先進(jìn)控制技術(shù)在DMF法丁二烯裝置中的應(yīng)用

馬永林

（中國石化集團(tuán)公司信息化管理部，北京 100728）

丁二烯是合成橡膠的重要原料之一，某石化公司的105t/a DMF法丁二烯裝置由第一萃取精餾單元、第二萃取精餾單元、丁二烯精制單元和溶劑回收單元4部分組成。DMF法丁二烯裝置的產(chǎn)品質(zhì)量要求嚴(yán)格，工藝流程復(fù)雜，涉及到裝置中多股的物料循環(huán)和熱量集成利用。各生產(chǎn)單元的設(shè)備多、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，是典型的多變量、強(qiáng)耦合、有約束的復(fù)雜工業(yè)過程。在實(shí)際生產(chǎn)中，還存在因丁二烯聚合、溶劑雜質(zhì)累積而影響在線分析儀表可靠性的情況。因此，現(xiàn)有DCS系統(tǒng)中的常規(guī)PID控制策略很難實(shí)現(xiàn)丁二烯裝置在大擾動(dòng)、多約束條件下產(chǎn)品質(zhì)量、收率和能耗的多目標(biāo)運(yùn)行優(yōu)化的要求。

本文針對丁二烯裝置的過程特點(diǎn)與生產(chǎn)運(yùn)行的要求，從裝置的工藝指標(biāo)、物料平衡和能量平衡等多層次目標(biāo)出發(fā)，在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，采用多變量預(yù)測控制以及軟測量技術(shù)等先進(jìn)控制策略，克服生產(chǎn)過程中物料循環(huán)、熱量集成所造成的復(fù)雜關(guān)聯(lián)性和來自上下游與公用工程系統(tǒng)多種擾動(dòng)的影響，提高工藝參數(shù)平穩(wěn)性和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，并通過優(yōu)化工藝指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了裝置的節(jié)能增效。

1 工藝特點(diǎn)與控制需求

DMF法丁二烯裝置采用兩級萃取精餾工藝，以乙烯裂解裝置生產(chǎn)的混合C4為原料，用二甲基甲酰胺（DMF）作為溶劑，通過二級萃取精餾，分別除去丁烷、丁烯等難溶組分和乙烯基乙炔等易溶組分，得到的粗丁二烯經(jīng)水洗脫除DMF后，再采用兩級常規(guī)精餾分別脫除甲基乙炔、水和1、2-丁烯，2-順丁烯，碳五等物質(zhì)，最終產(chǎn)出合格的聚合級1、3丁二烯產(chǎn)品，并副產(chǎn)C4抽余液。如圖1所示為該裝置的原則工藝流程圖。

圖1 丁二烯裝置原則工藝流程Fig.1 Principle PFD of butadiene unit

丁二烯裝置已采用DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)自動(dòng)化，在穩(wěn)定裝置生產(chǎn)操作中起到了很大的作用。然而，由于DMF溶劑特性和丁二烯裝置工藝流程特點(diǎn)，生產(chǎn)過程控制還存在以下的改進(jìn)需求：

1）有效克服裝置進(jìn)料組成波動(dòng)的影響

由于丁二烯裝置進(jìn)料中1、3丁二烯等組分的濃度會(huì)隨著上游乙烯裝置運(yùn)行狀況的變化而變化，需要溶劑比和丁二烯返回量相應(yīng)地做實(shí)時(shí)調(diào)整。若不能及時(shí)調(diào)整，將會(huì)導(dǎo)致抽余液中帶走丁二烯或使進(jìn)入第二萃取系統(tǒng)的丁二烯中順反丁烯含量偏高。因此，克服進(jìn)料組成變化的影響和優(yōu)化溶劑比是本裝置提高控制水平和實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。

2）實(shí)現(xiàn)丁二烯精制單元的產(chǎn)品質(zhì)量控制

本裝置的丁二烯產(chǎn)品損失主要出現(xiàn)在丁二烯精制單元脫輕塔和脫重塔。因脫輕塔塔頂放空中丁二烯含量以及脫重塔塔釜采出組分主要依賴化驗(yàn)分析，化驗(yàn)分析周期通常4 h甚至24 h，操作人員很難做到及時(shí)和精確調(diào)整，從而影響到丁二烯產(chǎn)品質(zhì)量、收率。因此，實(shí)現(xiàn)丁二烯精制單元產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化控制是提高產(chǎn)品收率、降低損失的關(guān)鍵。

