先进控制在脱乙烷塔的应用

李文志

中沙（天津）石化有限公司

先进控制在脱乙烷塔的应用

李文志

中沙（天津）石化有限公司

本文介绍了先进控制系统在脱乙烷塔工艺上的应用，通过实施先进控制，降低了操作员劳动量，降低了脱乙烷塔塔顶碳三损失，塔釜碳二损失。

先进控制 脱乙烷塔 再沸

对于石油化工行业，自40年代至今采用PID控制规律的单回路系统一直是过程控制领域最主要的控制系统。PID控制算法简单，有效，可以实现一般生产过程的平稳操作与运行，但单回路PID控制并不适用于特性复杂的被控过程，不能满足生产工艺的特殊需要和高精度控制要求。50年代开始，过程控制领域出现了串级，比值，前馈等控制系统，这些系统在一定程度上满足了复杂生产过程，特殊生产工艺以及高精度控制的需要。随着过程工业日益走上大规模，复杂化，对生产过程的控制品质要求越来越高，常规PID控制器不能达到应有的控制质量，因为它无法预测未来。PID控制器根据当前的误差反馈信息来调整控制阀，当误差出现时，为时已晚，在这种情况下，先进过程控制出现了，习惯上把那些不同于常规单回路PID控制，并具有比PID控制更好控制效果的控制策略称作先进控制。先进控制是基于模型的, 并以系统辨识（最小二乘法为基础）、最优控制 （极大值原理和动态规划方法等）以及最优估计（卡尔曼滤波理论）等现代控制理论为基础的一种控制方法。

先进控制,可以改善过程动态控制的性能、减少过程变量的波动幅度,使之能更接近其优化目标值,从而使生产装置在接近其约束边界的条件下运行,最终达到增强装置运行的稳定性和安全性、保证产品质量的均匀性、提高目标产品收率、增加装置处理量、降低运行成本、减少环境污染。

某乙烯装置分离工段采用的是横河的先进控制，它是由模型预估控制（MPC）发展起来的一种更为先进的控制策略。它的基本思想是：通过一个动态的过程模型，根据过程输入（操纵变量MV，干扰变量DV）预估出CV未来的变化，并确定如何调整控制器输出以使所有过程变量（包括受控变量CV和操纵变量MV）达到设定值或在约束范围之内（所谓先进控制）。

以脱乙烷塔为例。

脱乙烷塔回流由-27℃的丙烯冷剂冷凝塔顶气相来提供，其再沸器由急冷水供热。脱乙烷塔塔底物料送往高压脱丙烷塔，其塔顶物料通过乙炔转化器将乙炔选择性加氢为乙烯和乙烷，并经绿油去除、干燥后，送入乙烯精馏塔。

脱乙烷塔的控制难点在于它使用急冷水作为加热介质，而急冷水温度受环境温度以及裂解炉投退料及烧焦影响变化较大，操作员不可能做到实时调整，容易造成灵敏板温度波动，进而塔底碳二损失或者塔顶碳三损失。

正常情况下，由于脱乙烷塔塔顶出料与乙炔加氢反应器相连，因此稳定塔顶出料能够使反应器保持良好工作性能，进而长周期运行，但是由于急冷水温度波动大，导致脱乙烷塔顶回流罐液位不能保持稳定，如果再沸不能及时调整，操作员就会通过调整脱乙烷塔顶碳二出料维持液位，从而不能保证反应器进料稳定，导致反应器波动，降低反应器运行周期。（见图1）

因此脱乙烷塔先进控制的关键点在于当急冷水温度变化时及时调整再沸量保证灵敏板温度TIC40005在合适的范围内，同时保持脱乙烷塔顶回流罐液位的稳定。

图1

表1

根据以上条件，设立以下控制器结构：（见表1）

通过投用控制器测试发现，对于脱乙烷塔，利用再沸FIC40001控制灵敏板温度TIC40005，并不能达到预期目标，因为有些情况下，虽然TIC40005控制在范围内，但是第41块板温度TI40004却出现异常，导致塔顶碳三超标，因此将控制器结构修改为FIC40001控制TIC40005和TI40004。通过调试，控制正常。

结论：

对于精馏塔，一般情况下，都是通过再沸量控制灵敏板温度的，但是每个精馏塔是不同的，先进控制必须针对每个塔的特性，作出相对应的控制策略，才能保证先进控制因地制宜，才能被操作员接受，才能保证先进控制长周期投用。

[1] 中沙（天津）石化有限公司.100万吨/年乙烯装置工艺技术规程，2015.11