甲醇精餾裝置中先進控制的應用研究

陳小波

摘要：先進控制系統(tǒng)的成功實施有效克服了甲醇精餾生產(chǎn)過程中因管網(wǎng)蒸汽波動較大，塔釜熱源關聯(lián)性強等控制難題，提高了裝置的自動化水平，降低了重點工藝參數(shù)的波動;同時解放了操作人員，降低了勞動強度，為崗位融合創(chuàng)造條件。

關鍵詞：甲醇精餾裝置;先進控制;應用

1先進控制系統(tǒng)的特點

經(jīng)過對先進控制實踐應用的交流，萬華化學（寧波）有限公司（以下簡稱萬華化學）選用應用較為廣泛的模型預測控制系統(tǒng)，其使用的PAVILION8控制軟件系統(tǒng)是集合經(jīng)驗模型和機理模型的復合模型平臺，該系統(tǒng)具有以下幾方面的特點和內(nèi)容。

（1）多變量、非線性優(yōu)化控制算法的模型預測。以預測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正3項基本原理為基礎，其預測模型為對象的動態(tài)信息階躍，經(jīng)過一定的時域在單位階躍控制作用產(chǎn)生階躍響應的穩(wěn)定值之間的算法;其滾動優(yōu)化即通過對跟蹤誤差和控制量變化進行抑制，計算出優(yōu)化后的控制增量作用于實際控制對象，到下一時刻，系統(tǒng)再次執(zhí)行計算優(yōu)化以作用于對象，如此反復在線進行實現(xiàn)滾動優(yōu)化;其反饋校正即是下一時刻輸入時，首先檢查本時刻的計算輸出和實際輸出的誤差，采用時間序列方法將預測誤差修正到下一時刻的初始輸入值，如此形成系統(tǒng)實際基礎上的閉環(huán)控制算法[2]。（2）系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)服務器、控制器客戶端和圖形界面客戶端4大部分組成：①數(shù)據(jù)接口負責完成底層控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)服務器之間的通訊工作，將軟件應用中需處理的讀入/寫出數(shù)據(jù)通過各種驅(qū)動程序翻譯成底層控制系統(tǒng)認可的方式;②數(shù)據(jù)服務器完成數(shù)據(jù)接口服務器與控制器客戶端，及與圖形界面客戶端之間過程變量和參數(shù)的通信、緩存和傳送功能，是控制系統(tǒng)與DCS之間的數(shù)據(jù)連接橋梁;③控制器客戶端運行動態(tài)模型和控制器/優(yōu)化器功能，其定義了被控變量（CV）、操縱變量（MV）和干擾變量（DV），通過有效的實時優(yōu)化策略計算出操作變量的設定值和被控變量的預測值，使被控變量盡可能地接近目標值或者保持在約束條件內(nèi)，以實時優(yōu)化控制生產(chǎn)過程，稱為主服務器;④圖形界面客戶端提供監(jiān)控畫面，可以管理應用程序，可讓操作員或工程師設置控制參數(shù)等日常操作和維護，只與數(shù)據(jù)服務器通訊，可視化的界面更便于識別機遇，降低成本，提高決策的及時性和準確性。

2甲醇精餾裝置先進控制方案與實施

萬華化學甲醇精餾裝置是典型的三塔精餾工藝，包括預精餾塔T801、加壓精餾塔T802和常壓精餾塔T803。粗甲醇經(jīng)泵送入T801預精餾塔，塔底設置0.4MPa（g）蒸汽加熱的再沸器，塔頂設置循環(huán)水冷凝器。預精餾塔的作用是除去粗甲醇中殘余溶解氣體以及以二甲醚為代表的低沸點物質(zhì)，該塔的主要效益點是保證塔頂甲醇含量最小化，降低塔底再沸器S4蒸汽的消耗，另外，塔頂甲醇含量最小化也能節(jié)省冷卻用工藝水的用量。預精餾塔底部甲醇由泵送入T802加壓精餾塔，加壓精餾塔塔頂氣作為常壓精餾塔T803的塔底再沸器熱源，冷卻后部分作為產(chǎn)品外送，部分作為加壓精餾塔的回流液。T802加壓精餾塔的作用是將來自T801塔底的中間甲醇進一步去除其他雜質(zhì)，保證塔頂采出的甲醇產(chǎn)品質(zhì)量合格，乙醇不超標，提高甲醇收率，并且為T803常壓精餾塔提供熱量，降低塔底S10蒸汽的消耗，保證塔底的殘余甲醇在常壓精餾塔中能充分分離。T803常壓精餾塔的作用是塔頂采出產(chǎn)品，側(cè)線采出雜醇，分離出重組分水并排出系統(tǒng)，該塔的主要效益點是保證塔頂甲醇質(zhì)量合格的前提下，卡邊控制水和乙醇的含量，使甲醇收率最大化。

