基于DeltaV的精餾塔溫度多重控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李 文

（國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司烯烴一分公司）

國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司烯烴一分公司某甲醇制烯烴裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)MTP裝置）采用德國(guó)魯奇工藝技術(shù)，以甲醇為原料，在催化劑的作用下經(jīng)過(guò)反應(yīng)、 壓縮及精餾等工段將丙烯分離提純出來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)丙烯50萬(wàn)噸［1～3］。 近幾年隨著國(guó)家供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革和高質(zhì)量發(fā)展要求， 特別是“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，公司積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，提出“節(jié)能降耗、提質(zhì)增效”戰(zhàn)略定位，從裝置異常報(bào)警治理和清潔文明生產(chǎn)兩方面為抓手，提高裝置運(yùn)行穩(wěn)定性和產(chǎn)品收率。 筆者作為儀表技術(shù)人員積極行動(dòng)， 摸排分析MTP裝置報(bào)警多的原因， 最終確定精餾塔因采用傳統(tǒng)單回路PID控制時(shí)滯性大而引起參數(shù)報(bào)警， 此類(lèi)報(bào)警占總報(bào)警數(shù)的75%。因此，分析解決精餾塔溫度波動(dòng)報(bào)警多和采取有效控制措施降低報(bào)警以提高精餾塔穩(wěn)定性是十分必要的。

1 精餾塔工藝流程

精甲醇先進(jìn)入離子交換器緩存后與工藝蒸汽、循環(huán)烴混合進(jìn)入MTP反應(yīng)器，在沸石催化劑的作用下生成以丙烯為主的低碳烴類(lèi)混合物，該類(lèi)混合物經(jīng)分離壓縮后生成C2～C8組分的氣態(tài)烴，通過(guò)脫乙烷塔、脫丙烷塔、脫丁烷塔及脫己烷塔等8個(gè)精餾工段將丙烯分離提純出來(lái)， 同時(shí)副產(chǎn)出一定量的混合芳烴、乙烯及液化石油氣產(chǎn)品。

圖1是MTP裝置8個(gè)精餾塔之一的脫己烷塔工藝流程，該塔為板式精餾塔，自上而下由40層塔板構(gòu)成，來(lái)自分離壓縮工段的C5及更重的C6、C7、C8組分氣態(tài)烴進(jìn)入精餾塔，通過(guò)塔底中壓蒸汽調(diào)節(jié)閥TV4101控制進(jìn)入再沸器的蒸汽量，進(jìn)而調(diào)節(jié)塔內(nèi)氣態(tài)烴溫度進(jìn)行氣液分離，發(fā)生精餾作用后重組分產(chǎn)品從塔底外送罐區(qū)儲(chǔ)存，溫度TT4101是塔底重組分監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)； 氣態(tài)輕組分C5/C6從塔頂經(jīng)空冷器降溫進(jìn)入回流罐，回流罐出口一部分輕組分經(jīng)回流調(diào)節(jié)閥FV4171控制返回精餾塔調(diào)節(jié)塔頂溫度，孔板流量計(jì)FT4171監(jiān)控回流量大小， 溫度TT4112是塔頂輕組分監(jiān)控的主要參數(shù)，TT4113是環(huán)境溫度。

圖1 精餾塔工藝流程

2 精餾塔基本控制

精餾塔是精餾裝置的核心設(shè)備，它控制得穩(wěn)定與否，不僅影響自身產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，還將直接影響下游精餾塔的控制。 現(xiàn)代化工裝置控制系統(tǒng)多采用經(jīng)典單回路PID控制器，其算法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好且可靠性高。 該方法是根據(jù)設(shè)定值r（t）和實(shí)際測(cè)量值c（t）構(gòu)成控制偏差e（t），即e（t）=r（t）-c（t），將偏差按比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制變量。 PID控制算法流程如圖2所示。

圖2 PID控制算法流程

其中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間常數(shù)，Ki=Kp/Ti為積分系數(shù)，Kd=KpTd為微分系數(shù)。

圖1精餾塔塔頂壓力和塔底液位采用經(jīng)典單回路PID控制方案，PIC4101和LIC4111分別將塔壓控制在 （0.31±0.05） MPa， 液位控制在30%～60%。

