輕烴分餾裝置操作優化方案

鄭 凱

（大慶油田化工有限公司慶升化工廠，黑龍江大慶 163000）

以我國中型輕烴分餾生產企業的處理能力為例，輕烴分餾裝置每年可以處理三十萬噸物料，操作時長超過7500h。生產反應裝置順序連續精餾運行，產出物應用廣泛，包括民用液化氣，車用液化氣，溶劑油，燃料氣等。所有產物均具有易燃易爆特性。輕烴分餾的工序較為復雜，裝置操作較為精密，經過原材料預熱、產品冷卻、脫丁烷塔、脫戊烷塔、脫己烷塔、脫正己烷塔、分餾等工序完成生產。輕烴分餾裝置作為典型的精細化工精餾塔體系完成物理分餾，生產過程較長，干擾因素較多。亟待技術工藝改進，優化裝置操作，以達到提高生產最終高價值產品生產率，降低原材料和產品損失，提高資源利用率的目的。

1 輕烴分餾裝置操作存在的問題

1.1 精餾塔不易控制

輕烴分餾整個反應過程須使物料順序經過不同的精餾塔，這一過程遇到較多變量，是非線性強耦合控制對象。而當前的控制系統化僅可控制單一變量，就很難滿足精細化生產需求。需要對裝置操作進行優化，控制多個變量，確保生產穩定進行。

1.2 反應干擾因素較多

當前輕烴分餾裝置操作過程存在各種干擾因素，頻繁干擾物料和能耗投入、物料投入裝置的量、物料成分變化、精餾塔頂和精餾塔底的溫度變化，以及裝置中的環境變化等，這些因素都會影響整個裝置操作的穩定性，并對最終產物的質量產生影響。特別是精餾過程物料組成如果發生變化，精餾塔頂和塔底溫度發生細微改變，都會給反應帶來干擾，屬于要精確控制的指標。

1.3 生產工藝有待改進

當前生產企業使用的主流輕烴分餾裝置為多個精餾塔順序串聯運行的工藝技術。各個精餾塔之間屬于上游、下游工藝的關系。上游的精餾塔工況和狀態直接影響下游精餾塔的生產情況。如果在生產過程中最初的精餾塔發生不良情況卻未被發現或者未得到及時整改，則后續的裝置操作都容易被誤導，生產全過程均受到影響。

1.4 自動化程度有待提高

當前的分布式計算機控制系統的自動化能力還有待提高，需要有經驗的工作人員根據生產過程進行人工操作調整，但是人工操作存在操作習慣不同導致的結果不同，以及操作時間點滯后等問題，仍然會給精餾過程帶來影響。

2 輕烴分餾裝置操作優化目標

輕烴分餾裝置操作需要進行多變量的控制，對非線性、強耦合的精餾過程進行精細調整操作，特別是精餾塔系列存在的順序精餾過程，裝置操作需要考慮精餾塔之間的強耦合性。在輕烴分餾裝置操作過程中，要考慮到輕烴分餾塔各個參數變量的關聯性，同時也要考慮精餾塔上下游環節之間的關聯性。上游精餾塔的工況會直接影響下游精餾塔的工況，參數與變量的擾動必然在全體分餾塔系中傳遞擴散。因此必須對輕烴分餾裝置操作進行優化，控制多個變量，減少擾動問題。通過對輕烴分餾過程的精細化控制，可以克服輕烴分餾預處理裝置中物料和能耗帶來的兩類擾動，確保整個輕烴分餾過程的穩定性。在此基礎上，提高最終產品的獲取率，提高生產經濟效益。結合輕烴分餾裝置操作的特點，本研究針對輕烴分餾裝置中一系列精餾塔和液化氣分餾塔等進行裝置控制優化，以多變量控制、非線性控制和魯棒預測控制為基本思想，解決輕烴分餾裝置控制遇到的各類問題。總的來說，裝置操作優化除了可以實現對輕烴分餾生產過程進行自動化控制，還能夠根據生產的不同需求和裝置操作變化進行最終生產情況預測。利用局部優化的裝置操作優化策略控制裝置回路參數，降低各個關鍵環節相關參數變量的偏差，實現質量卡邊控制，提高產品質量，讓裝置平穩運行，給定裝置合理的生產約束，最終降低生產成本，高效利用物料和能耗。

