應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)提高芳烴抽提裝置操作平穩(wěn)性

【摘 要】芳烴抽提技術(shù)經(jīng)過(guò)60余年發(fā)展，已比較成熟。由于芳烴抽提要害部位運(yùn)行中具有較大的危險(xiǎn)性，因此需要應(yīng)用先進(jìn)控制系列軟件進(jìn)行控制，達(dá)到提高裝置運(yùn)行的操作平衡性和安全性。

【關(guān)鍵詞】先進(jìn)控制技術(shù);芳烴;抽提裝置;操作平穩(wěn)性;安全性

模型預(yù)測(cè)控制（MPC）是目前得到廣泛應(yīng)用的先進(jìn)控制策略之一，它遵循預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正等三大原理，適應(yīng)復(fù)雜工業(yè)過(guò)程控制的要求。由于具有對(duì)模型精度要求不高、較強(qiáng)的穩(wěn)定性和魯棒性等特點(diǎn)，在工業(yè)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。

環(huán)丁砜溶劑溶解能力強(qiáng)、選擇性好、分離容易、溶劑消耗少、無(wú)毒價(jià)廉，并能從芳烴原料中經(jīng)濟(jì)、高回收率地獲取高純度芳烴，現(xiàn)已被廣泛采用。但是，由于芳烴抽提生產(chǎn)過(guò)程存在著較大的干擾因素：同時(shí)，上下游裝置之間耦合性強(qiáng)、相互干擾大，使得常規(guī)PID控制難以達(dá)到滿意的控制效果。針對(duì)芳烴抽提生產(chǎn)過(guò)程存在的控制難點(diǎn)，應(yīng)用先進(jìn)控制系列軟件APC-Suite建立芳烴抽提生產(chǎn)過(guò)程的先進(jìn)控制系統(tǒng)，以提高生產(chǎn)過(guò)程的操作穩(wěn)定性和安全性。

1.裝置要害部位危險(xiǎn)性分析

芳烴抽提裝置以加氫裂解汽油和重整生成油作為原料，以環(huán)丁砜為溶劑，通過(guò)萃取抽提、溶劑回收、精餾等化工單元的操作，生產(chǎn)出純苯產(chǎn)品，苯塔塔底物（主要為甲苯）、加氫汽油抽余油和重整抽余油。原料及產(chǎn)品都屬于易燃易爆物質(zhì)，與空氣接觸能形成爆炸性混合氣體，苯和甲苯還會(huì)對(duì)人體造成毒害，裝置內(nèi)的空冷器和泵產(chǎn)生的噪聲也同樣對(duì)人體造成危害。

（1）加氫裂解汽油屬易燃易爆物質(zhì)，閃點(diǎn)小于28℃，屬甲類火災(zāi)危險(xiǎn)性物質(zhì)。爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所屬于Ⅱ區(qū)域，汽油蒸氣和空氣形成爆炸性混合氣體，其爆炸極限下限極低，僅為1%（V）左右，因此發(fā)生火災(zāi)、爆炸的危險(xiǎn)性很大，即使有稀薄汽油蒸氣存在也是很危險(xiǎn)的，有沿地面擴(kuò)散到遠(yuǎn)處遇火花引起著火的可能。同時(shí)汽油也是非導(dǎo)電性物質(zhì)，它的液滴滴落或發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，極容易產(chǎn)生靜電而冒火花而引起著火。

（2）苯和甲苯，它們都是易燃易爆物質(zhì)，它們的蒸氣和空氣能形成爆炸性的混合氣體，閃點(diǎn)也小于28℃，屬甲類火災(zāi)危險(xiǎn)性物質(zhì)。因此發(fā)生火災(zāi)危險(xiǎn)性很大，按照《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》，苯是極度危害化學(xué)品，高濃度苯對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)有麻醉作用，在短時(shí)間內(nèi)大量吸入苯蒸氣，可因呼吸中樞麻痹而死亡。長(zhǎng)時(shí)期接觸會(huì)發(fā)生慢性中毒影響造血功能，國(guó)際癌癥研究中心已確認(rèn)為致癌物。甲苯毒性雖然沒(méi)有苯的毒性高，但長(zhǎng)時(shí)間吸入，會(huì)影響人體的肝、腎功能。如果發(fā)生苯與甲苯泄漏或跑料事故，遇明火將發(fā)生燃燒和爆炸事故。

