馬國英，王沖

丁二烯裝置脫重脫輕精餾單元先進(jìn)控制研究與應(yīng)用

馬國英，王沖

(中國石油蘭州石化公司 電儀事業(yè)部，甘肅 蘭州 730060)

針對丁二烯裝置脫重脫輕精餾單元在生產(chǎn)過程中存在干擾多、耦合嚴(yán)重、產(chǎn)品質(zhì)量難以保證等問題，常規(guī)PID控制難以解決，采用基于DeltaV DCS內(nèi)嵌的多變量預(yù)測控制技術(shù)建立先進(jìn)控制系統(tǒng)，通過裝置階躍測試辨識得到脫重脫輕精餾單元傳遞函數(shù)矩陣模型。應(yīng)用表明： 該系統(tǒng)提高了過程控制平穩(wěn)性，使主要工藝參數(shù)波動均方差減少50%以上。

丁二烯裝置 脫重塔 脫輕塔 系統(tǒng)辨識 傳遞函數(shù) 多變量預(yù)測控制

近年來，先進(jìn)控制在石油、化工行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。先進(jìn)控制與在線優(yōu)化技術(shù)的實(shí)施，使得過程控制更為平穩(wěn)，并帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[1-2]。本文著重對某石化公司丁二烯裝置脫重脫輕精餾單元進(jìn)行先進(jìn)控制研究和應(yīng)用。由于脫重脫輕精餾單元在生產(chǎn)過程中存在著多變量關(guān)聯(lián)和耦合特性，通過常規(guī)PID控制及人工調(diào)整較難解決該類問題，產(chǎn)品質(zhì)量也難以得到保證。因而需要通過采用更為高級的控制策略，來適應(yīng)裝置生產(chǎn)過程的需要，對提高裝置的運(yùn)行水平，減少加工損失，提高丁二烯收率，降低產(chǎn)品能耗，增加效益，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工藝簡介

脫重脫輕精餾單元主要由脫輕塔和脫重塔組成，脫重脫輕系統(tǒng)均采用普通加壓精餾的方法。脫重塔將丁二烯與順-2-丁烯等重組分進(jìn)行分離，使粗丁二烯濃度進(jìn)一步提高，在塔頂?shù)玫礁邼舛鹊拇侄《?，塔釜分離出順-2-丁烯等重組分，由于高濃度的丁二烯容易自聚，該裝置采用亞硝酸鈉溶液做阻聚劑。脫輕塔將丁二烯與丙炔等輕組分進(jìn)行分離，在塔頂?shù)玫奖驳瑞s分，塔釜得到聚合級的丁二烯產(chǎn)品，由于丁二烯的自聚性，該裝置采用對叔丁基鄰苯二酚溶液做為阻聚劑，防止丁二烯產(chǎn)品自聚。其中，脫輕塔脫除丙炔的過程中造成的丁二烯放空損失占裝置加工損失的比重較大，脫重塔分離重組分過程中造成的丁二烯損失也比較高，此為影響裝置丁二烯收率的2個(gè)主要因素。

2 先進(jìn)控制技術(shù)

先進(jìn)控制是建立在常規(guī)單回路控制之上的動態(tài)協(xié)調(diào)約束控制，可使控制系統(tǒng)適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)過程動態(tài)特性和操作要求。本文采用的多變量預(yù)測控制技術(shù)，其算法的核心由模型預(yù)測、反饋修正和滾動優(yōu)化等組成。采用DeltaV系統(tǒng)中內(nèi)嵌的模型預(yù)測控制策略(MPCPro)，其為基于模型的動態(tài)矩陣控制(DMC)，適用于具有耦合及存在眾多約束的復(fù)雜多變量過程控制。計(jì)算步驟為在當(dāng)前時(shí)刻預(yù)測未來一定時(shí)域內(nèi)的過程輸出，按照基于反饋校正的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)計(jì)算當(dāng)前控制量。為了防止控制量劇烈變化及超調(diào)，一般在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中都考慮使未來輸出以某參考軌跡最優(yōu)地去跟蹤期望設(shè)定值，至下一時(shí)刻，根據(jù)新測量的數(shù)據(jù)重新按上述步驟計(jì)算控制量，該優(yōu)化過程不是離線進(jìn)行，而是反復(fù)在線進(jìn)行，即滾動向前推移。由于每一步優(yōu)化都建立在實(shí)時(shí)反饋校正的基礎(chǔ)上，因而能彌補(bǔ)模型失配、時(shí)變、干擾等不確定因素帶來的影響，比傳統(tǒng)的最優(yōu)控制具有更好的魯棒性[3-5]。當(dāng)有外界干擾時(shí)，塔系各主要工藝參數(shù)能自動跟蹤調(diào)整，使塔系的操作更平穩(wěn)，在平穩(wěn)操作的基礎(chǔ)上降低能耗，提高主要產(chǎn)品的收率。

3 控制方案

3.1 控制目標(biāo)

脫重塔分離重組分過程中造成的丁二烯損失比較高，對脫重塔實(shí)施先進(jìn)控制，以提高塔靈敏板溫度等主要參數(shù)的平穩(wěn)率，提高丁二烯產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量。

