煤制甲醇精餾裝置“零手操系統”的應用

徐艷霞，張林棟，呂 蒙，劉文烈，王瑞華

(1.國家能源集團寧夏煤業(yè)公司 烯烴一分公司，寧夏 銀川 753000；2.浙江中智達科技有限公司，浙江 杭州 310012)

1 甲醇精餾工藝流程簡介

某廠的煤制甲醇生產能力為200萬t/a，生產工藝為“魯奇甲醇精餾工藝”，主要設備包括預塔、加壓塔、常壓塔。加壓塔頂部的甲醇蒸汽作為常壓塔再沸器的熱源，塔底再沸器冷凝液作為預塔的部分熱源，采用雙效三塔工藝。

合成生產的粗甲醇進入膨脹罐進行閃蒸。經過閃蒸的粗甲醇進行精餾。來自罐脹的粗甲醇進入預塔。殘留在甲醇中的溶解氣(CO、CH等)和低沸點的副產物(二甲醚和甲酸甲酯)和甲醇蒸汽一起從塔頂出來，經過預塔冷凝器冷凝，大部分甲醇冷凝收集到預塔回流罐，經預塔回流泵送回塔頂，作為預塔的回流液。回流罐中的不凝氣通過尾氣冷卻器進一步冷卻，少量甲醇從尾氣中冷凝后返回預塔回流罐，剩余的尾氣在加熱后送出界區(qū)作為燃料。除去低沸點雜質的甲醇從塔釜進入加壓塔。在加壓塔和常壓塔中，甲醇中的高沸物從甲醇中分離出來[1]。加壓塔塔頂甲醇冷凝液收集在加壓塔回流罐內。一部分精甲醇通過加壓塔回流泵返回塔頂作為回流液，剩余的甲醇進一步精餾送入精甲醇中間罐。加壓塔的熱量由低壓蒸汽通過加壓塔蒸汽再沸器提供，含高沸物的甲醇通過塔釜排出作為常壓塔的進料。常壓塔在常壓下操作，功能和加壓塔相似。

2 工藝控制過程分析

1) 負荷波動的操作控制。當合成產的粗甲醇波動時，精餾裝置的膨脹槽(粗甲醇緩沖槽)容積有限，要實時調整預塔的進料量，但是人操作很難把控物料平衡點，操作人員勞動強度大。為了系統在一定時間內的穩(wěn)定，操作人員“卡”膨脹槽液位上限和下限操作，即當液位高于上限或低于下限時，突然增加或者減少預塔進料量，導致預塔負荷基本呈周期性變化。預塔進料負荷調整后，加壓塔和常壓塔負荷也得同時調整，從預塔傳遞到加壓塔，加壓塔傳遞到常壓塔，塔與塔之間物料傳遞時滯大概在 20 min。塔的負荷波動導致熱平衡被打破，調整負荷的同時預塔和加壓塔的蒸汽量也得同時調整。由于加壓塔頂部的甲醇蒸汽作為常壓塔再沸器的熱源，塔底再沸器冷凝液作為預塔的部分熱源，導致熱量傳遞時滯大概為 33 min，甲醇三塔形成了大波動、大滯后、強耦合、多變量的控制對象，這對操作人員的操作經驗、敬業(yè)精神、工況預判等專業(yè)知識和職業(yè)素養(yǎng)尤其重要。

2) 產品質量的控制。①定回流量：由于精餾裝置三塔控制形成了大波動、大滯后、強耦合、多變量的控制對象，為了使系統易操作、產品質量可控，應盡量減少干擾因素，因此精餾三個塔的回流量由車間管理人員給定，未放權給操作人員控制，系統基本處于高回流比的模式下生產，造成產品質量過剩、蒸汽消耗高。②定常壓塔頂溫度：由于加壓塔頂部的甲醇蒸汽作為常壓塔再沸器的熱源、加壓塔只控塔釜液位、常壓塔控制塔頂溫度，只要確保加壓塔塔釜液位穩(wěn)定，常壓塔塔頂溫度在指標內波動，基本能滿足甲醇純度要求。但是如果碰到蒸汽壓力波動、負荷波動、蒸汽與負荷波動匹配度失衡，或者下雨等外部因素影響時，加壓塔和常壓塔塔頂壓力波動較大，塔頂溫度不再表征甲醇含量，容易造成產品質量波動。