3 空冷器定速控制改造為變頻控制

精餾塔塔頂輕組分降溫一般采用循環(huán)水冷凝器和空冷器方式，精餾塔塔頂輕組分氣態(tài)烴冷卻采用6臺(tái)380 V（AC）電機(jī)驅(qū)動(dòng)6臺(tái)定速風(fēng)機(jī)組成空冷器降溫，如圖3所示，電機(jī)除了能耗高，啟停瞬間還會(huì)引起精餾塔塔頂溫度波動(dòng)報(bào)警，當(dāng)塔頂溫度升高啟動(dòng)風(fēng)機(jī)瞬間溫度會(huì)有不同程度的下降過(guò)程，反之當(dāng)塔頂溫度下降停止風(fēng)機(jī)時(shí)會(huì)有不同程度的上升現(xiàn)象，啟停風(fēng)機(jī)瞬間引起溫度波動(dòng)報(bào)警問(wèn)題長(zhǎng)期困擾精餾崗位操作人員。 為此，將風(fēng)機(jī)定速控制改造為變頻調(diào)速控制方案是提高精餾塔工作效率、降低能耗和實(shí)現(xiàn)精確自動(dòng)化控制的最佳選擇。

圖3 空冷器組成結(jié)構(gòu)

將圖3空冷器中的1號(hào)和2號(hào)定速風(fēng)機(jī)通過(guò)增加變頻器改為變頻調(diào)速控制， 變頻器輸出0%～100%模擬信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可解決定功率風(fēng)機(jī)啟停過(guò)程對(duì)精餾塔塔頂溫度的擾動(dòng)問(wèn)題。 綜合考慮變頻改造投資成本和精餾塔負(fù)荷等因素，其他4臺(tái)風(fēng)機(jī)保持原來(lái)的定速控制。 變頻風(fēng)機(jī)控制原理如圖4所示。

圖4 變頻風(fēng)機(jī)控制原理

艾默生DCS控制器的接口AO卡輸出4～20 mA信號(hào)對(duì)應(yīng)變頻器頻率0～f1（f1一般為工頻50 Hz）。根據(jù)下式可以計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到調(diào)節(jié)精餾塔溫度的目的：

其中，x是DCS輸出的4～20 mA電流信號(hào)，f1是變頻器最高頻率，f是變頻器調(diào)速輸出頻率，n是電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，s是電機(jī)的轉(zhuǎn)差率（s的范圍為0～1），n1是風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，p是極對(duì)數(shù)。

4 多重控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

影響精餾塔穩(wěn)定控制的因素有進(jìn)料組分、進(jìn)料量、塔壓、溫度以及回流量等相關(guān)參數(shù)。 由于進(jìn)料組分實(shí)時(shí)變化，目前還沒(méi)有精準(zhǔn)的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行組分測(cè)量分析，一般在塔壓控制穩(wěn)定的條件下將精餾塔靈敏板溫度作為被控變量與加熱蒸汽調(diào)節(jié)閥構(gòu)成常規(guī)PID控制回路進(jìn)行塔溫調(diào)節(jié)［4］。王春艷和王孝紅將專(zhuān)家PID算法在VC++環(huán)境編程通過(guò)OPC通信實(shí)現(xiàn)精餾塔溫調(diào)節(jié)［5］；楊敏華提出一種間歇減壓精餾的自動(dòng)控制裝置，但所采用的塔頂壓力單回路PID控制存在大滯后現(xiàn)象， 無(wú)法應(yīng)用于大型連續(xù)精餾煤化工生產(chǎn)裝置［6］；李萬(wàn)清等提出一種精餾塔溫度調(diào)控裝置，將蒸汽自動(dòng)調(diào)節(jié)閥改為手動(dòng)閘閥并控制冷凝液緩沖罐內(nèi)蒸汽冷凝液液位［7］，這種方法需要裝置停車(chē)方可更換，因此經(jīng)濟(jì)、人力成本投資較高。

筆者設(shè)計(jì)了一種基于艾默生DeltaV系統(tǒng)的多重控制系統(tǒng)， 該多重控制系統(tǒng)由一個(gè)前饋-串級(jí)控制與分程控制組成，如圖5所示，具體包括塔頂溫度主控制器、塔底靈敏板溫度副控制器和環(huán)境溫度前饋控制器3個(gè)控制器，塔頂溫度TT4112、塔底靈敏板溫度TT4101、 環(huán)境溫度TT4113這3個(gè)被控變量，回流閥FV4171、蒸汽調(diào)節(jié)閥TV4101、變頻風(fēng)機(jī)1～2、 定速風(fēng)機(jī)3～6共計(jì)8個(gè)執(zhí)行器和被控對(duì)象精餾塔。

