動態(tài)模擬技術在氣體分餾裝置先進過程控制項目實施中的應用

王 益 龍

(上海漢中諾軟件科技有限公司，上海 200120)

目前，隨著化學工業(yè)日益朝著集成化、大型化方向發(fā)展，化工生產(chǎn)過程自動化控制的技術水平也越來越高，傳統(tǒng)的控制策略已不能完全滿足生產(chǎn)要求，化工過程自動化控制正朝著先進過程控制(APC)的方向發(fā)展[1]。APC利用過程模型預測系統(tǒng)在一定的控制下的未來動態(tài)行為，在此基礎上根據(jù)給定的約束條件和性能要求滾動地求解最優(yōu)控制作用，并實施當前控制，再通過檢測實時信息校正更新對未來動態(tài)行為的預測[2]。歸結為模型預測、滾動優(yōu)化、反饋校正，主要解決大時滯、強耦合的多變量過程控制問題[3]。在多變量控制器中，一般被控變量多于操縱變量，用穩(wěn)態(tài)LP/QP技術，將過程推向約束的極限。目前APC技術正在煉油工業(yè)等流程行業(yè)內(nèi)得到快速推廣[4-5]。

本課題以氣體分餾裝置為例，介紹APC項目的實施效果，以及應對模型辨識困難挑戰(zhàn)時，動態(tài)模擬技術在其中的應用，可為同類型裝置APC控制提供參考。

1 氣體分餾裝置工藝流程簡介

圖1為氣體分餾裝置工藝流程示意。原料液態(tài)烴經(jīng)氣體精制裝置脫硫后送入原料緩沖罐，由脫丙烷塔(T201)進料泵送至進料換熱器與脫丙烷塔塔底重組分換熱后進入脫丙烷塔第27層塔盤。脫丙烷塔塔頂混合碳三組分經(jīng)塔頂空氣冷卻器冷凝后進入脫丙烷塔塔頂回流罐，回流罐的一部分物料經(jīng)脫乙烷塔(T202)進料泵進入脫乙烷塔第15層塔盤。脫丙烷塔塔底碳四、碳五餾分部分與進料換熱，然后經(jīng)過水冷卻器冷卻至40 ℃，進入MTBE系統(tǒng)原料緩沖罐或外送罐區(qū)。

圖1 氣體分餾裝置工藝流程示意

進入脫乙烷塔的混合碳三、碳二組分，經(jīng)分離后塔頂氣體經(jīng)塔頂冷凝器冷凝后進入脫乙烷塔回流罐，罐頂不凝氣壓控排入燃料氣管網(wǎng)，冷凝液經(jīng)回流泵送回脫乙烷塔塔頂作回流，塔底丙烷、丙烯混合物自壓進入丙烯塔A塔(T203A)第152層塔盤。

丙烯塔由A塔與B塔(T203B)組成，丙烯精制進料進入A塔后塔頂輕組分蒸餾到B塔，丙烯由B塔塔頂經(jīng)冷凝后進入回流罐，部分送入B塔塔頂作回流，部分經(jīng)冷卻后作為產(chǎn)品送出裝置，丙烷由A塔塔底作為產(chǎn)品送出裝置。B塔塔底釜液由丙烯塔釜液回流泵送至A塔頂部。丙烯塔重沸器用熱水作為熱源。

2 控制器結構設計

根據(jù)氣體分餾裝置的工藝特點及崗位劃分，設計兩個控制：脫丙烷、脫乙烷控制器和丙烯精制控制器，以滿足優(yōu)化控制目標。脫丙烷、乙烷控制器APC優(yōu)化控制目標：①實現(xiàn)脫丙烷塔自動提降量，保證塔進料平穩(wěn)；②優(yōu)化脫丙烷塔操作，穩(wěn)定塔頂、塔底溫度，提高分離精度；③優(yōu)化脫乙烷塔操作，穩(wěn)定塔頂溫度、壓力，塔底溫度，在保證碳二脫除效果的情況下，減少丙烯排放量。丙烯精制控制器APC優(yōu)化控制目標：①穩(wěn)定丙烯精制A塔塔釜溫度，保證分離效果，穩(wěn)定丙烷產(chǎn)品質(zhì)量；②穩(wěn)定丙烯精制B塔塔頂、塔底溫差，實現(xiàn)塔頂丙烯產(chǎn)品質(zhì)量卡邊。

表1和表2分別為脫丙烷塔、脫乙烷塔APC控制器結構和丙烯精制塔APC控制器結構。

表1 脫丙烷塔、脫乙烷塔APC控制器結構

表2 丙烯精制塔APC控制器結構

3 動態(tài)模型

APC控制技術采用矩陣控制理論，通過裝置階躍測試，收集數(shù)據(jù)，進行模型辨識，建立多個變量之間的關聯(lián)模型，以裝置為對象建立一個或幾個大的控制器，同時兼顧到多個變量之間相互變化的能力和設備能力，經(jīng)過預測、優(yōu)化出調(diào)節(jié)量后在線傳輸?shù)絇ID控制器的設定點上，對整個裝置進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。因此模型對于APC控制器的投用而言，至關重要。

