先進控制技術在DMF法丁二烯裝置中的應用

馬永林

（中國石化集團公司信息化管理部，北京 100728）

丁二烯是合成橡膠的重要原料之一，某石化公司的105t/a DMF法丁二烯裝置由第一萃取精餾單元、第二萃取精餾單元、丁二烯精制單元和溶劑回收單元4部分組成。DMF法丁二烯裝置的產品質量要求嚴格，工藝流程復雜，涉及到裝置中多股的物料循環和熱量集成利用。各生產單元的設備多、關聯性強，是典型的多變量、強耦合、有約束的復雜工業過程。在實際生產中，還存在因丁二烯聚合、溶劑雜質累積而影響在線分析儀表可靠性的情況。因此，現有DCS系統中的常規PID控制策略很難實現丁二烯裝置在大擾動、多約束條件下產品質量、收率和能耗的多目標運行優化的要求。

本文針對丁二烯裝置的過程特點與生產運行的要求，從裝置的工藝指標、物料平衡和能量平衡等多層次目標出發，在常規PID控制的基礎上，采用多變量預測控制以及軟測量技術等先進控制策略，克服生產過程中物料循環、熱量集成所造成的復雜關聯性和來自上下游與公用工程系統多種擾動的影響，提高工藝參數平穩性和產品質量的一致性，并通過優化工藝指標實現了裝置的節能增效。

1 工藝特點與控制需求

DMF法丁二烯裝置采用兩級萃取精餾工藝，以乙烯裂解裝置生產的混合C4為原料，用二甲基甲酰胺（DMF）作為溶劑，通過二級萃取精餾，分別除去丁烷、丁烯等難溶組分和乙烯基乙炔等易溶組分，得到的粗丁二烯經水洗脫除DMF后，再采用兩級常規精餾分別脫除甲基乙炔、水和1、2-丁烯，2-順丁烯，碳五等物質，最終產出合格的聚合級1、3丁二烯產品，并副產C4抽余液。如圖1所示為該裝置的原則工藝流程圖。

圖1 丁二烯裝置原則工藝流程Fig.1 Principle PFD of butadiene unit

丁二烯裝置已采用DCS系統實現了基礎自動化，在穩定裝置生產操作中起到了很大的作用。然而，由于DMF溶劑特性和丁二烯裝置工藝流程特點，生產過程控制還存在以下的改進需求：

1）有效克服裝置進料組成波動的影響

由于丁二烯裝置進料中1、3丁二烯等組分的濃度會隨著上游乙烯裝置運行狀況的變化而變化，需要溶劑比和丁二烯返回量相應地做實時調整。若不能及時調整，將會導致抽余液中帶走丁二烯或使進入第二萃取系統的丁二烯中順反丁烯含量偏高。因此，克服進料組成變化的影響和優化溶劑比是本裝置提高控制水平和實現節能降耗的關鍵。

2）實現丁二烯精制單元的產品質量控制

本裝置的丁二烯產品損失主要出現在丁二烯精制單元脫輕塔和脫重塔。因脫輕塔塔頂放空中丁二烯含量以及脫重塔塔釜采出組分主要依賴化驗分析，化驗分析周期通常4 h甚至24 h，操作人員很難做到及時和精確調整，從而影響到丁二烯產品質量、收率。因此，實現丁二烯精制單元產品質量優化控制是提高產品收率、降低損失的關鍵。

3）實現溶劑回收單元的溶劑濃度控制

在溶劑回收單元中，回收溶劑濃度的穩定性決定著整個裝置的長期分離效果，而溶劑再生是一個長期動態過程，溫度分布決定著該塔的回收溶劑品質，現有的常規控制策略難以克服進料變化而實現溶劑濃度穩定控制。

綜上，常規PID控制是以單變量控制為主，無法兼顧到丁二烯裝置這樣工藝流程長、物流與能流復雜的多變量、有約束過程的多目標控制與優化問題。采用多變量預測控制和軟測量等先進控制技術可以有效地克服裝置的多擾動、大滯后、單元間擾動傳輸和變量耦合問題，通過提高工藝參數的平穩性，進而實現生產過程的優化運行，從而在滿足產品質量高要求的前提下，降低裝置物耗和能耗，提高經濟效益[1]。