脫輕塔脫除丙炔的過程中造成丁二烯放空損失占裝置加工損失的比重較大，對脫輕塔實(shí)施先進(jìn)控制，以提高關(guān)鍵工藝變量平穩(wěn)性，穩(wěn)定脫輕塔操作，保證塔釜丙炔含量以及塔頂放空氧含量指標(biāo)合格，減小丁二烯的放空損失，提高產(chǎn)品收率。

3.2 控制方案

本文根據(jù)脫重塔和脫輕塔工藝特點(diǎn)、控制目標(biāo)，針對常規(guī)控制存在的不足，結(jié)合工藝人員操作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)控制方案見表1所列，其中，所有被控變量采用給定點(diǎn)控制，約束變量采用區(qū)間控制。

表1 脫重脫輕精餾單元先進(jìn)控制方案

3.3 控制模型

在預(yù)測控制中，過程的內(nèi)部模型占有相當(dāng)重要的地位，雖然對它與實(shí)際控制對象的擬合精度要求不是特別高，但若大致的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)態(tài)增益、時(shí)間常數(shù)和純滯后較為準(zhǔn)確，則預(yù)測結(jié)果比較理想，預(yù)估控制器就有了良好的基礎(chǔ)[5]。在建模過程中，結(jié)合脫重脫輕單元的控制方案，根據(jù)工藝及裝置設(shè)備的極限要求，通過對脫重脫輕精餾單元進(jìn)行階躍測試和數(shù)據(jù)分析，確定各MV，DV與CV，AV的對應(yīng)關(guān)系，辯識得到如下傳遞函數(shù)矩陣形式的數(shù)學(xué)模型，如式(1)所示，作為預(yù)測控制所需的內(nèi)部模型，并根據(jù)實(shí)際工藝特點(diǎn)和要求選取合理的參考軌跡、MV約束、控制結(jié)構(gòu)等以得到合理的先進(jìn)控制器。

(1)

3.4 運(yùn)行效果分析

先進(jìn)控制器投運(yùn)后，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，控制精度高，脫重塔回流罐液位，脫輕塔頂溫控制效果如圖1，圖2所示。通過調(diào)節(jié)脫重塔熱源冷凝水量，保持脫重塔靈敏板溫度、塔頂溫度、塔側(cè)線溫度運(yùn)行穩(wěn)定；通過小幅度調(diào)節(jié)回流罐采出量，克服干擾，實(shí)現(xiàn)對回流罐液位的平穩(wěn)控制。通過調(diào)節(jié)脫輕塔再沸器供給熱量，小幅度調(diào)節(jié)回流量，保持塔靈敏板溫度、塔頂溫度平穩(wěn)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了該單元平穩(wěn)運(yùn)行。標(biāo)定結(jié)果表明： 設(shè)計(jì)實(shí)施的脫重脫輕精餾單元多變量預(yù)估先進(jìn)控制器是切實(shí)可行的，提高了過程控制的平穩(wěn)性，使主要工藝參數(shù)波動均方差減少50%以上。

圖1 脫重塔回流罐液位常規(guī)控制和先進(jìn)控制運(yùn)行效果對比曲線

圖2 脫輕塔頂溫常規(guī)控制和先進(jìn)控制運(yùn)行效果對比曲線

4 結(jié)束語

丁二烯裝置脫重脫輕精餾單元先進(jìn)控制系統(tǒng)的投用，解決了常規(guī)控制存在的不足，進(jìn)一步提高了裝置的自動控制水平，實(shí)現(xiàn)了裝置平穩(wěn)、快速和準(zhǔn)確的控制，減少了主產(chǎn)品丁二烯產(chǎn)品的損失，減少了副產(chǎn)品丙炔的排空，降低了操作人員勞動強(qiáng)度，節(jié)能降耗，達(dá)到了良好的應(yīng)用效果。先進(jìn)控制系統(tǒng)的長期投用將給裝置帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，值得推廣應(yīng)用。

[1] 王樹青，金曉明.先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用實(shí)例[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 俞金壽.工業(yè)過程先進(jìn)控制[M].北京： 中國石化出版社，2002.

[3] 陳素芳，路鐵硯.預(yù)測控制技術(shù)在丁二烯精制單元的應(yīng)用[J].齊魯石油化工，2010，38(01)： 10-14.

[4] 馬永林.先進(jìn)控制技術(shù)在DMF法丁二烯裝置中的應(yīng)用[J].自動化與儀表，2016(01)： 48-52.

[5] 王樹青.工業(yè)過程控制工程[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[6] 王愛廣，王琦.過程控制技術(shù)[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[7] 席裕庚. 預(yù)測控制[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社，1993.

[8] 錢積新，趙均，徐祖華.預(yù)測控制[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[9] 邵惠鶴.工業(yè)過程高級控制[M].上海： 上海交通大學(xué)出版社，2003.

[10] [荷] 朱豫才.過程控制的多變量系統(tǒng)辨識[M].張湘平，虞水俊，孫志強(qiáng)，等，譯.長沙： 國防科技大學(xué)出版社，2005.

[11] 方崇智，蕭德云.過程辨識[M].北京： 清華大學(xué)出版社，1988.

馬國英(1975—)，女，甘肅蘭州人，1995年畢業(yè)于蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工儀表及自動化專業(yè)，現(xiàn)就職于蘭州石化公司，從事控制系統(tǒng)技術(shù)管理及維護(hù)工作，任工程師。

TP 273

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1007-7324(2017)02-0060-03

稿件收到日期： 2016-12-24，修改稿收到日期： 2017-01-08。