3）實(shí)現(xiàn)溶劑回收單元的溶劑濃度控制

在溶劑回收單元中，回收溶劑濃度的穩(wěn)定性決定著整個(gè)裝置的長期分離效果，而溶劑再生是一個(gè)長期動(dòng)態(tài)過程，溫度分布決定著該塔的回收溶劑品質(zhì)，現(xiàn)有的常規(guī)控制策略難以克服進(jìn)料變化而實(shí)現(xiàn)溶劑濃度穩(wěn)定控制。

綜上，常規(guī)PID控制是以單變量控制為主，無法兼顧到丁二烯裝置這樣工藝流程長、物流與能流復(fù)雜的多變量、有約束過程的多目標(biāo)控制與優(yōu)化問題。采用多變量預(yù)測控制和軟測量等先進(jìn)控制技術(shù)可以有效地克服裝置的多擾動(dòng)、大滯后、單元間擾動(dòng)傳輸和變量耦合問題，通過提高工藝參數(shù)的平穩(wěn)性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化運(yùn)行，從而在滿足產(chǎn)品質(zhì)量高要求的前提下，降低裝置物耗和能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益[1]。

2 先進(jìn)控制技術(shù)

2.1 多變量預(yù)測控制技術(shù)

預(yù)測控制是先進(jìn)控制軟件的核心算法。該算法與PID控制算法的不同點(diǎn)在于：PID控制是一種基于控制系統(tǒng)設(shè)定值與測量值之間偏差的反饋控制，不依賴過程模型；而預(yù)測控制是一種將過程模型、反饋控制和動(dòng)態(tài)優(yōu)化相結(jié)合的計(jì)算機(jī)控制策略。多變量預(yù)測控制適合于解決大時(shí)滯、強(qiáng)耦合、有約束等復(fù)雜多變量過程的控制問題，而這些問題采用PID控制則很難奏效。預(yù)測控制原理可歸結(jié)為預(yù)測模型、反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化三要素，即利用過程模型來預(yù)測被控過程對于輸入變量的未來響應(yīng)，并通過反饋校正來修正預(yù)測值，進(jìn)而對預(yù)定的性能指標(biāo)進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化計(jì)算，以求解出未來的控制輸入序列[2]。

預(yù)測控制通常采用由過程測試建模得到的階躍響應(yīng)序列或脈沖響應(yīng)序列模型，其輸入輸出關(guān)系為

式中：ym（k+j）為 k+j時(shí)刻系統(tǒng)的預(yù)測輸出，下標(biāo) m表示模型輸出；u（k+j-i）為k+j-i時(shí)刻系統(tǒng)的輸入；hi為預(yù)測模型脈沖響應(yīng)序列值，也稱內(nèi)部模型；N為脈沖響應(yīng)序列長度；Hp為多步輸出預(yù)測時(shí)域長度。

為克服擾動(dòng)和模型失配引起的偏差，可采用當(dāng)前實(shí)測值與模型預(yù)測值的偏差來修正未來的預(yù)測值：

式中：yp（k+j）為校正后的 k+j時(shí)刻系統(tǒng)的預(yù)測輸出；yk（k）為 k 時(shí)刻系統(tǒng)實(shí)際輸出；βj為誤差修正系數(shù)。

滾動(dòng)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)通常取未來預(yù)測值與目標(biāo)值的二次函數(shù)與控制輸入變化量的二次函數(shù)之和，即

式中：ysp（k+j）為 k+j時(shí)刻參考軌跡設(shè)定值；Q、R 為加權(quán)系數(shù)，分別表示對跟蹤誤差和控制增量變化的抑制；Hc為控制時(shí)域長度。

通過在約束條件下求解上述目標(biāo)函數(shù)，可計(jì)算出一系列未來的控制輸入，但只實(shí)施當(dāng)前時(shí)刻的控制作用，下一控制周期，重復(fù)上述計(jì)算過程。因此，控制作用不是一次算出，而是逐步滾動(dòng)優(yōu)化算出。

2.2 軟測量技術(shù)

軟測量模型是軟測量技術(shù)的核心。它不同于一般意義下的數(shù)學(xué)模型，而是通過輔助變量來獲得主導(dǎo)變量的最佳估計(jì)。如圖2所示為軟測量模型結(jié)構(gòu)和軟測量中變量之間的關(guān)系。

