乙烯精餾塔質(zhì)量控制的溫度測(cè)量精度問題及改進(jìn)措施

羅雄麟 趙曉鷹 孫 琳 許 銞

(中國(guó)石油大學(xué)信息學(xué)院自動(dòng)化系，北京 102249)

精餾塔是石油化工生產(chǎn)過程中應(yīng)用最為廣泛的分離設(shè)備，同時(shí)也是能耗較多、要求較嚴(yán)格、操作條件較苛刻的操作單元。塔內(nèi)各塔板上同時(shí)進(jìn)行著傳質(zhì)、傳熱過程，各變量之間的關(guān)聯(lián)度較高。精餾塔質(zhì)量控制過程中，最直接的質(zhì)量指標(biāo)是餾出物產(chǎn)品組成。近年來，成分檢測(cè)儀表發(fā)展很快，特別是對(duì)工業(yè)色譜在線分析研究較多[1～3]，出現(xiàn)了很多以組分為直接質(zhì)量指標(biāo)的控制方案。然而由于組分分析儀表價(jià)格昂貴，維護(hù)保養(yǎng)困難，采樣周期較長(zhǎng)，導(dǎo)致反應(yīng)緩慢、滯后較大、可靠性低[4～7]，實(shí)際質(zhì)量控制過程中一般以溫度作為被控變量，將溫度控制在要求范圍內(nèi)，根據(jù)模型反推得到產(chǎn)品質(zhì)量。

乙烯精餾塔是精餾塔中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜[8～10]、要求最嚴(yán)格的分離設(shè)備，與一般精餾塔相比，乙烯精餾塔有3個(gè)特征：采用中間再沸器、產(chǎn)品側(cè)線抽出、產(chǎn)品質(zhì)量要求較高。采用中間再沸器是為了回收冷卻量，產(chǎn)品側(cè)線抽出可以提高出料產(chǎn)品中的乙烯濃度，避免塔頂產(chǎn)品中甲烷的影響，有脫甲烷功能，使一塔起到兩塔的作用。雖然這樣可以降低生產(chǎn)成本和操作費(fèi)用，但同時(shí)也增加了塔的自由度，使塔的耦合性增加，比常規(guī)精餾塔更難操作和控制。乙烯精餾屬于精密精餾過程，對(duì)出料乙烯產(chǎn)品質(zhì)量要求較高，乙烯精餾塔的操作和控制水平直接關(guān)系到乙烯產(chǎn)品的質(zhì)量、收率和能量消耗[11～13]。*收稿日期：2015-05-14(修改稿)

現(xiàn)場(chǎng)乙烯精餾塔DCS控制系統(tǒng)中，測(cè)量的模擬信號(hào)需通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為控制器可以處理的數(shù)字信號(hào)[14～16]，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與被測(cè)變量量程會(huì)影響溫度測(cè)量精度和量化結(jié)果。若以溫度作為被控變量去反推得到產(chǎn)品質(zhì)量，必須保證溫度與餾出物產(chǎn)品質(zhì)量一一對(duì)應(yīng)，即使現(xiàn)場(chǎng)A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)選擇最高，經(jīng)過量化后的溫度與出料乙烯濃度仍有一定的信息丟失[17]，某一溫度不再對(duì)應(yīng)唯一的產(chǎn)品純度，而是對(duì)應(yīng)餾出物乙烯產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)范圍。因此，實(shí)際乙烯精餾塔DCS控制系統(tǒng)中，由于溫度測(cè)量精度低，無法保證與產(chǎn)品質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即使形成反饋控制回路也無法將溫度控制在設(shè)定值不變，反饋控制回路失效，不能滿足乙烯精餾塔的質(zhì)量控制要求。在實(shí)際乙烯精餾過程中，溫度通常不形成閉環(huán)控制回路，一般采取開環(huán)控制，易使溫度余差較高且系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。為此，筆者對(duì)此進(jìn)行了分析、改進(jìn)。