（3）苯裝置腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，環(huán)丁砜溶劑本身是一種化學(xué)穩(wěn)定性較好的極性有機(jī)物（在低于220℃的情況下），但當(dāng)溫度高于220℃時(shí)，就會(huì)發(fā)生緩分解，而生成二氧化硫和不飽和烴，接觸空氣時(shí)，分解速度加快，因此在系統(tǒng)中，由于升溫后分解和氧化分解，遇水后生成苯磺酸類，對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重的腐蝕，特別在溶劑回收塔、汽提塔和溶劑再生系統(tǒng)的管線設(shè)備。

2.芳烴抽提工藝流程

芳烴抽提生產(chǎn)過(guò)程是以環(huán)丁砜為溶劑，通過(guò)溶劑抽提和抽提蒸餾相結(jié)合的方法，分離成芳烴和非芳烴。芳烴抽提生產(chǎn)過(guò)程工藝流程主要由溶劑、油、水三大循環(huán)所構(gòu)成。

原料和第三溶劑從抽提塔T-101中下部進(jìn)入，貧溶劑從抽提塔上部進(jìn)入。在抽提塔內(nèi)，原料與溶劑逆流接觸，進(jìn)行液液抽提，形成組成不同的輕重兩相，大部分的非芳烴作為抽余相由塔頂導(dǎo)出，溶解在溶劑中的芳烴和少量非芳烴作為抽取相由塔底抽出。為了提高抽提油純度，在抽提塔下部，設(shè)置了一返洗管線，返洗液來(lái)自汽提塔T-103頂部。

抽提塔T-101抽余相自塔頂導(dǎo)出，進(jìn)入抽余液水洗塔T-102。在抽余液水洗塔內(nèi)，洗滌水和抽余相逆流接觸，抽余油自塔頂導(dǎo)出，塔底部水則進(jìn)入水汽提塔T-104。抽提塔T-101抽取相也稱富溶劑自塔底進(jìn)入汽提塔T-103上部。在汽提塔中經(jīng)抽提蒸餾后，塔頂采出一部分作為返洗液返回抽提塔，另一部分送往水汽提塔T-104;塔底物送往回收塔T-105。在溶劑回收塔T-105中完成溶劑和芳烴的分離，溶劑供循環(huán)使用，芳烴自塔頂導(dǎo)出。

3.控制原理及軟件結(jié)構(gòu)、功能

3.1預(yù)測(cè)控制原理

預(yù)測(cè)控制算法具有相同的三大本質(zhì)特征：預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。各種預(yù)測(cè)控制算法具有類似的計(jì)算步驟：在當(dāng)前時(shí)刻，基于過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)未來(lái)一定時(shí)域內(nèi)每個(gè)采樣周期（或按一定間隔）的過(guò)程輸出，這些輸出為當(dāng)前時(shí)刻和未來(lái)一定時(shí)域內(nèi)控制量的函數(shù)。按照基于反饋校正的某個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)計(jì)算當(dāng)前及未來(lái)一定時(shí)域的控制量大小。一般在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中都考慮使未來(lái)輸出以一參考軌跡最優(yōu)地去跟蹤期望設(shè)定值。計(jì)算出當(dāng)前控制量后輸出給過(guò)程實(shí)施控制。根據(jù)新測(cè)量數(shù)據(jù)重新按上述步驟計(jì)算控制量。從預(yù)測(cè)控制的基本原理可以看出，預(yù)測(cè)控制是不斷滾動(dòng)的局部?jī)?yōu)化。

（1）預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)模型的功能是根據(jù)被控對(duì)象的歷史信息和未來(lái)輸入，預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)響應(yīng)。預(yù)測(cè)模型形式可以是參數(shù)模型或非參數(shù)模型如脈;中響應(yīng)和階躍響應(yīng)。

（2）滾動(dòng)優(yōu)化。控制目的是通過(guò)某一性能指標(biāo)的最優(yōu)確定未來(lái)的控制作用。優(yōu)化過(guò)程隨時(shí)間推移在線優(yōu)化，反復(fù)進(jìn)行，每一步實(shí)現(xiàn)的是靜態(tài)優(yōu)化，全局看卻是動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