3) 蒸汽管網壓力波動的控制。當蒸汽壓力波動時，傳導到常壓塔頂溫度，大概需要 30 min。如果看到溫度波動后才去調整(已經來不及)，三個塔的指標都會很亂，操作人員一時半會找不到平衡點，需要不停的調整各個塔的參數，操作強度大，短時間內也調不平穩(wěn)。

4) PID回路基本都是流量控制。塔的關鍵指標控制，如塔釜液位、回流罐液位、塔頂溫度、塔釜溫度、塔頂采出和塔釜采出，都需要人工控制，操作強度大(操作次數大概為600次/d)。

5) 突發(fā)工況沒有預警機制。當看到工況發(fā)生變化后再去調整，只能憑操作人員經驗臨時處理。由于大滯后原因，特別是負荷突然大幅度波動、或者下雨的時候，已不得及時調整了。

3 “零手動系統”控制策略及控制器搭建方法

烯烴一分公司已經引進了多套先進控制系統(APC)[2]，為節(jié)能降耗、平穩(wěn)操作，發(fā)揮了極大的作用。但在系統波動較大時，需要切換到人工操作，系統的穩(wěn)定性較差，只能在常規(guī)的工況中使用。“零手動系統”，正好解決了這一個問題。

零手動操作也叫全流程或全裝置無人值守系統。通過系統自動化升級改造，打造數字化生產裝置，可以實現全流程或者全裝置操作次數為零的控制系統。

3.1 零手操系統控制策略

3.1.1 控制器設計

甲醇精餾裝置的任務是去除粗甲醇中所含的水分、二甲醚、烷烴、高級醇，以及溶解氣等雜質，從而得到合格的精甲醇產品。

甲醇精餾雙效三塔工藝，把熱量平衡和物料平衡揉在整個控制系統中，形成強關聯、強耦合、大干擾、大滯后的典型的多變量控制系統。要實現該精餾塔組控制平穩(wěn)、產品合格，還要達到節(jié)能降耗、增產增效、無人操作的目的，得對物流平衡和熱量平衡強耦合性逐級解耦。強關聯性使用同步控制方法，大滯后有效前饋設置，負荷變化分級化解。

1) 精餾塔強耦合性的解耦辦法

在該精餾工藝里，找到耦合性最強的幾個要素，逐一解耦。

①熱量平衡解耦。在該工藝中，由于常壓塔不提供外部熱量，只有加壓塔塔頂甲醇蒸汽作為再沸器的熱量來源，導致熱量平衡是2個塔之間的強耦合性之一。常壓塔塔頂溫度能表征產品質量，因此，把常壓塔塔頂溫控制平穩(wěn)，就基本能保證產品質量(塔壓波動除外)。而常壓塔塔頂溫度除了跟加壓塔頂部的甲醇蒸汽量強關聯之外，還跟加壓塔塔釜采出流量(常壓塔進料)、常壓塔回流量、常壓塔塔頂壓力有關。在控制器搭建時，都有模型關系。解耦辦法是：當常壓塔塔頂溫度波動時，需要調整熱量平衡分支，滿足熱量平衡要求。最先考慮的是用加壓塔頂部的甲醇蒸汽量，但是加壓塔頂部的甲醇蒸汽量是加壓塔的塔頂采出，而加壓塔的塔頂采出得考慮加壓塔本身的熱量平衡控制，所以如果需要增加或者減少加壓塔塔頂的甲醇蒸汽量，在滿足加壓塔控制約束條件下，可以先調節(jié)加壓塔再沸器的蒸汽量來控制加壓塔塔頂甲醇蒸汽量，從而達到間接調節(jié)加壓塔塔頂甲醇蒸汽量的目的。如果加壓塔塔頂甲醇蒸汽量不能滿足加壓塔控制約束條件，加壓塔塔頂甲醇蒸汽量從操作變量轉變?yōu)楦蓴_變量，此時常壓塔的塔頂溫度需要依靠常壓塔回流量來調節(jié)，達到熱平衡解耦目的。簡而言之，常壓塔塔頂溫度的控制，如果加壓塔塔頂甲醇蒸汽量能滿足操作變量的要求，采用加壓塔塔頂甲醇蒸汽量和常壓塔回流量作為常壓塔頂溫控制的操作變量，塔頂壓力通過壓力溫度補償，確保常壓塔溫度的準確性，干擾變量為常壓塔的進料量(加壓塔塔釜采出)，建立模型關系；如果加壓塔塔頂甲醇蒸汽量不能作為操縱變量，轉換成干擾變量后，常壓塔塔頂溫度控制手段主要為常壓塔回流量。控制器模型搭建好后，零手操控制系統根據工況識別，自適應選擇合適的控制策略，控制常壓塔塔頂溫度。

