多變量預測控制技術在精甲醇裝置先進控制系統(tǒng)的應用

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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多變量預測控制技術在精甲醇裝置先進控制系統(tǒng)的應用

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對汽氣比的要求，從而降低了蒸汽消耗。合理設計主熱交換器的面積，使得軟水加熱器進口變換氣溫度在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，達到了節(jié)能降耗的目的。

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

1 雙塔甲醇精餾的操作難點

山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司現有2套甲醇轉化制二甲醚裝置，年總產能甲醇400 kt和二甲醚200 kt。在聯醇生產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，再根據生產裝置對雙甲工藝送來的雜醇、醚成分進行分離等工藝步驟，確定塔內的溫度、壓力等工藝參數。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也會發(fā)生變化，這給精餾生產帶來了許多問題：蒸汽用量過多，不僅造成蒸汽浪費，而且會減少精甲醇的產量；蒸汽用量過少，會嚴重影響精甲醇質量。因此，引入多變量預測控制技術迫在眉睫。

2 先進控制系統(tǒng)變量的選擇

通過對產品質量控制、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數據進行了分析，然后確定了精甲醇裝置可優(yōu)化的指標，最后給出了具體的控制方法。根據過程控制分析和現場工藝情況，在該雙塔精餾裝置的多變量預測控制系統(tǒng)(即精甲醇裝置先進控制系統(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 精甲醇裝置先進控制系統(tǒng)變量描述

3 控制方法

(1)產品質量和約束控制。通過設置脫醚塔和精餾塔塔底溫度和溫度調節(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，又保證了精餾塔塔頂產品的質量。

(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，但回流量是影響產品質量的主要因素，如果控制不當會導致產品質量不合格。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節(jié)閥來調節(jié)，故可通過多變量控制器對冷凝液收集槽液位進行有效預測控制，以穩(wěn)定雙塔回流量，在保證產品質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塊塔板溫度對產品的質量和產量有較大影響，且與精餾塔塔底溫度有較強的耦合性，在該生產裝置中是通過控制精甲醇的采出量來間接控制，存在著嚴重的滯后問題。多變量預測控制系統(tǒng)以精餾塔進料量和進料溫度為前饋，對該溫度進行有效預測控制，可解決控制滯后的問題。

4 多變量預測控制系統(tǒng)操作界面

在實際應用過程中，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系的多變量預測控制系統(tǒng)操作界面(圖1)，利用該操作界面，操作人員可容易地實現多變量預測控制系統(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的調節(jié)回路和調節(jié)閥進行調整，只需根據當前的裝置負荷和工況設置合理的范圍，控制系統(tǒng)會自動地在此范圍內對裝置進行基于模型的預測控制，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，實現了操作人員從“操作裝置”到“優(yōu)化裝置的操作”的角色轉變。

圖1 多變量預測控制系統(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，如果多變量預測控制系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)間的通訊出現故障，15 s后系統(tǒng)會提醒操作人員注意；如果30 s后通訊還未恢復正常，系統(tǒng)會自動將多變量預測控制器切除，并發(fā)出聲光報警，提醒操作人員將相關回路切換至投用前的自動或手動模式，進行人工操作。

5 多變量控制系統(tǒng)應用情況

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的分離，最終影響精甲醇的品質；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裝置的節(jié)能降耗。為此，多變量預測控制系統(tǒng)以加熱蒸汽壓力為前饋變量，對脫醚塔塔底溫度進行了有效的預測控制。

多變量預測控制系統(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 ℃。多變量預測控制系統(tǒng)投用后，能提前根據加熱蒸汽的波動情況對脫醚塔塔底溫度進行有效預測控制，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。

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，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含量增加，進而影響精甲醇的品質；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行有效的預測控制。

多變量預測控制系統(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℃。多變量預測控制系統(tǒng)投用后，能提前根據加熱蒸汽的波動對塔底溫度進行有效預測控制，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。

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品質量和產量的一個重要控制指標，而該指標是由精甲醇采出流量閥間接控制的，存在嚴重的滯后問題，因此，利用多變量預測控制系統(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行控制，使其維持在一定的范圍內。

對于脫醚塔來說，塔底液位是一個重要的控制指標，因為其與塔底的傳熱和汽化有較大的關系，進而影響分離效果。原先采用DCS系統(tǒng)控制，當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。利用多變量預測控制系統(tǒng)，兼顧脫醚塔塔底液位和精餾塔的進料量，減少脫醚塔底部液位調節(jié)閥的調節(jié)頻率和幅度，有效減輕了精餾塔的進料擾動。

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

6 結語

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

2016- 08- 22)

2016- 08- 14)