3 輕烴分餾裝置操作優化策略

對輕烴分餾裝置進行優化，首先要改進裝置控制系統的硬件部分。因當前大部分精餾裝置仍然以分布式計算機控制系統為基礎，該系統可以兼容先進的控制系統，通過控制系統上位機運行實現高效通訊，讓數據得以雙向交換，提高裝置數據傳輸效率，并且數據傳輸穩定性好，安全性高。

輕烴分餾裝置包含成系列的精餾塔，各個精餾塔之間關系密切，彼此串聯，互相影響。要優化裝置操作，必須將一系列精餾塔作為一個整體來看待，進行整體控制。為提高控制精確性，所有精餾塔中都要具備各自的控制系統。采用模型識別系統能夠對所有精餾塔進行識別，并獲取精餾塔的操作參數，包括塔頂溫度、塔底溫度、回流量、蒸汽流量等，這些參數、變量會影響整個精餾過程，其中的聯系可用于構建內部操作模型。根據采用的工藝和實際生產狀況選取合理的參數軌跡，對不同類型的變量加以約束，對所有精餾塔目標進行精確控制[1]。

3.1 脫丁烷塔操作優化

對脫丁烷塔進行優化方案的設計，針對該分餾塔的各個變量的情況對具體數值范圍進行控制。如果變量再沸器的返塔溫度、塔頂溫度、塔底溫度、物料進料的預熱溫度等全部處于合格范圍內，變動量在誤差范圍內，則裝置控制器要借助再沸器的蒸汽閥位、預熱器的蒸汽閥位來確保塔頂溫度處于正常運行范圍內，實現對回流量的控制。如果再沸器的蒸汽閥位、預熱器的蒸汽閥位已經達到裝置操作要求的極限，那么塔頂溫度可能無法保持或者很快就無法維持下去了。再沸器的蒸汽閥位、預熱器的蒸汽閥位也會很快突破極限數值。要確保對脫丁烷塔進行裝置優化操作，要為控制過程設計合理的模型，經過模型計算，對回流量、再沸器的蒸汽閥位、預熱器的蒸汽閥位等數值進行調整，確保這些數值都能夠處于系統要求的合理范圍之內[2]。根據最終產物需求，這些數值要和目標值溫和，確保塔頂溫度、塔底溫度得到穩定保障。在這樣的情況下，再沸器的返塔溫度、塔頂溫度，都能夠處于合理范圍內。如果參數有偏差，則可以調節回流量達到最大值，用以調整脫丁烷塔的操作參數。

3.2 脫戊烷塔操作優化

脫戊烷塔操作過程中，如果變量再沸器返塔溫度、塔頂溫度、塔底溫度和物料預熱溫度都處于系統要求的范圍內，則控制器維持塔頂溫度，讓回流量穩定變化。操作優化方案要運用再沸器蒸汽閥位以及預熱器蒸汽閥位完成系統調節。預熱器和再沸器的蒸汽閥位都處在系統要求的數值范圍內，但是出現了塔頂溫度難以維持的問題時，要調節塔內的回流量，讓塔頂的溫度保持不變。如果塔頂溫度處于設定數值的上限位置，脫戊烷塔操作控制優化方案要根據有關模型進行計算，采取一系列調節措施，確保物料回流返塔溫度，例如，降低物料預熱溫度、調節再沸器蒸汽閥位、降低物料回流量等。經過這些措施，塔頂溫度和返塔溫度仍然無法達到系統要求的數值，則借助操作優化方案調節控制器，讓回流量達到最小。如果塔頂溫度下限高于再沸器返塔溫度時，設定的數值要低于塔頂溫度變量。為了有效保障塔頂溫度，如果再沸器塔頂溫度與物料返塔溫度相差較大時，可以控制回流量以穩定系統，一般會將回流量調節到最大值。

3.3 脫己烷塔操作優化

作為承上啟下的分餾塔，常規裝置操作方案對工藝設備和生產過程中的塔內各部分溫度、物料流量、物料液位、壓力等分別進行控制，構成各個獨立的控制回路。該分餾塔中，設法調整回流量，降低之前分餾塔帶來的影響，同時穩定塔內壓力，確保組分正常，減少對下個分餾塔的影響。

