丁二烯裝置脫重脫輕精餾單元先進控制研究與應用

馬國英，王沖

丁二烯裝置脫重脫輕精餾單元先進控制研究與應用

馬國英，王沖

(中國石油蘭州石化公司 電儀事業部，甘肅 蘭州 730060)

針對丁二烯裝置脫重脫輕精餾單元在生產過程中存在干擾多、耦合嚴重、產品質量難以保證等問題，常規PID控制難以解決，采用基于DeltaV DCS內嵌的多變量預測控制技術建立先進控制系統，通過裝置階躍測試辨識得到脫重脫輕精餾單元傳遞函數矩陣模型。應用表明： 該系統提高了過程控制平穩性，使主要工藝參數波動均方差減少50%以上。

丁二烯裝置 脫重塔 脫輕塔 系統辨識 傳遞函數 多變量預測控制

近年來，先進控制在石油、化工行業得到廣泛應用。先進控制與在線優化技術的實施，使得過程控制更為平穩，并帶來顯著的經濟效益和社會效益[1-2]。本文著重對某石化公司丁二烯裝置脫重脫輕精餾單元進行先進控制研究和應用。由于脫重脫輕精餾單元在生產過程中存在著多變量關聯和耦合特性，通過常規PID控制及人工調整較難解決該類問題，產品質量也難以得到保證。因而需要通過采用更為高級的控制策略，來適應裝置生產過程的需要，對提高裝置的運行水平，減少加工損失，提高丁二烯收率，降低產品能耗，增加效益，具有重要的現實意義。

1 工藝簡介

脫重脫輕精餾單元主要由脫輕塔和脫重塔組成，脫重脫輕系統均采用普通加壓精餾的方法。脫重塔將丁二烯與順-2-丁烯等重組分進行分離，使粗丁二烯濃度進一步提高，在塔頂得到高濃度的粗丁二烯，塔釜分離出順-2-丁烯等重組分，由于高濃度的丁二烯容易自聚，該裝置采用亞硝酸鈉溶液做阻聚劑。脫輕塔將丁二烯與丙炔等輕組分進行分離，在塔頂得到丙炔等餾分，塔釜得到聚合級的丁二烯產品，由于丁二烯的自聚性，該裝置采用對叔丁基鄰苯二酚溶液做為阻聚劑，防止丁二烯產品自聚。其中，脫輕塔脫除丙炔的過程中造成的丁二烯放空損失占裝置加工損失的比重較大，脫重塔分離重組分過程中造成的丁二烯損失也比較高，此為影響裝置丁二烯收率的2個主要因素。

2 先進控制技術

先進控制是建立在常規單回路控制之上的動態協調約束控制，可使控制系統適應實際生產過程動態特性和操作要求。本文采用的多變量預測控制技術，其算法的核心由模型預測、反饋修正和滾動優化等組成。采用DeltaV系統中內嵌的模型預測控制策略(MPCPro)，其為基于模型的動態矩陣控制(DMC)，適用于具有耦合及存在眾多約束的復雜多變量過程控制。計算步驟為在當前時刻預測未來一定時域內的過程輸出，按照基于反饋校正的優化目標函數計算當前控制量。為了防止控制量劇烈變化及超調，一般在優化目標函數中都考慮使未來輸出以某參考軌跡最優地去跟蹤期望設定值，至下一時刻，根據新測量的數據重新按上述步驟計算控制量，該優化過程不是離線進行，而是反復在線進行，即滾動向前推移。由于每一步優化都建立在實時反饋校正的基礎上，因而能彌補模型失配、時變、干擾等不確定因素帶來的影響，比傳統的最優控制具有更好的魯棒性[3-5]。當有外界干擾時，塔系各主要工藝參數能自動跟蹤調整，使塔系的操作更平穩，在平穩操作的基礎上降低能耗，提高主要產品的收率。

3 控制方案

3.1 控制目標

脫重塔分離重組分過程中造成的丁二烯損失比較高，對脫重塔實施先進控制，以提高塔靈敏板溫度等主要參數的平穩率，提高丁二烯產品產量與質量。

脫輕塔脫除丙炔的過程中造成丁二烯放空損失占裝置加工損失的比重較大，對脫輕塔實施先進控制，以提高關鍵工藝變量平穩性，穩定脫輕塔操作，保證塔釜丙炔含量以及塔頂放空氧含量指標合格，減小丁二烯的放空損失，提高產品收率。