②物料平衡解耦。精餾塔穩(wěn)定控制的重要前提是能讓精餾塔進料穩(wěn)定。該工藝中，加壓塔的塔釜采出為常壓塔的進料量，要想保證常壓塔的進料穩(wěn)定，必須保證加壓塔塔釜液位穩(wěn)定。加壓塔塔釜液位作為被控變量，加壓塔再沸器的蒸汽調節(jié)閥和回流閥為操作變量，加壓塔塔頂溫度上下限為約束條件，建立控制器，實現對加壓塔塔釜液位的平穩(wěn)控制，達到解耦加壓塔和常壓塔物料平衡的策略。

2) 強關聯性同步控制方法

在生產負荷穩(wěn)定的情況下，各塔的物料平衡和熱量平衡通過各級微調，基本可以滿足平穩(wěn)控制要求。強關聯性發(fā)生在負荷大幅波動的工況下，各級平衡被打破，要科學合理同步調節(jié)各塔的操作變量，達到新的物料和熱量的動態(tài)平衡。具體方法為：根據合成氣的變化量，實時虛擬換算成粗甲醇的產量。如果粗甲醇產量觸發(fā)“同步協調控制”的條件，根據精餾塔當前流量計顯示值，各塔之間經驗傳遞滯后時間，按一定比例緩慢同時調節(jié)：預塔進料流量調節(jié)閥、預塔再沸器蒸汽流量調節(jié)閥、預塔塔釜采出流量閥；加壓塔再沸器蒸汽調節(jié)閥、加壓塔回流量調節(jié)閥、加壓塔塔釜采出流量閥；常壓塔回流閥、常壓塔塔頂采出量。零手操控制系統通過工藝計算、模型搭建、操作等級設置等手段，不管什么工況，能實時調整物料平衡和熱量平衡的操作手段，滿足各塔的工藝需求。

3) 大滯后有效前饋設置方法

滯后分為塔本身的滯后和系統的滯后。單塔自身滯后前饋設定：先找出關聯變量滯后的時長，根據滯后時長計算出一套控制規(guī)則，當識別到工況發(fā)生變化后，控制器自適應響應調節(jié)頻率和大小，滿足物流平衡和熱量平衡的新平衡要求。加減負荷前饋設定：前饋計算從甲醇合成氣開始計算，根據當前合成氣的量，計算出粗甲醇的量；根據負荷傳遞速率，計算負荷波動影響指標的相關變量；根據滯后時間規(guī)則，提前同步和干預負荷變化帶來的影響。

4) 負荷變化分級化解方法

根據現場工況，設置負荷變化觸發(fā)條件，條件設置維度有2個，一個是變化量，另外一個是變化時長。仍是根據合成氣的量，計算粗甲醇的一個產量(合成氣經過合成反應后生成的粗甲醇到精餾裝置的膨脹槽，大概 15 min)；根據合成氣的量，提前計算粗甲醇的產量；根據產量的變化的數量級和時長，同步調節(jié)各相關負荷變化影響指標控制的量。

升負荷規(guī)則：①以 2 t/h 的增量提高預精餾塔的進料甲醇流量；②在保證預塔溫度前提下，緩慢提高蒸汽流量，以約 1.7 t/h 成比例地提高；③以2.5～2.7 t/h 成比例地提高加壓塔的回流甲醇流量；④以約 2.2 t/h 成比例地提高常壓塔的回流甲醇流量。

降負荷規(guī)則：①遵從降負荷，降進料-降蒸汽-降回流原則；②以 2 t/h 的增量降低預精餾塔的進料甲醇流量；③保證預塔溫度前提下，緩慢降低預塔再沸器蒸汽流量；④以大約 1.7 t/h 成比例地降低來自加壓塔再沸器蒸汽流量；⑤以2.5～2.7 t/h 成比例地降低加壓塔的回流甲醇流量；⑥以約 2.2 t/h 成比例地降低常壓塔的回流甲醇流量。

