多變量預(yù)測控制技術(shù)在精甲醇裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

楊瑞琴

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司山西晉城048000)

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多變量預(yù)測控制技術(shù)在精甲醇裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

楊瑞琴

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司山西晉城048000)

3 結(jié)語

該無飽和熱水塔全低變變換系統(tǒng)運行近1年來，尤其是采用新型SB304Q型超低溫變換催化劑后，使第2變換爐三段進(jìn)口氣體溫度在165 ℃，比一般的同樣流程低35 ℃以上；第2變換爐三段熱點溫度172 ℃，比一般的同樣流程低35～45 ℃，大大降低了變換反應(yīng)對汽氣比的要求，從而降低了蒸汽消耗。合理設(shè)計主熱交換器的面積，使得軟水加熱器進(jìn)口變換氣溫度在94～102 ℃，比一般的同樣流程低10～20 ℃，提高了變換系統(tǒng)自身的熱量回收效果，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

于20世紀(jì)80年代前后出現(xiàn)的基于模型的多變量預(yù)測控制是一種能夠很好地處理現(xiàn)代工業(yè)過程控制中強耦合和大滯后等問題的控制算法，從20世紀(jì)末開始在國外的煉油、化工等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，并取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 雙塔甲醇精餾的操作難點

山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司現(xiàn)有2套甲醇轉(zhuǎn)化制二甲醚裝置，年總產(chǎn)能甲醇400 kt和二甲醚200 kt。在聯(lián)醇生產(chǎn)中采用雙塔精餾工藝，即用脫醚塔和精餾塔來完成精餾全過程，將粗甲醇精餾成為精甲醇，再根據(jù)生產(chǎn)裝置對雙甲工藝送來的雜醇、醚成分進(jìn)行分離等工藝步驟，確定塔內(nèi)的溫度、壓力等工藝參數(shù)。但是，由于工藝和操作不穩(wěn)定等因素，脫醚塔和精餾塔的操作參數(shù)也會發(fā)生變化，這給精餾生產(chǎn)帶來了許多問題：蒸汽用量過多，不僅造成蒸汽浪費，而且會減少精甲醇的產(chǎn)量；蒸汽用量過少，會嚴(yán)重影響精甲醇質(zhì)量。因此，引入多變量預(yù)測控制技術(shù)迫在眉睫。

2 先進(jìn)控制系統(tǒng)變量的選擇

通過對產(chǎn)品質(zhì)量控制、物料平衡控制、能量平衡控制和約束條件控制等方面的考慮，對該雙塔精餾裝置和歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，然后確定了精甲醇裝置可優(yōu)化的指標(biāo)，最后給出了具體的控制方法。根據(jù)過程控制分析和現(xiàn)場工藝情況，在該雙塔精餾裝置的多變量預(yù)測控制系統(tǒng)(即精甲醇裝置先進(jìn)控制系統(tǒng))中有6個操作變量、6個被控變量以及4個前饋變量，其具體描述如表1所示。

表1 精甲醇裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)變量描述

3 控制方法

(1)產(chǎn)品質(zhì)量和約束控制。通過設(shè)置脫醚塔和精餾塔塔底溫度和溫度調(diào)節(jié)閥的約束范圍，有效控制塔底加熱蒸汽量，既確保了裝置的安全生產(chǎn)，又保證了精餾塔塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量。

(2)回流量控制。在精餾裝置中降低能耗的方法之一就是減小回流量，但回流量是影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素，如果控制不當(dāng)會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格。由于該雙塔精餾裝置沒有直接控制回流量的回流閥，只能通過控制雙塔冷凝液收集槽液位調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)，故可通過多變量控制器對冷凝液收集槽液位進(jìn)行有效預(yù)測控制，以穩(wěn)定雙塔回流量，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時降低裝置能耗。