2.1 模型建立

依照設計任務，該控制器實現(xiàn)甲醇精餾自動控制，包括以下4方面功能：①系統(tǒng)蒸汽設定：包括T801蒸汽和T802蒸汽，根據(jù)總進料或蒸汽壓力確定T801、T802蒸汽隨負荷變化的調(diào)節(jié)以及對蒸汽壓力波動的補償;②T803靈敏板溫度控制。兩個靈敏板溫度控制，主要調(diào)整T803的回流量及T802的蒸汽流量。③回流比控制。三個塔的回流比控制，主要調(diào)整回流量，其中T801約束為回流槽液位，T803約束為兩個靈敏板溫度;④液位控制。控制T801回流槽液位，主要調(diào)整回流量;

2.2操作員界面設置

操作員界面設置在DCS畫面中，簡單直觀，分別顯示了變量的狀態(tài)和模式以及控制器狀態(tài)和故障報警，設置了控制器以及各變量的投用和切出開關，操作簡化。

2.3客戶端界面設置

客戶端界面為工程師控制臺，用于控制器參數(shù)的調(diào)整和展示，分別有下面四部分的界面及功能。

（1）控制器界面。該部分顯示各變量的目標值、測量值及上下限趨勢數(shù)據(jù)，直觀表達跟蹤情況，同時可查看歷史趨勢。（2）控制器參數(shù)界面。該部分可以設置各變量的目標值、影響系數(shù)、響應系數(shù)、抑制因子、硬約束界限、模糊約束界限、軌跡權重系數(shù)、預測校正系數(shù)、調(diào)節(jié)優(yōu)先順序等一系列參數(shù)。（3）控制器動態(tài)模型參數(shù)界面。該部分可以設置模型的增益約束、時間常數(shù)約束以及純滯后時間等參數(shù)。（4）性能指標界面。該部分可以查看投用、偏差、干擾等各種統(tǒng)計信息的圖示及報表。在依照項目機理和類似經(jīng)驗建立初步模型后，針對本項目需要進行一系列的工廠測試，以達到符合本裝置獨特性的真實有效模型。

通過工廠測試，在理想情況下，需特意改變唯一操縱變量以觀察特定被控變量的變化，這能最大限度地來界定被控變量和操縱變量的單一關系。通常以階躍測試為主，短測試得到高頻數(shù)據(jù)，長測試得到低頻數(shù)據(jù)，階躍幅度大小以及停留時間隨具體情況而變，以不影響生產(chǎn)為前提，最終通過采集相關工藝數(shù)據(jù)，完善模型設計。

結束語

從上世紀40年代起，單回路系統(tǒng)的PID控制一直沿用至今，其控制簡單、有效，主要使用的是頻域分析法，控制系統(tǒng)的信號表示為不同頻率正弦信號的合成，控制系統(tǒng)輸入和輸出關系形成不同頻率的正弦信號，其關系模型稱為頻率特性。因單回路系統(tǒng)的PID控制具有穩(wěn)態(tài)性、對應關系確定、易解析求解等特點，在線性控制方面得到了極大的推廣。

參考文獻：

[1]徐賀.先進控制技術在甲醇精餾過程中的應用[J].中氮肥，2018（01）：39-42.

[2]顧朝暉，樊安靜，王煒，劉金剛.先進控制在甲醇精餾裝置的應用[J].中國儀器儀表，2015（05）：37-41.

[3]羅坤杰，張穎慧.先進控制技術在甲醇精餾裝置中的應用[J].山東化工，2012，41（09）：64-66.