3.1.2 控制器變量關系表

零手操系統通過智能控制軟件工藝計算、建模等方法，搭建一套復雜的控制邏輯關系程序。搭建模型前，需要把相關的變量關系整理清晰。表1羅列了各控制器的控制變量之間的關系。

表1 零手操系統控制器變量關系列表

3.1.3 零手操控制系統載體

零手操控制系統通過智能控制軟件實現復雜的關聯裝置、關聯控制回路的設計、建模，應用高級技術和數學模型來實現更復雜、更精確的過程控制。控制器設計根據裝置工藝特點，結合分析裝置生產相關數據、工程經驗、裝置設備等。“控制器建模”功能負責實現控制器組態(tài)，從“控制器參數” “操作變量” “干擾變量” “被控變量”幾個角度給出相關參數，最終實現多變量控制器設計。通過工藝調研制定控制系統中的被控變量、操縱變量以及擾動變量，控制器通過參數配置可實現一對多或多對多控制，包括權重分級和引入控制變量進行預測控制。確保所有受控變量的控制等級高于目標值控制等級。一對多控制中，選擇主要受控變量作為優(yōu)先控制變量，并進行受控等級的二次權重分配；多對多控制中，選擇控制效果好且工藝允許的變量作為控制變量，其他變量作為擾動變量，實現多變量預測控制。

目前，該廠煤制甲醇裝置精餾裝置采用霍尼韋爾PKS集散控制系統對生產進行監(jiān)測與控制。項目實施引進智能控制服務器部署完成后，安裝對應軟件實現與霍尼韋爾DCS實時數據庫PHD之間的實時數據聯通。涉及的軟件有：微軟操作系統、零手操智能控制制軟件及 DCS 廠商提供的OPC接口軟件[3]。零手操系統架構如圖1。

圖1 甲醇精餾裝置零手操系統架構圖

4 零手操控制系統應用效果

4.1 關鍵指標穩(wěn)定性趨勢圖投零手操系統前后對比

預塔控制器投用前后塔釜液位趨勢如圖2，相關數據見表2。

(a)2023/7/31-2023/8/3投用前 (b)2023/8/18-2023/8/21投用后

表2 預塔塔釜液位投用前后數據對比

加壓塔塔釜液位控制器投用前后趨勢如圖3，相關數據見表3。

(a)2023/7/31-2023/8/3投用前 (b)2023/8/19-2023/8/22投用后

表3 加壓塔塔釜液位投用前后數據對比

4.2 操作次數和報警次數投零手操系統前后對比

投用零手操控制系統后，操作次數從615次/d，降到2次/d；報警次數從941次/d，降到125次/d，降低幅度達87%，見表4。

表4 甲醇精餾裝置零手操系統投運前后操作次數和報警次數對比表

三塔精餾系統完成零手操控制系統投用后，各塔的關鍵指標穩(wěn)定性得以大幅提高，波動幅度平均降低50%以上，操作次數從700多次降低到基本為0，實現了機器換人，DCS操作員轉變?yōu)楸O(jiān)控員，同時蒸汽消耗得以降低1.2%，產量提高了0.3%。

5 結束語

甲醇精餾裝置零手操控制系統的成功應用，給生產管理和操作模式帶來變革，同時產生了很高的經濟價值。

1)推動了生產模式變革。零手操系統上線后，DCS崗位從“操作員”變“監(jiān)護員”，解放出更多的生產力，讓更多的員工成為思考者、創(chuàng)造者，不斷將智慧聚集到運營管理當中，為傳統化工生產變革為數字化生產。

2)提升裝置本質安全水平。日均操作數量基本為0，大大降低了傳統化工行業(yè)人為干預帶來的安全風險，最大程度消除人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)，提高裝置本質安全水平。

3)零手動操作改造讓裝置變得更加“透明”，可以將隱藏在“黑暗”中的隱患暴露在“陽光下”，讓裝置從本質上更加安全。操作頻次的下降，最大程度減少操作員誤操作造成的事故隱患，從技能、管理、素養(yǎng)上將操作員培養(yǎng)成監(jiān)控員，提供解決問題的能力，提升員工的幸福感和獲得感。

4)實現生產節(jié)能減排降碳。零手動操作在原來傳統控制的基礎上進一步優(yōu)化升級，對裝置控制的穩(wěn)定和能源控制的精準性都有了很大的提升，節(jié)能降耗成效比較明顯。