(3)精餾塔第25塊塔板溫度的控制。精餾塔第25塊塔板溫度對產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量有較大影響，且與精餾塔塔底溫度有較強的耦合性，在該生產(chǎn)裝置中是通過控制精甲醇的采出量來間接控制，存在著嚴(yán)重的滯后問題。多變量預(yù)測控制系統(tǒng)以精餾塔進(jìn)料量和進(jìn)料溫度為前饋，對該溫度進(jìn)行有效預(yù)測控制，可解決控制滯后的問題。

4 多變量預(yù)測控制系統(tǒng)操作界面

在實際應(yīng)用過程中，為方便操作人員操作，在原DCS控制系統(tǒng)中開發(fā)了方便操作和無擾動邏輯關(guān)系的多變量預(yù)測控制系統(tǒng)操作界面(圖1)，利用該操作界面，操作人員可容易地實現(xiàn)多變量預(yù)測控制系統(tǒng)的投用和切除。該控制系統(tǒng)投用后，操作人員不必再頻繁地對相關(guān)的調(diào)節(jié)回路和調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)整，只需根據(jù)當(dāng)前的裝置負(fù)荷和工況設(shè)置合理的范圍，控制系統(tǒng)會自動地在此范圍內(nèi)對裝置進(jìn)行基于模型的預(yù)測控制，在提高裝置控制穩(wěn)定性的同時，也降低了操作人員的勞動強度，實現(xiàn)了操作人員從“操作裝置”到“優(yōu)化裝置的操作”的角色轉(zhuǎn)變。

圖1 多變量預(yù)測控制系統(tǒng)操作界面

在該控制系統(tǒng)投用和切除的過程中，可做到與DCS系統(tǒng)的無擾動切換。另外，如果多變量預(yù)測控制系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)間的通訊出現(xiàn)故障，15 s后系統(tǒng)會提醒操作人員注意；如果30 s后通訊還未恢復(fù)正常，系統(tǒng)會自動將多變量預(yù)測控制器切除，并發(fā)出聲光報警，提醒操作人員將相關(guān)回路切換至投用前的自動或手動模式，進(jìn)行人工操作。

5 多變量控制系統(tǒng)應(yīng)用情況

5.1 脫醚塔塔底溫度

在雙塔甲醇精餾裝置中，脫醚塔塔底溫度控制好壞，會直接影響粗甲醇中低沸點雜質(zhì)及不凝性氣體的分離效果。若脫醚塔塔底溫度控制過低，不利于粗甲醇中低沸點雜質(zhì)的分離，最終影響精甲醇的品質(zhì)；若脫醚塔塔底溫度控制過高，不僅會增加塔底加熱蒸汽的消耗量，而且會增加脫醚塔的回流液量，最終導(dǎo)致脫醚塔系統(tǒng)能耗過高。因此，有效控制脫醚塔塔底溫度有利于生產(chǎn)裝置的節(jié)能降耗。為此，多變量預(yù)測控制系統(tǒng)以加熱蒸汽壓力為前饋變量，對脫醚塔塔底溫度進(jìn)行了有效的預(yù)測控制。

多變量預(yù)測控制系統(tǒng)投用前，由于脫醚塔塔底加熱蒸汽壓力波動較大，脫醚塔塔底溫度受蒸汽壓力影響，波動的幅度較大，波動范圍在76～81 ℃，波動幅度為5 ℃。多變量預(yù)測控制系統(tǒng)投用后，能提前根據(jù)加熱蒸汽的波動情況對脫醚塔塔底溫度進(jìn)行有效預(yù)測控制，使脫醚塔塔底溫度控制在77.3～78.4 ℃，有效地將其波動范圍減小至1 ℃以內(nèi)。

