先進控制技術在馬來酸酐生產過程中的應用

夏佳佳，楊效軍，李 劍，楊如惠，陳明宇，鄭 鑫

(中國石化儀征化纖有限責任公司BDO部，江蘇儀征 211900)

馬來酸酐又稱順丁烯二酸酐，簡稱順酐，是重要的有機化工原料，廣泛運用于合成樹脂、涂料、農藥、潤滑油添加劑、醫藥、紙張處理劑、食品添加劑和穩定劑等方面[1-8]。MAH裝置吸收汽提和精制過程是典型的多變量非線性系統，吸收塔、汽提塔、后閃蒸塔之間耦合性強，常規做法是通過PID控制調節，各塔的塔溫、塔壓、液位、回流等關鍵控制抗干擾能力較差，而以上參數指標波動將對MAH的產品質量造成直接影響[9-12]。

本文以某工廠MAH裝置吸收汽提單元和精制單元為背景，在常規PID控制基礎上采用先進控制軟件Cyb-iMPC進行先進控制改造，通過多變量預測控制技術克服各塔之間關聯性強和上下游工段干擾頻繁等問題，提高裝置平穩性和抗干擾能力，實現吸收汽提和精制單元的優化控制并達到提升產品質量和節能增效的目標。同時依托先控平臺軟件，實現儀表診斷、生產報表等附加功能，為MAH裝置提供生產指導。

1 工藝特點

某工廠MAH裝置吸收汽提單元主要由吸收塔、汽提塔、后閃蒸塔和洗滌塔構成。從正丁烷氧化反應器出來的粗產品氣首先通入吸收塔，與塔頂通入的貧油溶劑(鄰苯二甲酸二丁酯)接觸生成富油從塔底通入富油儲罐。為實現MAH最大化吸收和分離，吸收塔塔底設置循環冷卻器進行外部循環冷卻。由富油儲罐出來的富油經預熱后通過進料泵打入汽提塔中，該塔為真空蒸餾塔，通過三級蒸汽噴射器系統使塔頂冷凝器出口處真空壓力保持在0.002 MPa。塔頂物料在冷凝器冷凝，液體MAH產品從側線出料，塔底再沸器加熱塔底物料，塔底貧油通過加熱器通入后閃蒸塔進一步回收產品。后閃蒸塔為單級閃蒸塔，塔內產生的蒸汽在塔頂噴淋冷凝器中冷凝，冷凝器外設置循環冷卻器對凝液進行冷卻回流，回流物料還包括吸收塔底出料和富油儲罐部分出料；后閃蒸塔塔頂冷凝出料打入富油儲罐，塔底少量貧油打入汽提塔預熱器；貧油從洗滌塔塔頂流入，用于回收塔頂未冷凝氣流和汽提塔冷凝器出來的不凝氣體中的MAH。吸收汽提單元流程簡圖如圖1所示。

圖1 吸收汽提單元流程簡圖

MAH精制單元工藝流程簡圖如圖2所示。精制單元由輕組分塔T-1901 和成品塔T-1902 構成。輕重組分以MAH為界，沸點低于MAH的組分為輕組分，而沸點高于MAH的組分則為重組分。T-1901與T-1902為多段填料塔，T-1901從塔中上部進料，塔頂物流1903與1904中含有輕組分雜質。T-1902從塔中下部進料，塔釜物流1917 中含有重組分雜質，塔中上部側線采出MAH精餾產品(物流1916)，塔頂物流1914返回T-1901。物流1903送至界外。

圖2 MAH精制單元工藝流程圖

該MAH裝置已經基本實現了PID控制，自動化程度相對較高，但是由于MAH吸收汽提單元的工藝特性、儀表情況以及控制手段等限制，部分回路仍存在無法投用自動控制或無法優化控制的情況。

2 先進控制實施

2.1 MAH裝置先進控制目標

某工廠MAH裝置先進控制項目通過采用先進成熟的先進控制軟件，采用行業先進過程控制最佳實踐，建立裝置多變量控制器，實現成功投用，達到平穩裝置生產、減少質量波動、實現最優卡邊操作、降低裝置能耗的基本目標。具體控制目標如下：

