先進控制系統在二甲苯分離系統的應用

(青島麗東化工有限公司，山東青島266500)

1 引言

先進控制系統（APC）是流程企業綜合自動化的重要組成部分，是一種對生產過程的實時控制。常規集散控制系統(DCS)，控制方案以單回路和串級回路PID控制為主，先進控制系統（APC）在此基礎上，對控制變量實行多變量模型預估控制，提高了控制系統的整體化、智能化。同時，石化工業生產過程復雜，建立精確數學模型非常困難，而預估控制技術降低了對模型精度的要求，使多變量控制技術應用于石化生產裝置成為可能[1]。

2 工藝流程及特點

青島麗東化工有限公司芳烴聯合裝置采用美國UOP公司專利許可技術，主要包括石腦油重整、二甲苯模擬移動床吸附分離等，設計年產苯和甲苯40萬t，對二甲苯（PX）63萬t。折算為標準煤，2011年綜合能源消耗共計117.94萬t標準煤，其中燃料氣消耗為116.08萬t標準煤，占總能耗的98.02%。因此，對燃料氣使用進行研究和節約，具有重要意義。

為節約能源，充分利用各溫位熱源，二甲苯分離系統采用熱聯合技術。二甲苯塔在芳烴聯合裝置生產流程中處于承上啟下的位置，同時二甲苯塔處理量大，溫位高，在聯合裝置運行中先開工、后停工。因此，設計時將二甲苯塔作為熱聯合流程中的熱源輸出塔，其他較小的精餾塔作為熱源接受塔，起到節約能源、充分利用各溫位熱源的作用。圖1為二甲苯塔的流程示意圖。

二甲苯再沸器加熱爐熱負荷大，設計負荷46.98mmkcal/Hr，是整個裝置能源消耗最大的設備，2011年平均燃氣消耗17156Nm3/hr，占全廠燃料氣消耗的26%，控制其平穩運行對節能具有重要意義。同時，由于負擔向多個精餾塔提供的熱源的任務，二甲苯塔的操作影響范圍大，是全廠平穩運行的關鍵。

3 控制策略

3.1 原理

DMCplus技術采用多變量模型預測控制中的動態矩陣控制算法（DMC），基本思想是采用過程模型預測未來。與傳統PID控制算法不同，該算法不但利用當前時刻和過去時刻輸出測量值和設定值的偏差，而且還利用預測模型來預估過程未來時刻的偏差值，采用滾動優化的方法確定當前的最優控制過程[2]。根據作用和性質不同，將變量分為三類：一是控制目標，即被控變量（CV）。二是采取的控制手段，即操作變量（MV）。三是可以被測量到但是不能被操縱，有對CV有影響的變量，稱為干擾變量（DV）。

3.2 設計方案

二甲苯塔的作用是脫除進料中的C9+，保證模擬移動床分離單元的進料C9＜500PPM，同時塔底二甲苯損失盡量小，控制目標是OX＜4.0%。二甲苯塔的靈敏板溫度指示在塔的下部，選用溫差作為被控變量，對塔底OX含量進行調節：如果塔底OX含量高，就需要提高塔上下部溫差。同時，二甲苯塔進料來源多，變化頻繁，如果用回流比作為被控變量，波動太多無法控制。因此，選擇回流量作為被控變量，而不是回流比，來對塔頂C9含量進行控制。由于塔底壓力控制閥實際控制的是塔頂蒸汽給抽出塔作再沸器熱源的流量，該控制閥開度必須平穩，也要列入被控變量。

圖1 二甲苯塔流程示意圖

二甲苯再沸加熱爐先進控制的目的在保持平穩的前提下降低過剩氧含量和爐膛負壓，以提高加熱爐效率，節約燃料。

設定的控制參數見表1。

4 應用效果分析

在完成先進控制系統的軟、硬件安裝、調試后，于2011年8月份投入使用。經過2012年的觀察運行，除開、停工過程、二甲苯塔增加或減少一路進料等極端波動需要摘除外，先進控制系統都可以正常運行，投用率達到95%以上。

4.1 二甲苯塔控制器效果分析

圖2和圖3是投用前后的部分參數波動情況。

圖2 二甲苯塔部分操作參數波動變化

由圖2中可以看出，投用后，反映二甲苯塔操作狀況的塔頂溫度、塔底溫度、塔頂壓力、回流量都明顯變小，這可以大大減輕操作員的操作強度。由圖3中可以看出靈敏板溫差波動變小，意味著塔底物料中的OX含量波動減小，雖然采樣分析不可能反映出這一變化，但是可以減少操作員的巡回檢查頻次，調整操作時，可以作更小范圍的調節，減少波動幅度和次數。塔底溫度、塔頂溫度和塔頂壓力控制閥開度波動變小，反映出二甲苯塔向其他精餾塔提供熱源也變穩定，更有利于操作調整，大大提高裝置運行的平穩率。

圖3 二甲苯塔部分操作參數波動變化

4.2 加熱爐控制器效果分析

加熱爐各操作參數在先進控制器投用前后進行對比，見圖4、圖5和圖6。

圖4 二甲苯塔再沸加熱爐過剩氧波動變化

圖5 二甲苯塔再沸加熱爐爐膛負壓波動變化

圖6 二甲苯塔再沸加熱爐爐燃料氣流量波動變化

由圖4和圖5中可以看出，加熱爐波動減小，特別是爐膛負壓，變化更為明顯，波動減小并且略有下降，A爐B爐的爐膛負壓下降都在0.75mmH2O。這說明投用先進控制器，不但調節操作更平穩，而且對提高加熱爐效率也有明顯作用。圖6是在保持裝置進料量不變（二甲苯塔進料總計41t/Hr，設計進料值范圍是36.5～41.5t/Hr）的情況下對加熱爐先進控制器是否投用的燃料氣消耗值對比。投用前燃料氣流量平均值是A爐9050Nm3/Hr，B爐8890Nm3/Hr。投用后，A爐8920Nm3/Hr，B爐8730Nm3/Hr。兩臺加熱爐燃氣消耗減小共計約290 Nm3/Hr，減小幅度約為1%。用等熱值LPG計算，燃料氣價格為2.21元/Nm3，每年可以節約燃料氣費用約為561萬元/年。

5 結語

先進控制系統的投用，減輕了操作員的勞動強度，提高了裝置運行的平穩性，節約燃料氣成本561萬t/a，提高了經濟效益。

[1]袁璞煉油過程先進控制技術的發展與應用（J）石油煉制與化工，1994,25（10）：29-33.

[2]薛耀峰先進過程控制技術及應用（J）自動化博覽，，2004,06：5-10.