由于丙烯精制A、B兩塔多達200層塔板，丙烯、丙烷產(chǎn)品要求質(zhì)量分數(shù)分別不低于99.5%和98.0%，兩端產(chǎn)品的在線分析頻次為1次/h，且丙烯分析儀測點為最終成品罐處，以上客觀現(xiàn)狀造成了該裝置穩(wěn)態(tài)時間長達10 h，操作人員日?？刂齐y度大，并限制了在裝置直接進行階躍測試的幅度和時長，增加了獲取可靠過程動態(tài)模型的難度。

Tuan等[6-7]利用Hysys建立脫丙烷塔動態(tài)模型，并利用該動態(tài)模型進行多變量過程影響分析。Cao等[8-9]利用Hysys建立丙烯精制塔動態(tài)模型，利用該模型分析各變量之間的動態(tài)相互影響。針對本項目的實際情況，考慮利用Aspen Hysys Dynamic軟件建立丙烯塔的動態(tài)模型，并利用該模型對各操作手段和主要干擾進行不同幅度、不同時間間隔的階躍，以獲取該過程的動態(tài)響應。圖2為丙烯塔Hysys模型，表3為Hysys建模基礎數(shù)據(jù)。

圖2 丙烯塔Hysys模型

表3 丙烯塔Hysys建?；A參數(shù)

圖3和圖4為丙烯塔Hysys模型的溫度、組成分布及與實際裝置溫度、組成分布的比較，結果表明該Hysys模型具有較高的可靠性。

圖3 丙烯塔Hysys模型溫度分布

圖4 丙烯塔hysys模型組成分布

在驗證丙烯塔Hysys動態(tài)模型可靠性之后，利用該模型進行階躍測試，以獲取裝置的動態(tài)過程響應。圖5～圖7所示分別為保持其他條件一定，提高丙烯塔塔頂抽出量、塔釜抽出量、熱水流量后，塔頂、塔釜組成隨時間的動態(tài)響應過程。

圖5 塔頂抽出量在12.75～14.75 t/h范圍變化對丙烯、丙烷產(chǎn)品純度的影響

圖6 塔釜抽出量在4.25～5.25 t/h范圍變化對丙烯、丙烷產(chǎn)品純度的影響

圖7 熱水流量在320～350 t/h范圍變化對丙烯、丙烷產(chǎn)品純度的影響

對上述丙烯塔Hysys動態(tài)模型進行階躍測試產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，利用Aspen APC模型辨識工具DMC Plus Model進行過程模型辨識，獲取的模型如圖8所示。

圖8 利用Aspen Hysys獲取丙烯精制塔APC控制器動態(tài)模型

4 APC投用效果

脫丙烷塔以進料量主控緩沖罐液位，允許液位在一定范圍內(nèi)波動，優(yōu)先保證進料量的穩(wěn)定；以空氣冷卻器變頻控制塔頂壓力；以回流量控制回流比及塔釜溫度；以塔釜蒸汽量控制塔壓和靈敏板溫度，且將靈敏板溫度推至下限，節(jié)省蒸汽用量；以塔頂抽出量協(xié)調(diào)脫丙烷塔回流罐液位和脫乙烷塔釜液位。

脫乙烷塔以水冷量控制塔壓和回流罐液位；以塔釜出料量控制塔釜液位，保證物料平衡；以塔釜熱源平衡回流罐液位及塔釜液位，穩(wěn)定全塔操作。

丙烯塔T203A、B以塔頂空氣冷卻器控制冷后溫度及塔頂壓力；以塔釜熱水量控制丙烯、丙烷產(chǎn)品純度，同時平衡塔釜及回流罐液位；再以丙烯產(chǎn)品質(zhì)量及回流罐液位指示丙烯外送量調(diào)整；以丙烷產(chǎn)品質(zhì)量指示丙烷外送量調(diào)整。

以上控制結構可以實現(xiàn)脫丙烷塔自動提降量，保證塔進料平穩(wěn)；優(yōu)化脫丙烷塔操作，穩(wěn)定塔頂、塔底溫度，節(jié)省蒸汽消耗量；優(yōu)化脫乙烷塔操作，穩(wěn)定塔頂溫度、壓力，塔底溫度，在保證碳二脫除效果的情況下，減少丙烯排放量；有效控制丙烯塔的丙烯、丙烷產(chǎn)品組成穩(wěn)定，降低丙烯產(chǎn)品質(zhì)量過剩的同時降低操作人員的勞動強度，具體控制效果參見圖9～圖11。

圖9 APC投用前后脫丙烷塔塔釜溫度

圖10 APC投用前后脫乙烷塔回流罐液位和塔釜液位

圖11 APC投用前后丙烯純度和丙烷純度

5 結 論

APC可有效克服裝置負荷波動、單元間擾動傳遞等問題，提高裝置的自動化程度，提升裝置的控制水平，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的卡邊控制，降低裝置物耗與能耗，提高裝置經(jīng)濟效益；此外，APC控制系統(tǒng)的投用還可顯著降低操作人員勞動強度。

當裝置現(xiàn)場階躍測試難度較大時，借助Aspen Hysys Dynamic構建動態(tài)模型，以此動態(tài)模型進行階躍測試，利用動態(tài)模型的階躍響應數(shù)據(jù)構建APC項目預測控制模型的方法可行，能夠顯著降低階躍測試的工作量，并減少對裝置的干擾。