3.4 脫正己烷塔操作優化

作為系列分餾塔的下游塔，脫正己烷塔受前端塔的工況影響較大。為了維持產品組分，前面的幾個分餾塔一直以塔頂溫度為組分測量的關鍵值。塔內溫度受到壓力影響也非常明顯，即使是同樣組分的產品，在不同的塔內壓力下，也會出現不同的溫度。因此在脫正己烷塔中，將壓力對溫度的影響考慮進去，消除壓力對溫度產生的不良影響，確保產品質量。

消除壓力波動對塔頂溫度帶來的影響，可通過壓力補償溫度的操作方式來實現。通過計算模型來呈現壓力與溫度之間的關系，將某個標準壓力值和溫度值作為目標基準值。在該基準之下，產品處在標準溫度，則該塔內生產情況是合格的。裝置實際溫度及實際壓力，通過壓力補償，轉化為標準值，裝置操作優化方案不斷調節再沸器的蒸汽量，讓補償后的溫度一步步趨向標準溫度。

3.5 基礎回路整改

為了實施輕烴分餾裝置操作優化設計，必須重視基礎回路整改工作，增加自動檢測儀表和自動調節裝置，組建有效的基礎控制回路，增加調節手段。基礎自動化水平和先進控制水平互相適應，就能夠充分發揮自動化控制策略的效能，提升裝置效率。

原本的系統回路中，分餾塔采用雙端組分控制模式，調節蒸汽量和加熱溫度，以回流量變化來調節塔頂溫度，從而控制塔頂產品組分含量。常規控制回路如下：塔底溫度和蒸汽量構成的控制，塔頂溫度和回流量構成的控制，塔底液位和塔底處出力量構成的控制，回流罐液位和塔頂出力量構成的控制。實際操作過程中，因各種因素影響，很難達到預想的控制效果，塔底的液位和塔底的出力量雖然可以正常工作，但是流量波動較大，對系列分餾塔中的下個塔操作影響較大，或者調節滯后問題較為嚴重。以上問題主要在于流量測量回路測量的噪聲過大，與PID參數整合不科學導致的。在流量測量回路上增加了濾波器，增大流量測量設備的阻尼系數，重新設定PID參數，改善了系列分餾塔各個回路的控制效果，讓控制波動更加及時，幅度降低，變化趨勢變換。

4 輕烴分餾裝置操作優化效果

4.1 應用效果對比

對系列分餾塔的裝置優化效果加以對比。經過操作優化的塔頂溫度穩定性如表1～表4所示。分別對各個分餾塔的塔頂溫度的平均值、極值、標準方差、標準方差變化率加以分析。

表1 脫丁烷塔塔頂溫度運行穩定性比較

表2 脫戊烷塔塔頂溫度運行穩定性比較

表3 脫己烷塔塔頂溫度運行穩定性比較

表4 脫正己烷塔塔頂溫度運行穩定性比較

由以上數據可知，精餾塔系列在采用了裝置操作優化方案之后，塔頂溫度的波動幅度得以降低。并且在最大值、最小值比較上，也有明顯改善。采用裝置操作優化方案之后，塔頂溫度的標準方差減小，整個裝置的參數波動更小，有效改善了裝置操作的滯后性及強耦合問題，與之相關的是，塔底再沸器蒸汽閥的周期性波動幅度也得以降低，體現了裝置優化方案的控制效果。

4.2 能耗效果對比

將輕烴分餾裝置操作優化前后的蒸汽用量進行對比，結果如表5所示。

表5 輕烴分餾裝置操作優化前后的蒸汽用量對比

根據以上數據可知，裝置操作優化之后，蒸汽消耗有所降低，單耗有所降低，為企業減少生產成本。

由系列精餾塔的運行穩定性以及能源消耗量可知，輕烴分餾裝置操作優化改進之后，可有效改善系統參數波動較大的問題，讓整個生產過程更加穩定，與此同時，操作強度降低，資源利用率得以提高。

5 結語

輕烴分餾是石油化工行業的重要生產領域之一。對輕烴分餾的工藝過程進行有效控制，可以提升最終產品的質量。研究了輕烴分餾裝置操作優化方案，借助先進的控制思想和技術，讓整個輕烴分餾裝置平穩運行，改善原本的參數波動問題，增加裝置穩定性，降低操作人員操作強度，提高裝置自動化水平，所得產品的產率提高，物料和能耗資源利用率更高，為企業帶來了更好的經濟效益。