1 A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)對(duì)溫度測(cè)量精度的影響及改進(jìn)措施

1.1 A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)對(duì)溫度測(cè)量精度的影響

實(shí)際乙烯精餾塔DCS控制系統(tǒng)中，若以溫度為被控變量，間接表征餾出物產(chǎn)品質(zhì)量，A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)與溫度變化量程直接影響溫度的測(cè)量精度和量化結(jié)果。A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)越高，溫度變化范圍越小，測(cè)量精度越高，餾出物溫度與產(chǎn)品質(zhì)量信息丟失量越少，兩者的匹配度越高[18～20]。

現(xiàn)場(chǎng)乙烯精餾塔DCS操作系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)選擇有12位和16位，溫度測(cè)量?jī)x表為鎳鉻-銅鎳熱電偶(E型熱電偶)，溫度測(cè)量范圍為-200～800℃，量程為1 000℃。DCS制造商為了降低成本,幾個(gè)同類信號(hào)共用一塊A/D轉(zhuǎn)換器電路板[21,22],由于各信號(hào)數(shù)值差別較大，溫度量程取最大的變化范圍以滿足所有信號(hào)變化，實(shí)際乙烯精餾塔DCS系統(tǒng)中，溫度變化量程取1 000℃。現(xiàn)有12位和16位A/D轉(zhuǎn)換器在不同溫度變化量程下的測(cè)量精度與量化單位見表1。

表1 A/D轉(zhuǎn)換器在不同量程下的測(cè)量精度與量化單位

實(shí)際生產(chǎn)過程中，乙烯精餾屬于精密精餾過程，出料產(chǎn)品組分波動(dòng)控制在0.15%以內(nèi)，相應(yīng)的溫度變化很小。該化工廠一天內(nèi)乙烯產(chǎn)品質(zhì)量與溫度變化的曲線如圖1所示。

圖1 一天內(nèi)乙烯產(chǎn)品質(zhì)量與溫度的變化曲線

由圖1可知，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的溫度信號(hào)是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的離散信號(hào)，溫度測(cè)量精度很低只有0.1℃，導(dǎo)致量化后的溫度不再對(duì)應(yīng)唯一的產(chǎn)品質(zhì)量，而是對(duì)應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)范圍。由于現(xiàn)場(chǎng)乙烯精餾塔壓力波動(dòng)很大，一天內(nèi)的溫度變化也較大，在0.4℃左右。由表1可知，12位的A/D轉(zhuǎn)換器在溫度量程為1 000℃情況下，溫度測(cè)量精度為0.490℃，超出實(shí)際乙烯廠溫度變化范圍，測(cè)量精度和量化結(jié)果均不能滿足乙烯精餾塔質(zhì)量控制要求，因此在實(shí)際乙烯精餾塔DCS系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器多選用16位，使測(cè)量精度更高。

乙烯精餾塔示意圖如圖2所示。引用筆者所建立的該乙烯精餾塔的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型[23]，仿真得到抽出板溫度與產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系。由于該乙烯精餾塔模型假定塔頂壓力保持恒定，產(chǎn)品質(zhì)量變化0.18%左右時(shí)，抽出板溫度只變化0.03℃，波動(dòng)幅度較實(shí)際變化數(shù)據(jù)小得多。由上述分析可知，現(xiàn)場(chǎng)乙烯精餾塔DCS系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器選擇最高位16位，根據(jù)表1結(jié)果可知，溫度量程過大不能滿足該乙烯精餾塔溫度波動(dòng)。因此，取溫度變化量程最小值對(duì)該乙烯精餾塔出料溫度進(jìn)行量化，量化前和量化后的溫度與產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系如圖3所示。