5.2 精餾塔塔底溫度

精餾塔塔底溫度是雙塔甲醇精餾裝置中的另一主要指標(biāo)，該溫度控制過高，不僅增加塔底加熱蒸汽的消耗量，而且會使精甲醇中水和其他雜質(zhì)含量增加，進(jìn)而影響精甲醇的品質(zhì)；而溫度控制過低，會使精餾塔塔底殘液中甲醇含量增多，造成甲醇的浪費。同樣，多變量預(yù)測控制系統(tǒng)以加熱蒸汽壓力為前饋變量，對精餾塔塔底溫度進(jìn)行有效的預(yù)測控制。

多變量預(yù)測控制系統(tǒng)投用前，由于蒸汽壓力波動較大，精餾塔塔底溫度受其影響波動也較大，波動范圍在98～106 ℃，波動幅度為8℃。多變量預(yù)測控制系統(tǒng)投用后，能提前根據(jù)加熱蒸汽的波動對塔底溫度進(jìn)行有效預(yù)測控制，使精餾塔塔底溫度控制在102.5～105.3 ℃，有效地將塔底溫度的波動范圍減小至3 ℃以內(nèi)。

5.3 精餾塔第25塊塔板溫度

精餾塔第25塊塔板溫度也是影響精甲醇產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的一個重要控制指標(biāo)，而該指標(biāo)是由精甲醇采出流量閥間接控制的，存在嚴(yán)重的滯后問題，因此，利用多變量預(yù)測控制系統(tǒng)可很好地解決該溫度控制的滯后問題。

多變量預(yù)測控制系統(tǒng)投用之前，精甲醇采出閥處于手動狀態(tài)，由于該回路的滯后作用明顯，所以精餾塔第25塊塔板溫度波動較大，波動范圍在67～78 ℃，波動幅度為11 ℃。多變量預(yù)測控制系統(tǒng)投用以后，能夠在一定程度上克服滯后問題，使精餾塔第25塊塔板溫度的波動范圍減小至67.7～74.0 ℃，波動幅度減小至6.3 ℃。

5.4 脫醚塔塔底液位

在生產(chǎn)中，為了防止釜液抽干或底層塔板被釜液淹沒而破壞再沸器的熱循環(huán)，必須對脫醚塔塔底液位進(jìn)行控制，使其維持在一定的范圍內(nèi)。

對于脫醚塔來說，塔底液位是一個重要的控制指標(biāo)，因為其與塔底的傳熱和汽化有較大的關(guān)系，進(jìn)而影響分離效果。原先采用DCS系統(tǒng)控制，當(dāng)液位因為某種干擾而變化時，PID控制器就會通過控制出料量來維持液位的穩(wěn)定，而脫醚塔的出料波動對精餾塔來說是一個進(jìn)料擾動，使精餾塔的平衡操作受到破壞。對精餾塔而言，從自身平衡操作要求出發(fā)，希望進(jìn)料穩(wěn)定，顯然這與脫醚塔的液位控制回路的要求相矛盾，致使脫醚塔和精餾塔都無法穩(wěn)定操作。利用多變量預(yù)測控制系統(tǒng)，兼顧脫醚塔塔底液位和精餾塔的進(jìn)料量，減少脫醚塔底部液位調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)頻率和幅度，有效減輕了精餾塔的進(jìn)料擾動。

多變量預(yù)測控制系統(tǒng)投用前，脫醚塔塔底液位調(diào)節(jié)閥為了穩(wěn)定脫醚塔塔底液位而頻繁動作，故精餾塔進(jìn)料量擾動很大，波動范圍在1.5～4.5 m3/h。多變量預(yù)測控制系統(tǒng)投用后，精餾塔進(jìn)料量的波動減小至2.7～3.7 m3/h。

6 結(jié)語

多變量預(yù)測控制系統(tǒng)投用以后，大幅減小了雙塔精餾裝置主要控制指標(biāo)的波動范圍，并且該控制系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)可進(jìn)行無擾動自由切換，不僅實現(xiàn)了生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運行和產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量的提高，而且也降低了操作人員的勞動強度。

2016- 08- 22)

2016- 08- 14)