（3）反饋校正。每到一個(gè)新的采樣時(shí)刻，都要通過(guò)實(shí)際測(cè)到的輸出信息對(duì)基于模型的預(yù)測(cè)輸出進(jìn)行修正，然后再進(jìn)行新的優(yōu)化。不斷根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際輸出對(duì)預(yù)測(cè)輸出值作出修正，使?jié)L動(dòng)優(yōu)化不但基于模型，而且利用了反饋信息，構(gòu)成閉環(huán)優(yōu)化。

3.2先進(jìn)控制系列軟件APC-Suite

（1）控制結(jié)構(gòu)。APC-Suite先進(jìn)控制系列軟件，它包括：先進(jìn)控制平臺(tái)ESP-iSYS-A、高級(jí)多變量魯棒預(yù)測(cè)控制軟件APC-Adcon、工藝計(jì)算與智能軟測(cè)量軟件APC-sensot和預(yù)測(cè)函數(shù)控制軟件APC-PFC組成。APC-Suite能支撐所有國(guó)內(nèi)在使用的主流DCS系統(tǒng)，如：中控的SUPCON JX-300X系統(tǒng)。Honeywell公司的PKS系統(tǒng)、橫河公司的CENTUM CS系列DCS系統(tǒng)。

（2）軟件功能。先進(jìn)控制系列軟件APC-Suite充分考慮了實(shí)際控制系統(tǒng)中的各種要求，保證了系統(tǒng)性能和控制器的魯棒性。靈活的約束控制可在滿足工藝要求的情況下，同時(shí)較好的提高裝置產(chǎn)能;局部?jī)?yōu)化裝置控制手段，有效提高產(chǎn)品質(zhì)量;在滿足裝置工藝指標(biāo)和裝置控制回路指標(biāo)上下限約束的前提下，有效的利用對(duì)控制回路的調(diào)節(jié)，使工藝指標(biāo)按照裝置測(cè)試得到的模型算法及制定的閉環(huán)性能達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo);

通過(guò)觸發(fā)“先進(jìn)控制平臺(tái)ESP-iSYS-A”提供的虛位號(hào)腳本的方法提供強(qiáng)大的自定義控制功能，用戶可以通過(guò)該功能對(duì)預(yù)測(cè)控制器進(jìn)行擴(kuò)充，從而提供更強(qiáng)大的靈活性和運(yùn)算能力。

4.先進(jìn)控制軟件應(yīng)用效果

芳烴抽提生產(chǎn)過(guò)程先進(jìn)控制系統(tǒng)針對(duì)芳烴抽提生產(chǎn)過(guò)程的工藝特點(diǎn)和具體情況，綜合考慮了各塔的內(nèi)部特性及其相互間的關(guān)聯(lián)性，并結(jié)合工藝工程師、操作人員長(zhǎng)期的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及先進(jìn)控制的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)控制軟件的特點(diǎn)，分別建立抽提塔。汽提塔和回收塔三個(gè)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)芳烴抽提單元生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)控制，提高自動(dòng)化控制水平，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

先進(jìn)控制系統(tǒng)應(yīng)用到芳烴抽提生產(chǎn)過(guò)程中后，生產(chǎn)操作平穩(wěn)性有了顯著的提高，大大減輕了操作人員的操作強(qiáng)度。各個(gè)關(guān)鍵工藝控制變量在先進(jìn)控制投運(yùn)前波動(dòng)較大，控制效果并不理想;先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)后，能夠有效的克服擾動(dòng)，控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量明顯提高，大大改善了芳烴抽提生產(chǎn)過(guò)程的操作平穩(wěn)性和安全性，從而有效地提高了芳烴的收率和降低了溶劑的消耗。

【參考文獻(xiàn)】

【1】柴軍輝等.某芳烴抽提裝置水汽提塔重沸器檢驗(yàn)缺陷分析與處理《石油和化工設(shè)備》2015年第7期84-87.

作者簡(jiǎn)介：張麗霞（1981—），女，溶劑油裝置操作高級(jí)工。