(1) 裝置正常生產情況下，控制器投運率95%以上。

(2) 提高裝置生產平穩率，克服干擾的影響，降低操作人員勞動強度，使關鍵被控變量標準偏差降低20%以上。

(3) 通過卡邊控制，提高MAH裝置產品質量，減少貧油損失1%以上。

2.2 MAH裝置先進控制策略

2.2.1 控制器設計

某工廠MAH裝置的先進控制系統主要涉及吸收汽提單元、精制單元和蒸汽系統，根據裝置所要實現的控制目標和當前的約束狀況，分四個控制模塊進行實施，分別為吸收汽提單元各子控制器、精制單元控制器、蒸汽系統專家控制器、儀表診斷系統和生產指導模塊。該裝置先進控制器以提升關鍵指標平穩率和自動化率、降低勞動強度、節約能耗物耗為主要目標，通過優化調節各控制變量，克服干擾影響，并依據工藝特點和工程經驗進行“卡邊”優化，挖掘經濟效益潛力。

(1) 吸收塔控制器

MAH裝置吸收塔塔頂溫度、靈敏板溫度對富油氣中馬來酸酐的吸收效率及貧油消耗量具有直接影響。受回流量、進料氣流量、循環冷卻水溫度等干擾的影響，且由于塔徑較大造成控制滯后較大，在常規PID控制下，僅根據溫度變化調節循環冷卻水量來對塔頂溫度和靈敏板溫度進行控制的方法，無法及時有效地克服干擾，波動較大。

根據吸收塔的運行特點和控制要求，采用多變量模型預測控制，以塔釜循環水調節閥、塔釜出料流量和塔底回流調節閥等為操作變量，以塔頂溫度、塔釜溫度、靈敏板溫度、塔釜液位、返塔流量等各關鍵工藝參數為被控變量，克服滯后與干擾因素，實現反應系統各指標的平穩控制和“卡邊”優化，在滿足生產條件的情況下盡量將靈敏板溫度卡下限，提高MAH吸收率，減少有機相的跑損，提高經濟效益。

(2) 汽提塔控制器

汽提塔部分相對自動化率低于其他工段，在富油罐液位、真空系統壓力等關鍵控制變量上未實現自動控制，因此常規控制勞動強度相對較大，控制效果不佳。

根據汽提塔的運行特點和控制要求，采用多變量模型預測控制，以富油儲罐出料流量閥、汽提塔高壓蒸汽流量閥、真空系統蒸汽調節閥、溫水調節閥等為控制變量，以富油儲罐液位、汽提塔塔底溫度、壓力、塔頂溫度、冷后溫度等各關鍵工藝參數為被控變量，克服管網蒸汽壓力等干擾以及裝置之后的影響，實現反應系統各指標的平穩控制和“卡邊”優化。

(3) 后閃蒸塔和洗滌塔控制器

后閃蒸塔與吸收塔、汽提塔的耦合性較強，如吸收塔和汽提塔的液位波動會直接影響后閃蒸塔的側線液位、塔釜液位和溫度，常規控制無法克服以上干擾影響，控制效果有待優化。

根據后閃蒸塔的運行特點和控制要求，采用多變量模型預測控制器，以后閃蒸塔出料流量調節閥、側線出料調節閥、蒸汽流量閥、溫水調節閥、洗滌塔進料流量閥等為控制變量，以后閃蒸塔塔釜液位、塔頂回流溫度、塔頂出料溫度、側線液位、塔底溫度、洗滌塔液位等關鍵工藝參數為被控變量，克服后閃蒸塔底回流量、吸收塔液位、洗滌塔出料流量、蒸汽管網壓力、后閃蒸塔壓力等干擾影響，實現后閃蒸塔及洗滌塔的優化控制。

(4) 輕組分塔和成品塔控制器

輕組分塔和成品塔控制器以輕組分塔和成品塔的壓力調節閥、循環水調節閥、塔底再沸蒸汽調節閥作為操作變量，以輕組分塔和成品塔的塔頂溫度、回流罐溫度、靈敏板溫度和塔頂回流量等關鍵工藝參數作為被控變量，克服蒸汽管網壓力等干擾的影響，實現輕組分塔和成品塔的平穩優化控制，實現節能降耗、提升產品質量的目標。

MAH裝置先進控制系統變量匯總如表1所示。

表1 MAH裝置先進控制系統變量匯總表

2.2.2 儀表診斷模塊設計

通過控制系統建立明確的儀表診斷與監測規則，結合操作人員以及工藝專家的經驗，利用在線儀表等的指示功能，實現運行工況的實時診斷及監控，達到提高裝置運行安全性的目的；實現MAH裝置主要檢測儀表的實時監測功能，當檢測儀表出現故障時及時切除先進控制系統并進行報警提示；實現MAH裝置主要設備的實時監測功能，當運行參數出現異常時及時切除先進控制系統并進行報警提示。