3.2 控制方案

本文根據脫重塔和脫輕塔工藝特點、控制目標，針對常規控制存在的不足，結合工藝人員操作經驗，設計控制方案見表1所列，其中，所有被控變量采用給定點控制，約束變量采用區間控制。

表1 脫重脫輕精餾單元先進控制方案

3.3 控制模型

在預測控制中，過程的內部模型占有相當重要的地位，雖然對它與實際控制對象的擬合精度要求不是特別高，但若大致的結構、穩態增益、時間常數和純滯后較為準確，則預測結果比較理想，預估控制器就有了良好的基礎[5]。在建模過程中，結合脫重脫輕單元的控制方案，根據工藝及裝置設備的極限要求，通過對脫重脫輕精餾單元進行階躍測試和數據分析，確定各MV，DV與CV，AV的對應關系，辯識得到如下傳遞函數矩陣形式的數學模型，如式(1)所示，作為預測控制所需的內部模型，并根據實際工藝特點和要求選取合理的參考軌跡、MV約束、控制結構等以得到合理的先進控制器。

(1)

3.4 運行效果分析

先進控制器投運后，系統運行平穩，控制精度高，脫重塔回流罐液位，脫輕塔頂溫控制效果如圖1，圖2所示。通過調節脫重塔熱源冷凝水量，保持脫重塔靈敏板溫度、塔頂溫度、塔側線溫度運行穩定；通過小幅度調節回流罐采出量，克服干擾，實現對回流罐液位的平穩控制。通過調節脫輕塔再沸器供給熱量，小幅度調節回流量，保持塔靈敏板溫度、塔頂溫度平穩運行，從而實現了該單元平穩運行。標定結果表明： 設計實施的脫重脫輕精餾單元多變量預估先進控制器是切實可行的，提高了過程控制的平穩性，使主要工藝參數波動均方差減少50%以上。

圖1 脫重塔回流罐液位常規控制和先進控制運行效果對比曲線

圖2 脫輕塔頂溫常規控制和先進控制運行效果對比曲線

4 結束語

丁二烯裝置脫重脫輕精餾單元先進控制系統的投用，解決了常規控制存在的不足，進一步提高了裝置的自動控制水平，實現了裝置平穩、快速和準確的控制，減少了主產品丁二烯產品的損失，減少了副產品丙炔的排空，降低了操作人員勞動強度，節能降耗，達到了良好的應用效果。先進控制系統的長期投用將給裝置帶來較好的經濟效益和社會效益，值得推廣應用。

[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] 俞金壽.工業過程先進控制[M].北京： 中國石化出版社，2002.

[3] 陳素芳，路鐵硯.預測控制技術在丁二烯精制單元的應用[J].齊魯石油化工，2010，38(01)： 10-14.

[4] 馬永林.先進控制技術在DMF法丁二烯裝置中的應用[J].自動化與儀表，2016(01)： 48-52.

[5] 王樹青.工業過程控制工程[M].北京： 化學工業出版社，2003.

[6] 王愛廣，王琦.過程控制技術[M]. 北京： 化學工業出版社，2005.

[7] 席裕庚. 預測控制[M]. 北京： 國防工業出版社，1993.

[8] 錢積新，趙均，徐祖華.預測控制[M].北京： 化學工業出版社，2007.

[9] 邵惠鶴.工業過程高級控制[M].上海： 上海交通大學出版社，2003.

[10] [荷] 朱豫才.過程控制的多變量系統辨識[M].張湘平，虞水俊，孫志強，等，譯.長沙： 國防科技大學出版社，2005.

[11] 方崇智，蕭德云.過程辨識[M].北京： 清華大學出版社，1988.

馬國英(1975—)，女，甘肅蘭州人，1995年畢業于蘭州石化職業技術學院化工儀表及自動化專業，現就職于蘭州石化公司，從事控制系統技術管理及維護工作，任工程師。

TP 273

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1007-7324(2017)02-0060-03

稿件收到日期： 2016-12-24，修改稿收到日期： 2017-01-08。