圖5 多重控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖5可知， 操作人員在艾默生DeltaV系統(tǒng)DCS畫(huà)面設(shè)定精餾塔塔頂期望的溫度值70 ℃，當(dāng)塔頂溫度測(cè)量值PV與設(shè)定值SP的偏差超過(guò)某個(gè)范圍（PV-SP>5 ℃）時(shí)，偏差經(jīng)過(guò)塔頂主溫度控制器PID運(yùn)算輸出啟動(dòng)一臺(tái)定速風(fēng)機(jī)進(jìn)行粗調(diào)，同時(shí)開(kāi)大回流閥 （FV4171為氣關(guān)閥，F(xiàn)IC4171控制回路為正作用），閥門(mén)開(kāi)大回流冷量增加，塔頂溫度會(huì)降低，如果啟動(dòng)一臺(tái)定速風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)塔頂溫度測(cè)量值仍大于設(shè)定值5 ℃以上，則繼續(xù)啟動(dòng)第2臺(tái)定速風(fēng)機(jī)。 當(dāng)溫度偏差在2～5 ℃時(shí)啟動(dòng)變頻風(fēng)機(jī)進(jìn)行精調(diào)，如果啟動(dòng)一臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)溫度降不下來(lái)就再啟動(dòng)一臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)。當(dāng)兩臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)都啟動(dòng)還無(wú)法降低溫度時(shí)，則關(guān)小蒸汽進(jìn)料調(diào)節(jié)閥TV4101 （TV4101為氣開(kāi)閥，TIC4101控制回路為正作用）。 關(guān)小蒸汽進(jìn)料后可能影響塔底靈敏板溫度TT4101，當(dāng)溫度測(cè)量值低于設(shè)定值時(shí)要開(kāi)大蒸汽調(diào)節(jié)閥， 同時(shí)還要調(diào)小塔頂回流量，確保塔頂、 塔底溫度達(dá)到期望值兼顧兩相流平衡。 圖6是多重控制系統(tǒng)程序流程。 相反，塔頂溫度降低時(shí)，主控制器輸出停定速風(fēng)機(jī)、關(guān)小回流閥FV4171，閥門(mén)關(guān)小冷量減少，塔頂溫度升高。主控制器根據(jù)溫度降低情況會(huì)自動(dòng)停止定速風(fēng)機(jī)，定速風(fēng)機(jī)啟停瞬間引起的溫度變化由變頻風(fēng)機(jī)調(diào)速補(bǔ)償，避免引起大幅波動(dòng)。 特別是環(huán)境溫度TT4113變化較大時(shí)，通過(guò)前饋控制提前反饋給主控制器及時(shí)調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)消除環(huán)境溫度變化引起的擾動(dòng)。

圖6 多重控制系統(tǒng)程序流程

5 改造后實(shí)施效果

現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)使用艾默生DeltaV系統(tǒng)， 該系統(tǒng)由工作站、控制器、集線器及I/O卡件等組成，各控制器與工作站之間用以太網(wǎng)連接， 每塊DeltaV控制器最多帶64塊輸入輸出卡件。 利用2021年裝置停車(chē)大檢修機(jī)會(huì)實(shí)施了多重控制系統(tǒng)方案，改造優(yōu)化后精餾塔塔頂溫度較改造前波動(dòng)減小明顯，波動(dòng)范圍降至±1.5 ℃，滿足公司精餾塔精餾段溫度波動(dòng)±3 ℃的操作規(guī)程要求。圖7是改造前、后的精餾塔塔頂溫度歷史趨勢(shì)。

圖7 使用多重控制系統(tǒng)前、后精餾塔塔頂溫度變化趨勢(shì)

通過(guò)變頻改造并實(shí)施多重控制優(yōu)化方案，除了降低塔頂溫度波動(dòng)外，冬季還減少了一臺(tái)定速風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，其電機(jī)功率為37 kW，根據(jù)寧夏氣候溫度變化特點(diǎn)，當(dāng)年10月到次年5月（共計(jì)243天）氣溫較低， 即可節(jié)能：37×24×243=215784 kW·h。根據(jù)國(guó)家有關(guān)部門(mén)公布的數(shù)據(jù)可知，火電廠平均1 kW·h 耗煤約0.32 kg， 則一年減少燃煤約：215784×0.32/1000=69.05 t，與此同時(shí)可減少二氧化碳、二氧化硫及氮氧化合物等有害物質(zhì)對(duì)大氣和環(huán)境的污染。

6 結(jié)束語(yǔ)

精餾塔是一個(gè)非常復(fù)雜的多變量耦合系統(tǒng)，混合物中各組分揮發(fā)度不同，其控制方式也不一樣。 筆者就混合氣態(tài)烴在板式精餾塔進(jìn)行氣液組分分離控制展開(kāi)討論， 針對(duì)定速風(fēng)機(jī)能耗高、擾動(dòng)大和常規(guī)PID控制滯后等缺陷， 提出先將精餾塔塔頂空冷器定速風(fēng)機(jī)改造為變頻調(diào)速控制，再將原來(lái)的單控制回路優(yōu)化為前饋-串級(jí)控制+分程控制的多重控制系統(tǒng)方案。 應(yīng)用結(jié)果表明該控制方案能夠?qū)崿F(xiàn)精餾塔溫度精確控制，提高產(chǎn)品收率，降低能耗，優(yōu)化后綜合效益顯著。