(1) 故障診斷方法：

先進控制系統通過OPC以10 s為采集周期采集現場實時生產數據，并基于公式(1)進行儀表測量值不變故障判斷。

思想政治教育者自身必須具備合格的理論品質，提高自身的素養，培養實事求是的認知觀，克服心理效應所造成的認知偏見。與教育對象打交道，如果片面利用心理效應，就會使人們陷入認識誤區，要利用實事求是的觀點看問題，以實事求是與時俱進的態度來處理教育過程中出現的一些問題。克服第一印象的片面性，減少“新穎印象”的認識誤區，避免定勢效應的刻板印象，從而以一種實事求是的態度來對待教育對象。作為教育工作者不能高估或低估任何學生，要一切從實際出發，對于學生的客觀情況客觀分析，做一名讓學生信服的思想政治教育工作者。當然，也要培養學生的實事求是，一切從實際出發的認知觀，促進教學效果的提高。

(1)

式中X代表變化率；X0代表當前測量值；X1代表一個周期前測量值；X2代表兩個周期前測量值；X3代表三個周期前測量值；X4代表四個周期前測量值；X5代表五個周期前測量值。

通過公式計算出過去5個周期，該儀表的平均變化率。當該變化率小于某一個值時，則可以判斷該儀表出現了測量值不變的故障。

判斷現場儀表測量值跳變，可選取公式(2)判斷。當該變化率高于某一個數值時，則可以判斷該儀表出現了測量值跳變的故障。

(2)

(2) 故障處理措施

通過先進控制系統儀表智能診斷解決策略判斷出該檢測儀表故障類型，當該儀表故障類型判斷為測量數值不變時，先控上位機會向DCS系統輸出信號1，并由DCS執行對該回路的閥值限位保護，控制回路模式由自動切回手動，并將閥開度恢復至測量儀表故障前的開度。同時在DCS系統上彈出報警提示，由現場操作人員進行檢修處理。

當該儀表故障判斷為測量數值跳變時，先控上位機會向DCS系統輸出信號2，并由DCS執行對該回路的閥值限位保護，控制回路模式由自動切回手動，并將閥開度恢復至測量儀表故障前的開度。同時在DCS系統上彈出報警提示，由現場操作人員進行檢修處理。

3 實施效果

MAH裝置采用先進控制系統后，在工藝指標平穩性、操作勞動強度、貧油消耗、產品質量、蒸汽能耗等方面都取得了明顯成效。

在裝置平穩性上，先進控制克服了干擾變量對關鍵工藝變量的影響，降低了操作人員的勞動強度，使關鍵溫度變量標準偏差降低50%以上，關鍵液位標準偏差降低23%以上，提升了裝置穩定性。以汽提塔塔頂溫度、富油儲罐液位為例，投用先進控制系統后測量值的標準差分別提升72.18%和47.41%，其在先進控制系統投運前后48 h內的趨勢對比如圖3、圖4所示。

圖3 先進控制系統投運前后汽提塔塔頂溫度趨勢對比

圖4 先進控制系統投運前后富油儲罐液位趨勢對比

在貧油消耗上，通過卡邊控制，有效降低貧油單耗1.93%，達到了先控目標，并使得MAH產品質量有了明顯提升，產品質量分數穩步提高，雜質含量及其波動明顯下降。先進控制系統投運先后產品質量分析數據對比如圖5、圖6所示。

圖5 先進控制系統投運前后MAH產品質量對比

圖6 先進控制系統投運前后MAH產品雜質含量對比

經計算，投運前輕組分塔采樣點MAH質量分數平均值為99.980 4%，標準差為0.003 37，投運后MAH質量分數平均值為99.983 2%，標準差為0.002 39，產品質量分數和穩定性均呈穩定提升的趨勢，實現了“卡邊”優化。

經計算，投運前產品雜質含量(丙烯酸)的數據平均值為130.03 mg/kg，標準差為31.48，投運后平均值為96.54 mg/kg，標準差為20.04，降幅分別為25.76%和36.34%。產品雜質含量波動變小，且與投運前相比明顯降低，產品質量穩定性提升較為明顯，投運效果較為直觀。

在蒸汽能耗方面，通過精制單元成品塔的卡邊優化控制，使得蒸汽用量降低下降3.6%，達到了預期目標，直接年經濟效益近180萬元。

4 結 論

將先進控制技術引入馬來酸酐裝置，有效提升了生產過程的自動化水平和平穩性，通過“卡邊”優化，實現節能降耗的預期目標，并通過設計多功能模塊提升MAH裝置生產管理的便捷性。該先進控制系統操作簡便，控制效果優良，在正常生產過程中可連續平穩運行。