guī)控制器相同,微分作用中的偏差項(xiàng)由測(cè)量值代替,具體計(jì)算過程如公式(3)所示。

(3)

3 基于S7PLC系統(tǒng)的串級(jí)控制程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 PID及改進(jìn)程序?qū)崿F(xiàn)

在STEP7中編制了控制程序功能塊FB4100,程序流程如圖4所示,e為當(dāng)前偏差,e1為前次偏差,R為設(shè)定值,y為測(cè)量值,y1為前次測(cè)量值。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行并調(diào)用改進(jìn)PID控制程序塊時(shí),測(cè)量變送器將測(cè)量值輸入控制器中,控制器產(chǎn)生偏差并進(jìn)行運(yùn)算。

圖4 改進(jìn)PID控制程序流程圖

改進(jìn)PID控制功能塊與西門子S7系統(tǒng)提供的PID控制功能和FB41具有相同的用法,可在中斷程序OB35或主程序OB1中使用,PID控制功能塊的接口參數(shù)見表1。

表1 PID模塊變量表

3.2 串級(jí)程序?qū)崿F(xiàn)

在Step7軟件中,編寫串級(jí)改進(jìn)PID控制系統(tǒng)程序,控制系統(tǒng)的程序如圖5所示。改進(jìn)的PID控制程序模塊設(shè)置有GAIN、Ti、Td等控制參數(shù)。在控制程序中,通過計(jì)算設(shè)定值與測(cè)量值之間的偏差,對(duì)偏差進(jìn)行比例和積分運(yùn)算。微分運(yùn)算時(shí)使用測(cè)量值的微分代替偏差的微分。同時(shí),控制程序還對(duì)壓力和流量進(jìn)行了串級(jí)控制。主控制器通過偏差值的比例積分運(yùn)算和測(cè)量值的微分運(yùn)算后得到輸出值。主控制器的輸出值作為副控制器的設(shè)定值,副控制器進(jìn)行控制運(yùn)算后輸出結(jié)果來控制被控對(duì)象。這種改進(jìn)的PID控制系統(tǒng)能夠有效解決常規(guī)PID控制算法在設(shè)定值變化時(shí)可能引起的控制器輸出突變問題,提升了控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

圖5 串級(jí)控制程序圖

4 控制系統(tǒng)仿真

單回路控制系統(tǒng)、串級(jí)控制和串級(jí)改進(jìn)PID控制系統(tǒng)在壓力控制方面的效果如圖6(a)、(b)、(c)所示。

采樣時(shí)間/s(a) 單回路控制曲線

采樣時(shí)間/s(b) 串級(jí)控制曲線

采樣時(shí)間/s(c) 串級(jí)改進(jìn)PID控制曲線圖6 控制效果對(duì)比

在I階段的"設(shè)定值變化控制過程"中,相較于單回路控制和串級(jí)控制,采用改進(jìn)的PID控制方案后,系統(tǒng)的過渡時(shí)間縮短,穩(wěn)定性明顯提高,超調(diào)量顯著減少。在Ⅱ階段的"負(fù)荷擾動(dòng)控制過程"中,系統(tǒng)擾動(dòng)主要由負(fù)荷增加(例如氣采產(chǎn)品消耗量增加)引起。無論是單回路控制系統(tǒng)還是串級(jí)控制系統(tǒng),均能最終恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。然而,串級(jí)控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾能力。當(dāng)面臨設(shè)定值變化或負(fù)荷擾動(dòng)時(shí),控制系統(tǒng)改進(jìn)后在超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間等控制指標(biāo)方面表現(xiàn)更優(yōu)。因此,采用串級(jí)改進(jìn)的PID控制方案可以提高系統(tǒng)整體的控制性能,并使其在面對(duì)擾動(dòng)時(shí)表現(xiàn)更出色。

5 結(jié) 論

本研究基于脫乙烷生產(chǎn)工藝,針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程中被控量穩(wěn)定性不足的問題,采用了塔頂壓力-產(chǎn)品采出流量串級(jí)PID控制方案,并對(duì)PID控制器的微分作用做出了改進(jìn),以解決設(shè)定值變化時(shí)對(duì)控制器輸出產(chǎn)生的擾動(dòng),利用Step7軟件實(shí)現(xiàn)了控制程序的編寫。測(cè)試結(jié)果表明,改進(jìn)后的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,具有良好的抗干擾能力,有效提高了精餾過程的效率,減小了擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,為實(shí)際生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)改造升級(jí)提供了一定的參考和借鑒。