圖2 乙烯精餾塔示意圖

圖3 量化前和量化后溫度與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系

由圖3可知，量化后的溫度與產(chǎn)品質(zhì)量之間存在一定信息丟失。此時(shí)若以溫度作為被控變量，設(shè)定值為T4，則根據(jù)圖3反推得到的產(chǎn)品質(zhì)量不再是某個(gè)固定值，而是一個(gè)范圍C1～C2，抽出板溫度與產(chǎn)品質(zhì)量不再一一對(duì)應(yīng)，無法滿足乙烯精餾塔質(zhì)量控制要求。仿真實(shí)驗(yàn)中即使A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)選擇最高，溫度變化量程最小，溫度測(cè)量精度仍然很低，而實(shí)際乙烯精餾過程中，溫度量程要大得多，使得溫度測(cè)量精度更低，信息丟失量更大，溫度只能采用開環(huán)控制，不能形成閉環(huán)回路，無法滿足質(zhì)量控制要求。因此，實(shí)際乙烯精餾塔質(zhì)量控制的溫度測(cè)量精度仍存在一定問題，需要改進(jìn)。

1.2 改進(jìn)措施

由上述分析可知，實(shí)際乙烯精餾塔DCS控制系統(tǒng)中，由于A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)與被控變量變化量程的局限性，無法達(dá)到實(shí)際要求的溫度測(cè)量精度，不能滿足質(zhì)量控制要求。并且由圖1可知，溫度測(cè)量精度提高到0.000 1℃時(shí)，溫度與產(chǎn)品質(zhì)量的信息丟失量大幅降低，可以由溫度反推得到唯一的產(chǎn)品質(zhì)量，滿足質(zhì)量控制要求，因此為將原測(cè)量精度由0.03℃提高到0.000 1℃。筆者提出如下的改進(jìn)措施：保持各類信號(hào)最大的變化量程1 000℃不變，提高DCS控制系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)越高，控制精度越高，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器量化后的溫度與餾出物產(chǎn)品質(zhì)量信息丟失量越少，匹配度越高。溫度變化量程1 000℃下，建議實(shí)際乙烯DCS控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器選擇24位。現(xiàn)場(chǎng)16位A/D轉(zhuǎn)換器與20、24位A/D轉(zhuǎn)換器在不同量程下的測(cè)量精度與量化單位見表2。

表2 A/D轉(zhuǎn)換器在不同量程下的控制精度與量化單位

由表2可知，若實(shí)際乙烯精餾塔DCS控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)的16位提高到建議的24位，溫度變化量程為1 000℃，溫度測(cè)量精度變?yōu)?.192×10-4，較原有16位A/D轉(zhuǎn)換器有大幅度提高。經(jīng)過24位A/D轉(zhuǎn)換器量化后的溫度與產(chǎn)品質(zhì)量的信息丟失量減少，匹配度提高，可以由溫度反推出唯一的產(chǎn)品質(zhì)量值，達(dá)到實(shí)際要求的溫度測(cè)量精度，滿足乙烯精餾塔質(zhì)量控制要求。考慮到工業(yè)操作中希望溫度量程覆蓋較寬同時(shí)滿足開工和正常操作，建議A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)選擇24位。

2 改進(jìn)前后控制效果分析

以上述乙烯精餾塔動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用流程模擬軟件gPROMS搭建該乙烯精餾塔DCS反饋控制系統(tǒng)，控制方案為：抽出板溫度為被控變量，回流量為操縱變量，塔頂回流量控制抽出板溫度。實(shí)際乙烯精餾塔控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)采集的溫度信號(hào)為連續(xù)信號(hào)，而機(jī)房處理的是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的離散信號(hào)。

2.1 溫度設(shè)定值為量化值

在該DCS反饋控制系統(tǒng)中，溫度設(shè)定值為圖3中的量化值，通過整定合適的控制參數(shù)，采用16位與24位A/D轉(zhuǎn)換器均可以將溫度控制在設(shè)定值不變，此時(shí)仿真獲得16位與24位A/D轉(zhuǎn)換器下，側(cè)線抽出T、經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的TA/D和該溫度對(duì)應(yīng)的側(cè)線抽出乙烯產(chǎn)品質(zhì)量響應(yīng)曲線(圖4)。