圖2 軟測量模型結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of soft-sensing model

在穩(wěn)態(tài)條件下的軟測量問題，其被估計(jì)量x（t）與過程可測量變量之間的函數(shù)關(guān)系均可表示為

式中：y（t）為可測量的過程輔助量； f（·）為待估計(jì)函數(shù)，通常為非線性形式。

在應(yīng)用過程中，軟測量模型的參數(shù)和結(jié)構(gòu)有可能隨時(shí)間遷移工況和操作點(diǎn)發(fā)生改變，需要對軟測量模型各種狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并進(jìn)行在線或離線修正，提高模型的適用范圍。

3 先進(jìn)控制系統(tǒng)

丁二烯裝置生產(chǎn)運(yùn)行的期望目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)整體經(jīng)濟(jì)效益的最佳化，即要兼顧裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、原材料消耗和能耗等多方面指標(biāo)。根據(jù)該裝置的生產(chǎn)特點(diǎn)和運(yùn)行要求，采用包含軟測量、模型預(yù)測控制等技術(shù)的先進(jìn)控制軟件設(shè)計(jì)了適合丁二烯裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以下控制目標(biāo)：分離過程關(guān)鍵溫度的優(yōu)化控制，提高裝置分離精度，減少物料損失，提高產(chǎn)品收率；通過精制單元副產(chǎn)物丁二烯濃度軟測量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的卡邊控制；通過裝置的物料流和能量流的平衡，實(shí)現(xiàn)整體均衡優(yōu)化控制。

先進(jìn)控制系統(tǒng)根據(jù)丁二烯裝置的工藝特點(diǎn)，在常規(guī)控制基礎(chǔ)上選擇合適的操作變量、被控變量、干擾變量，并梳理各變量之間的相互關(guān)系，在過程測試的基礎(chǔ)上建立了與工藝過程相符合的動(dòng)態(tài)模型，設(shè)計(jì)并實(shí)施了多變量預(yù)測控制器。根據(jù)各單元之間的物料流、能量流關(guān)系和各塔內(nèi)溫度、溫差等工藝參數(shù)設(shè)定了過程優(yōu)化的目標(biāo)[3-5]。

3.1 萃取系統(tǒng)質(zhì)量控制

在常規(guī)控制的基礎(chǔ)上建立萃取系統(tǒng)多變量預(yù)測控制器，實(shí)現(xiàn)一萃單元和二萃單元之間的物料平衡和質(zhì)量控制，在穩(wěn)定第一萃取精餾系統(tǒng)分離效率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)溶劑比最優(yōu)化和丁二烯返回量最小化，進(jìn)而降低能耗。

先進(jìn)控制系統(tǒng)通過穩(wěn)定上游單元的操作、合理調(diào)節(jié)蒸汽量，有效克服進(jìn)料頻繁波動(dòng)的影響，快速穩(wěn)定液位和溫差，達(dá)到穩(wěn)定再生溶劑質(zhì)量的目的，經(jīng)過長周期穩(wěn)定運(yùn)行，使得整個(gè)系統(tǒng)的溶劑濃度變化趨于平緩，有利于萃取系統(tǒng)的萃取效率的穩(wěn)定。

在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)第一萃取精餾上塔靈敏板溫度的穩(wěn)定控制，并保持第一萃取精餾塔的塔段溫度分布的平穩(wěn)。在實(shí)施過程中，穩(wěn)定溶劑濃度，并用溶劑溫度對精餾塔靈敏板溫度進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，最大程度地消除溶劑體系變化對于精餾系統(tǒng)的干擾，實(shí)現(xiàn)利用溫度變化來快速表征進(jìn)料組分變化，并利用壓縮機(jī)出口在線分析儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，從而保持壓縮機(jī)出口順反丁烯含量的平穩(wěn)。

通過實(shí)驗(yàn)測試法建立壓縮機(jī)出口丁二烯質(zhì)量控制的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為

式中：y1為T201上塔靈敏板溫度；y2為T201B塔釜順丁烯含量；y3為T201B塔釜靈敏板溫度；y4為T201上塔頂中丁二烯含量；u1為一萃進(jìn)二萃丁二烯含量；u2為蒸汽加熱量；d1為進(jìn)料量；d2為溶劑比；d3為溶劑溫度。

