乙二醇裝置水合與精制單元先進控制

張兆東

（新特能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

乙二醇裝置水合與精制單元先進控制

張兆東

（新特能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

在某50 000噸/年環氧乙烷/乙二醇裝置的水合單元與精制單元，使用成熟的商業軟件設計先進控制器。實現了水合比的閉環控制。在穩定控制的基礎上，控制器進行卡邊優化，減少了高壓蒸汽用量。同時提高DEG塔的塔底溫度，增加了DEG的回收量。

先進控制；乙二醇；水合；精制

某50 000 t/年環氧乙烷/乙二醇裝置，采用美國科學設計公司（SD公司）氧氣直接氧化法的專利技術，在2.172 MPa（G）、200～275℃（殼程沸騰水）及銀催化劑作用下反應，生成環氧乙烷（EO）。乙二醇是環氧乙烷和水以1:25的摩爾比、在1.7 MPa和150℃條件下無催化水合作用的產物.生成物經五效蒸發，再經脫水、精制，分別獲得一乙二醇（MEG）、二乙二醇（DEG）、多乙二醇（PEG）。

該裝置水合與精制單元自動控制水平低，操作員勞動強度大。同時，水合與精制單元的工況與產品質量密切相關。因此，需要采取高級的控制技術改善操作，優化工況，提高裝置的平穩率，穩定產品質量。本文采用成熟的商業化先進控制軟件，運用多變量模型預測控制技術，處理裝置運行中存在的大滯后、強耦合控制問題，實現裝置的平穩運行［1］。

1 乙二醇水合及精制單元工藝流程

再吸收塔T-320釜的環氧乙烷水溶液進入乙二醇進料汽提塔T-510，汽提出二氧化碳。T-510塔釜液用乙二醇反應器進料泵經兩級換熱送至乙二醇反應器R-520。乙二醇反應器R-520是一個絕熱的U型管反應器。

蒸發系統由五效蒸發塔組成，分別是T-531到T-535。各效蒸發器頂部的蒸汽依次作為下一效再沸器的熱源以回收熱量。從第五效蒸發塔T-535塔釜出來的粗乙二醇中送入脫水塔T-610。脫水塔T-610釜液打到MEG塔T-620生產一乙二醇（MEG）產品。T-620釜液送入MEG分離塔T-630。T-630的作用是在分離二乙二醇之前脫除釜液中的MEG。在T-630的第21塊塔板處側線抽出MEG，靠自重循環返回T-535。T-630釜液由多乙二醇塔T-710塔的第一段填料床上面加入，T-710塔頂抽出DEG產品。

2 先進過程控制

自20世紀70年代以來，多變量模型預估控制（MPC）在石油化工行業開始進行應用。經過30多年的發展，逐漸產生了成熟的商業化產品。據ARC統計，當前MPC及相關產品已發展到了以Shell的SMOCPRO為代表的第五代［2～3］。

經實踐證明，MPC是PID之后流程工業應用最為成功的控制器。它對模型要求不高，能夠有效克服流程工業中廣泛存在的大滯后、強干擾、多變量耦合問題。

3 控制目標

水合單元當選取管式反應器中水與環氧乙烷的摩爾比為25:1時，可得到92%（wt）的MEG。操作員當前根據反應器末端出口溫度，手動調整T-320的新水量。由于水合比無法直接觀測，同時T-320到反應器R520之間存在大滯后，導致反應器的水合比控制并不理想。

水合單元存在著廣泛的耦合現象。水合比影響T510的液位與反應器溫度；一效蒸發塔T531的再沸蒸汽為整個蒸發系統提供熱源，影響蒸發系統出口的溫度、產品質量、產品流量。五效蒸發相互串聯，導致操作變量與被控變量之間存在明顯的大滯后。

精制單元的四個精餾塔相互串聯，上下游之間存在著嚴重的相互干擾。操作員長期緊張監控、頻繁操作。對于多乙二醇塔T-710，由于物料相對黏稠，導致塔上的液位計發生故障。只能通過塔內壓差間接反映塔內物料積蓄情況，然后由操作員手動控制塔底采出量。為了使得T-710塔底不結焦，同時滿足塔頂質量指標，T-710的操作比較保守，尚有很大的優化空間。

根據對裝置當前工況的分析，設立如下控制目標：

構建水合比的軟儀表，實現水合比的閉環控制克服水合單元存在的大滯后與多變量耦合，實現穩定操作。優化高壓蒸汽用量，卡邊控制，實現節能。

平穩控制精制單元各塔，處理各塔之間存在的相互干擾保證產品質量對T-710進行卡邊控制，增加DEG的收率。

4 控制方案設計

4.1先進控制系統結構

圖1 控制系統硬件架構

如圖 1 所示，APC控制器運行在APC服務器上。APC服務器通過OPC服務器與DCS進行通訊，實現數據的上傳與下達。

4.2軟測量變量設計

（1）水合比計算

根據T320的吸收水量FIC312.PV（kg/h），乙烯進料量FIC138.PV（kg/h），氧化單元選擇性計算結果（%）以及水與EO的分子量計算水合比。

（2）T620側線MEG純度

將側線抽出量，靈敏板溫度，塔底溫度，塔頂真空度作為輔助變量，T620側線MEG含量作為輸出變量構建軟測量模型。

由于MEG的純度非常高，約為99.8%。采用LS或者PLS等線性回歸方法設計的軟儀表，抗噪聲能力差。測量噪聲帶來的計算誤差，遠遠大于MEG純度指標的標準差。神經網絡能夠自適應樣本數據，當數據中有噪聲、形變和非線性時，也能夠正常地工作。因此，本項目中采用RBF神經網絡設計軟測量模型［4］。