圖4 溫度設(shè)定值為量化值時(shí)不同轉(zhuǎn)換器下的控制效果

由圖4可知，實(shí)際乙烯精餾塔DCS反饋控制系統(tǒng)中，若采用16位A/D轉(zhuǎn)換器，溫度設(shè)定值為圖3中量化后的T4。通過整定控制參數(shù)，最終將溫度控制在設(shè)定值不變，而出料乙烯產(chǎn)品質(zhì)量在99.851%～99.875%范圍內(nèi)波動(dòng)，即圖3中的C1～C2。由此表明，在16位A/D轉(zhuǎn)換器下，溫度與產(chǎn)品質(zhì)量不再一一對(duì)應(yīng)，即溫度不能表征產(chǎn)品質(zhì)量，該反饋控制回路失效。若采用改進(jìn)后的24位A/D轉(zhuǎn)換器，測(cè)量精度提高，溫度量化單位縮小，使溫度與餾出物產(chǎn)品質(zhì)量信息丟失量減少。最終將溫度控制在設(shè)定值不變時(shí)，側(cè)線抽出板溫度T與經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的TA/D重合，側(cè)線抽出乙烯產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)很小，可以近似認(rèn)為不變，此時(shí)溫度對(duì)應(yīng)著唯一的產(chǎn)品質(zhì)量，表明溫度設(shè)定值為量化值時(shí)，采用24位A/D轉(zhuǎn)換器形成的控制回路有效，且可以達(dá)到溫度測(cè)量精度，滿足質(zhì)量控制要求。

2.2 溫度設(shè)定值為非量化值

當(dāng)溫度設(shè)定值在兩個(gè)量化值之間為非量化值時(shí)，采用16位A/D轉(zhuǎn)換器無法將溫度控制在設(shè)定值不變，而對(duì)于24位A/D轉(zhuǎn)換器，溫度測(cè)量精度很高，量化單位很小可以近似認(rèn)為連續(xù)信號(hào)，因此采用24位A/D轉(zhuǎn)化器可以將溫度控制在設(shè)定值不變。溫度設(shè)定值為非量化值時(shí)，采用16位與24位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)的控制效果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)溫度設(shè)定值在圖3中的兩個(gè)量化值T3與T4之間更靠近T4時(shí)，采用16位A/D轉(zhuǎn)換器，無論如何調(diào)整PID控制參數(shù)，最終溫度無法穩(wěn)定在設(shè)定值不變，而只能控制在離設(shè)定值Tsp更近的下一個(gè)量化值T4，控制偏差e一直存在，無法達(dá)到溫度測(cè)量精度。采用24位A/D轉(zhuǎn)換器，溫度可以控制在最終的設(shè)定值Tsp保持不變，可以認(rèn)為乙烯產(chǎn)品質(zhì)量不變。

圖5 溫度設(shè)定值為非量化值時(shí)不同轉(zhuǎn)換器下的控制效果

由上述分析可知，無論溫度設(shè)定值為量化值還是非量化值，采用16位A/D轉(zhuǎn)換器，均無法滿足質(zhì)量控制要求。然而，采用24位A/D轉(zhuǎn)換器提高了溫度測(cè)量精度，無論設(shè)定值是量化值還是非量化值，最終溫度均可以形成反饋控制回路，且可以控制在設(shè)定值不變，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差消除，穩(wěn)定性增強(qiáng)，可以由溫度反推出唯一的產(chǎn)品質(zhì)量，滿足質(zhì)量控制要求。

3 結(jié)束語

采用16位A/D轉(zhuǎn)換器，溫度測(cè)量精度較低，由溫度不能反推得到唯一的產(chǎn)品質(zhì)量，溫度反饋控制回路失效。因此，乙烯精餾塔溫度通常采取開環(huán)控制，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，穩(wěn)態(tài)誤差變大。針對(duì)上述問題，筆者提出將原A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)由16位提高到24位的改進(jìn)措施。通過仿真實(shí)驗(yàn)表明該措施可將溫度測(cè)量精度提高到0.000 1℃，提高溫度與產(chǎn)品質(zhì)量的匹配度，使某一溫度對(duì)應(yīng)唯一的產(chǎn)品質(zhì)量，采用24位A/D轉(zhuǎn)換器可以構(gòu)成反饋控制回路，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，消除穩(wěn)態(tài)誤差，滿足實(shí)際精餾塔質(zhì)量控制要求。

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