2 先進控制技術

2.1 多變量預測控制技術

預測控制是先進控制軟件的核心算法。該算法與PID控制算法的不同點在于：PID控制是一種基于控制系統設定值與測量值之間偏差的反饋控制，不依賴過程模型；而預測控制是一種將過程模型、反饋控制和動態優化相結合的計算機控制策略。多變量預測控制適合于解決大時滯、強耦合、有約束等復雜多變量過程的控制問題，而這些問題采用PID控制則很難奏效。預測控制原理可歸結為預測模型、反饋校正和滾動優化三要素，即利用過程模型來預測被控過程對于輸入變量的未來響應，并通過反饋校正來修正預測值，進而對預定的性能指標進行滾動優化計算，以求解出未來的控制輸入序列[2]。

預測控制通常采用由過程測試建模得到的階躍響應序列或脈沖響應序列模型，其輸入輸出關系為

式中：ym（k+j）為 k+j時刻系統的預測輸出，下標 m表示模型輸出；u（k+j-i）為k+j-i時刻系統的輸入；hi為預測模型脈沖響應序列值，也稱內部模型；N為脈沖響應序列長度；Hp為多步輸出預測時域長度。

為克服擾動和模型失配引起的偏差，可采用當前實測值與模型預測值的偏差來修正未來的預測值：

式中：yp（k+j）為校正后的 k+j時刻系統的預測輸出；yk（k）為 k 時刻系統實際輸出；βj為誤差修正系數。

滾動優化的目標函數通常取未來預測值與目標值的二次函數與控制輸入變化量的二次函數之和，即

式中：ysp（k+j）為 k+j時刻參考軌跡設定值；Q、R 為加權系數，分別表示對跟蹤誤差和控制增量變化的抑制；Hc為控制時域長度。

通過在約束條件下求解上述目標函數，可計算出一系列未來的控制輸入，但只實施當前時刻的控制作用，下一控制周期，重復上述計算過程。因此，控制作用不是一次算出，而是逐步滾動優化算出。

2.2 軟測量技術

軟測量模型是軟測量技術的核心。它不同于一般意義下的數學模型，而是通過輔助變量來獲得主導變量的最佳估計。如圖2所示為軟測量模型結構和軟測量中變量之間的關系。

圖2 軟測量模型結構示意Fig.2 Structure of soft-sensing model

在穩態條件下的軟測量問題，其被估計量x（t）與過程可測量變量之間的函數關系均可表示為

式中：y（t）為可測量的過程輔助量； f（·）為待估計函數，通常為非線性形式。

在應用過程中，軟測量模型的參數和結構有可能隨時間遷移工況和操作點發生改變，需要對軟測量模型各種狀態進行監控，并進行在線或離線修正，提高模型的適用范圍。

3 先進控制系統

丁二烯裝置生產運行的期望目標是實現整體經濟效益的最佳化，即要兼顧裝置的產品產量、質量、原材料消耗和能耗等多方面指標。根據該裝置的生產特點和運行要求，采用包含軟測量、模型預測控制等技術的先進控制軟件設計了適合丁二烯裝置先進控制系統，實現以下控制目標：分離過程關鍵溫度的優化控制，提高裝置分離精度，減少物料損失，提高產品收率；通過精制單元副產物丁二烯濃度軟測量，實現產品質量的卡邊控制；通過裝置的物料流和能量流的平衡，實現整體均衡優化控制。

先進控制系統根據丁二烯裝置的工藝特點，在常規控制基礎上選擇合適的操作變量、被控變量、干擾變量，并梳理各變量之間的相互關系，在過程測試的基礎上建立了與工藝過程相符合的動態模型，設計并實施了多變量預測控制器。根據各單元之間的物料流、能量流關系和各塔內溫度、溫差等工藝參數設定了過程優化的目標[3-5]。

3.1 萃取系統質量控制

在常規控制的基礎上建立萃取系統多變量預測控制器，實現一萃單元和二萃單元之間的物料平衡和質量控制，在穩定第一萃取精餾系統分離效率的基礎上，實現溶劑比最優化和丁二烯返回量最小化，進而降低能耗。

先進控制系統通過穩定上游單元的操作、合理調節蒸汽量，有效克服進料頻繁波動的影響，快速穩定液位和溫差，達到穩定再生溶劑質量的目的，經過長周期穩定運行，使得整個系統的溶劑濃度變化趨于平緩，有利于萃取系統的萃取效率的穩定。

在此基礎上實現第一萃取精餾上塔靈敏板溫度的穩定控制，并保持第一萃取精餾塔的塔段溫度分布的平穩。在實施過程中，穩定溶劑濃度，并用溶劑溫度對精餾塔靈敏板溫度進行補償計算，最大程度地消除溶劑體系變化對于精餾系統的干擾，實現利用溫度變化來快速表征進料組分變化，并利用壓縮機出口在線分析儀進行動態校正，從而保持壓縮機出口順反丁烯含量的平穩。