4.3控制器設計

（1）水合單元控制器

由于反 應器中環氧乙烷與水的摩爾比為1:25時，在控制的壓力和溫度條件下，可得到92%（wt）的MEG，且生成各級乙二醇的比例基本上取決于反應中水和環氧乙烷的初始比率。水合比現階段控制在1:24.5，要求水合比的范圍在1:24～1:25之間［6］。

五效蒸發系統相當于幾個蒸發器的串聯，系統所需熱量主要由T531的蒸汽量提供。蒸發系統的控制目標有兩個，一個是控制T-535塔釜溫度在正常范圍，保證T-535釜液MEG的濃度；另一個是根據反應產物組成及流量調整T-531蒸汽量，使系統提供的熱量與蒸發所需熱量相匹配。

表1 水合單元控制器變量

（2）精制單元控制器

乙二醇精制系統是乙二醇裝置的重要單元。要求乙二醇產品MEG純度在99.8%以上。

如果將干燥塔T610靈敏板的溫度控制在較穩定的范圍內，減少其波動，對于穩定本塔有重要作用。精制系統中擬將靈敏板溫度TIC603與加熱蒸汽量串級串級打開，由先進控制器直接調節蒸汽量。

T620靈敏板溫度低，不利于增加MEG的采出量；靈敏板溫度高，會造成再沸器結焦。可以利用加熱蒸汽量來控制靈敏板溫度。

在精制控制器中，要將T630的靈敏板溫度作為被控變量，并利用加熱蒸汽量作為操作手段。T630的側線溫度，與抽出產品的質量密切相關。側線抽出流量作為操作手段，同時影響側線溫度與靈敏板溫度。

表2 精制單元控制器變量

T-710塔底液位計故障，使用塔底抽出閥位作為操作手段，用于控制塔壓差，間接控制塔底液位。在保證全塔穩定操作的同時，卡邊控制塔底溫度，提高塔頂DEG的收率。

5 控制器投用

5.1水合單元控制器投用

水合單元控制器投用后，通過多變量控制器的協調及優化控制，實現了主要被控變量的平穩控制，減輕了操作人員的勞動強度，同時通過對部分蒸汽量進行優化，減少蒸汽用量，降低能耗。

控制效果如圖2所示。

圖2　水合單元常規控制與先進控制效果對比

5.2精制單元控制器投用

圖3　精制單元常規控制與先進控制效果對比

圖4　T710常規控制與先進控制效果對比

由圖3 可以看出，投用先進控制后，T620靈敏板溫度、T630靈敏板溫度、T630第22層溫度及T610塔底液位均操作平穩，相比較常規控制波動減小。除此之外，各操作變量能夠連續小幅動作，避免了物料及蒸汽的大幅波動。

圖4給出了700#各變量的投用效果曲線。由圖 4 可以看出，在投用先進控制之后，T710的靈敏板溫度、塔壓差、塔底溫度均操作平穩。相比較常規控制而言，避免了塔底閥位的大幅度動作。同時能夠將塔底溫度從179°卡邊控制在182°以上，這有助于提高DEG的產量。

6 結論

通過在乙二醇裝置水合單元、精制單元實施先進控制，顯著地改善了裝置的操作水平，大幅降低操作員的勞動強度，提升了裝置的平穩率。先進控制器在穩定控制的同時，能夠對關鍵變量進行優化，實現卡邊操作。

［1］ 席裕庚. 預測控制. 國防工業出版社，1993.06.

［2］ 錢積新，趙均，徐祖華. 預測控制. 化學工業出版社，2007.09.

［3］ 朱向東. 先進控制技術在環氧乙烷/乙二醇裝置中的應用. 中外能源，2007年第12卷，87～90.

［4］ 薄翠梅，張湜，等. 基于徑向基函數神經網絡的精餾塔優化控制. 石油化工高等學校學報，2002年9月第15卷第3期，57～60.

［5］ 王立忠，王憲久，胡桂清. 乙二醇精制單元先進控制技術應用. 石化技術，2008.15（1）:23～27.

（P-01）

Advanced controlof hydration and refi ning unit for ethylene glycol device

TP273

1009-797X（2016）10-0050-05

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.019

張兆東，男，現就職于特變電工集團新特能源股份有限公司，自動化專家。主要負責自動控制系統與儀器儀表的技術管理工作。

2016-04-08