限于篇幅，本文只列出關(guān)鍵的萃取單元質(zhì)量控制的傳遞函數(shù)模型，從中可以看出該過程是典型的非方多變量過程，且擾動(dòng)較多。為實(shí)現(xiàn)萃取系統(tǒng)質(zhì)量控制需要在多變量預(yù)測控制算法中建立合理的目標(biāo)函數(shù)，并設(shè)計(jì)合適的參考軌跡、控制結(jié)構(gòu)，合理選擇控制參數(shù)，并滿足操縱變量和被控變量的約束要求。

3.2 丁二烯產(chǎn)品質(zhì)量軟測量設(shè)計(jì)

在工藝機(jī)理分析和數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，先進(jìn)控制系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了關(guān)鍵副產(chǎn)物中丁二烯含量軟儀表、脫輕塔塔頂氣相丁二烯含量和脫重塔塔釜丁二烯含量的軟儀表，并利用化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)對軟儀表進(jìn)行校正，這些軟儀表被用于產(chǎn)品質(zhì)量的卡邊控制。軟測量模型的示例如下：

式中：y1為脫輕塔塔頂丁二烯含量；x1為脫輕塔進(jìn)料流量；x2為回流流量；x3為回流罐溫度；x4為塔頂溫度；x5為塔壓；θ1為模型常數(shù)；e1為軟測量校正值。

式中：y2為脫重塔塔頂丁二烯含量；u1為進(jìn)料流量；u2為回流流量；u3為塔底出料流量；u4為塔釜溫度；u5為塔頂壓力；u6為塔釜液位，θ2為模型常數(shù)；e2為軟測量校正值。

4 應(yīng)用效果

丁二烯裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)后，取得了良好的控制效果，具有更好的抗干擾性，能綜合協(xié)調(diào)各個(gè)過程控制變量，使生產(chǎn)過程更加平穩(wěn)，減輕操作工勞動(dòng)強(qiáng)度，降低操作成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化控制。

4.1 軟測量

通過實(shí)施軟測量建模技術(shù)，關(guān)鍵副產(chǎn)品中的丁二烯濃度得到較好的估算，其應(yīng)用效果如圖3所示。

圖3 軟儀表輸出與化驗(yàn)分析結(jié)果的趨勢對比Fig.3 Trend comparison diagram of soft instrument output and laboratory report

4.2 萃取系統(tǒng)先進(jìn)控制

以第一萃取精餾塔控制和丁二烯產(chǎn)品純度為例說明，先進(jìn)控制系統(tǒng)投用后，主要工藝參數(shù)的平穩(wěn)性得到了較大改善，標(biāo)準(zhǔn)差平均降低了30%以上。如圖4所示為先進(jìn)控制投用前后第一萃取精餾塔工藝參數(shù)的對比情況。圖中，TI2023、LIC2022和TIC2032、LIC2028分別是第一萃取精餾塔A塔、B塔的塔釜液位和靈敏板溫度。

圖4 先進(jìn)控制投用前后第一萃取精餾塔工藝參數(shù)的對比Fig.4 Comparison of process parameters of the first extractive distillation column before and after advanced control adoption

先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)后，在關(guān)鍵變量平穩(wěn)的基礎(chǔ)上，丁二烯產(chǎn)品的純度有明顯的改善，如圖5所示。

圖5 先進(jìn)控制投用前后丁二烯產(chǎn)品純度的對比Fig.5 Comparison of purity of butadiene product before and after advanced control adoption

5 結(jié)語

丁二烯裝置應(yīng)用先進(jìn)控制系統(tǒng)后取得了明顯的成效。從控制品質(zhì)方面看，先進(jìn)控制有效克服了過程大時(shí)滯和進(jìn)料波動(dòng)等問題，提高了關(guān)鍵被控變量的平穩(wěn)性；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合軟儀表實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵產(chǎn)品質(zhì)量的“卡邊”優(yōu)化控制。從經(jīng)濟(jì)效益方面看，通過先進(jìn)控制和工藝參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)提高丁二烯產(chǎn)品收率0.43%，降低裝置總能耗2.0%，經(jīng)測算，年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)534萬元。此外，先進(jìn)控制系統(tǒng)還起到降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度的作用，得到了操作人員的認(rèn)可和歡迎。

[1]王樹青，金曉明.先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

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