通過實驗測試法建立壓縮機出口丁二烯質量控制的動態數學模型為

式中：y1為T201上塔靈敏板溫度；y2為T201B塔釜順丁烯含量；y3為T201B塔釜靈敏板溫度；y4為T201上塔頂中丁二烯含量；u1為一萃進二萃丁二烯含量；u2為蒸汽加熱量；d1為進料量；d2為溶劑比；d3為溶劑溫度。

限于篇幅，本文只列出關鍵的萃取單元質量控制的傳遞函數模型，從中可以看出該過程是典型的非方多變量過程，且擾動較多。為實現萃取系統質量控制需要在多變量預測控制算法中建立合理的目標函數，并設計合適的參考軌跡、控制結構，合理選擇控制參數，并滿足操縱變量和被控變量的約束要求。

3.2 丁二烯產品質量軟測量設計

在工藝機理分析和數據處理的基礎上，先進控制系統分別設計了關鍵副產物中丁二烯含量軟儀表、脫輕塔塔頂氣相丁二烯含量和脫重塔塔釜丁二烯含量的軟儀表，并利用化驗分析數據對軟儀表進行校正，這些軟儀表被用于產品質量的卡邊控制。軟測量模型的示例如下：

式中：y1為脫輕塔塔頂丁二烯含量；x1為脫輕塔進料流量；x2為回流流量；x3為回流罐溫度；x4為塔頂溫度；x5為塔壓；θ1為模型常數；e1為軟測量校正值。

式中：y2為脫重塔塔頂丁二烯含量；u1為進料流量；u2為回流流量；u3為塔底出料流量；u4為塔釜溫度；u5為塔頂壓力；u6為塔釜液位，θ2為模型常數；e2為軟測量校正值。

4 應用效果

丁二烯裝置先進控制系統投運后，取得了良好的控制效果，具有更好的抗干擾性，能綜合協調各個過程控制變量，使生產過程更加平穩，減輕操作工勞動強度，降低操作成本，同時實現了優化控制。

4.1 軟測量

通過實施軟測量建模技術，關鍵副產品中的丁二烯濃度得到較好的估算，其應用效果如圖3所示。

圖3 軟儀表輸出與化驗分析結果的趨勢對比Fig.3 Trend comparison diagram of soft instrument output and laboratory report

4.2 萃取系統先進控制

以第一萃取精餾塔控制和丁二烯產品純度為例說明，先進控制系統投用后，主要工藝參數的平穩性得到了較大改善，標準差平均降低了30%以上。如圖4所示為先進控制投用前后第一萃取精餾塔工藝參數的對比情況。圖中，TI2023、LIC2022和TIC2032、LIC2028分別是第一萃取精餾塔A塔、B塔的塔釜液位和靈敏板溫度。

圖4 先進控制投用前后第一萃取精餾塔工藝參數的對比Fig.4 Comparison of process parameters of the first extractive distillation column before and after advanced control adoption

先進控制系統投運后，在關鍵變量平穩的基礎上，丁二烯產品的純度有明顯的改善，如圖5所示。

圖5 先進控制投用前后丁二烯產品純度的對比Fig.5 Comparison of purity of butadiene product before and after advanced control adoption

5 結語

丁二烯裝置應用先進控制系統后取得了明顯的成效。從控制品質方面看，先進控制有效克服了過程大時滯和進料波動等問題，提高了關鍵被控變量的平穩性；在此基礎上，結合軟儀表實現了關鍵產品質量的“卡邊”優化控制。從經濟效益方面看，通過先進控制和工藝參數優化，實現提高丁二烯產品收率0.43%，降低裝置總能耗2.0%，經測算，年經濟效益可達534萬元。此外，先進控制系統還起到降低操作人員勞動強度的作用，得到了操作人員的認可和歡迎。

[1]王樹青，金曉明.先進控制技術應用實例[M].北京：化學工業出版社，2005.

[2]王樹青.工業過程控制工程[M].北京：化學工業出版社，2002.

[3]張樹吉，胡玉濤，李連海.先進控制技術在三聚甲醛生產過程中的應用[J].自動化與儀表，2013，28（12）：28-31.

[4]馬占偉，張黎明，司長庚，等.先進過程控制在蠟油催化裂化裝置上的應用[J].煉油技術與工程，2013，43（9）：44-47.

[5]劉軍，郭紅英，單華威.先進過程控制在中原聚丙烯裝置的應用[J].乙烯工業，2014，26（3）：56-58.