丁二烯萃取精餾系統(tǒng)控制技術(shù)研究

段文 楊小波（蘭州石化公司乙烯廠，甘肅 蘭州 730060）

丁二烯萃取精餾系統(tǒng)控制技術(shù)研究

段文 楊小波（蘭州石化公司乙烯廠，甘肅 蘭州 730060）

本文根據(jù)第二萃取精餾系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)，通過對DeltaV DCS系統(tǒng)內(nèi)嵌的MPCPro預(yù)測控制技術(shù)的深入研究與探討，在分析工藝特點(diǎn)、參考工藝操作經(jīng)驗(yàn)，針對第二萃取精餾系統(tǒng)的生產(chǎn)過程存在的常規(guī)控制難點(diǎn)，提出了相應(yīng)控制策略，建立了MPCPro多變量預(yù)測控制器，實(shí)現(xiàn)了第二萃取精餾系統(tǒng)先進(jìn)控制，取得了良好的效果，提高了生產(chǎn)過程運(yùn)行的平穩(wěn)率，降低了能量消耗，提高了目標(biāo)產(chǎn)品收率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

MPCPro；多變量預(yù)測控制；模型；萃取精餾

碳四抽提丁二烯裝置主要由第一萃取精餾、第二萃取精餾、脫重脫輕、水洗回收等系統(tǒng)組成，采用艾默生公司的Del?TaV DCS。第二萃取精餾系統(tǒng)為碳四抽提丁二烯裝置的重要環(huán)節(jié)，如圖1所示，主要由兩臺串級的精餾塔下塔T-103、上塔T-104和一臺閃蒸塔T-105組成，進(jìn)料為T-101塔釜抽出的丁二烯、碳四炔烴、乙腈的混合溶液，加入萃取劑乙腈，在第二萃取精餾塔塔頂?shù)煤细竦拇侄《?，塔釜得到炔烴解吸完全的乙腈，經(jīng)閃蒸塔將炔烴與乙腈分離，從而實(shí)現(xiàn)丁二烯與炔烴以及溶劑乙腈的分離。

1 MPCPro預(yù)測控制技術(shù)

DeltaV DCS系統(tǒng)中內(nèi)嵌模型預(yù)測控制MPCPro功能塊，MP?CPro是基于模型的DMC預(yù)測控制，是一種利用模型預(yù)測技術(shù)開發(fā)的先進(jìn)過程控制器，專門適用于具有強(qiáng)烈耦合關(guān)系及存在眾多約束的復(fù)雜多變量過程控制，其算法的核心是：預(yù)測模型，利用系統(tǒng)的過去和現(xiàn)在的輸入輸出信息，通過其模型可以得到對生產(chǎn)系統(tǒng)未來某段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的估計(jì)；滾動(dòng)優(yōu)化，通過某一性能指標(biāo)的最優(yōu)化來確定未來的控制作用；反饋校正，在預(yù)測控制中使用一種反饋修正法，即閉環(huán)預(yù)測。當(dāng)執(zhí)行多變量控制策略時(shí)，過程的操縱輸入和擾動(dòng)輸入與受控輸出和約束輸出在MPCPro功能塊里定義。根據(jù)煉化裝置的控制策略，確定控制器的輸入、輸出變量。控制器的被控變量和擾動(dòng)變量與操作變量和約束變量都集成在MPCPro功能塊里，通過該功能塊實(shí)現(xiàn)煉化裝置的先進(jìn)控制，實(shí)現(xiàn)被控對象的關(guān)鍵參數(shù)平穩(wěn)運(yùn)行。

2 控制方案

2.1 工藝特點(diǎn)

第二萃取精餾系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多功能塔系，萃取精餾與溶劑解析在一個(gè)塔內(nèi)完成，控制復(fù)雜。加入萃取劑乙腈，在第二萃取精餾塔塔頂?shù)煤细竦拇侄《玫饺矡N解吸完全的乙腈，經(jīng)閃蒸塔將炔烴與乙腈分離，從而實(shí)現(xiàn)丁二烯與炔烴以及溶劑乙腈的分離；炔烴閃蒸塔T-105實(shí)現(xiàn)碳四炔烴、乙腈的分離。第二萃取精餾系統(tǒng)存在干擾因素多，溫度、液位等關(guān)鍵參數(shù)滯后大控制難點(diǎn)，對各塔的平穩(wěn)操作影響比較大。

2.2 控制目標(biāo)

·在操作上實(shí)現(xiàn)物料平衡，避免周期性干擾對各塔操作的影響，避免各塔之間物料傳遞不平衡導(dǎo)致各塔操作的不平衡。

·第二萃取精餾系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)丁二烯、碳四炔烴、乙腈的分離。在物料平衡的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)塔的熱量供給和熱量分布，提高主要產(chǎn)品質(zhì)量，提高丁二烯收率，降低裝置能耗。

·解決常規(guī)控制下液位、溫度波動(dòng)問題。

·T-103是裝置的關(guān)鍵設(shè)備，它的穩(wěn)定操作，對上、下游各塔的穩(wěn)定控制有至關(guān)重要的作用，實(shí)施T-103先進(jìn)控制，解決裝置存在的強(qiáng)耦合問題帶來的操作與控制上的困難，克服干擾和滯后，確保安全生產(chǎn)。

2.3 控制方案

根據(jù)第二萃取精餾系統(tǒng)工藝特點(diǎn)與控制目標(biāo)，針對常規(guī)控制的存在的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)適合本系統(tǒng)的控制方案。第二萃取精餾系統(tǒng)先進(jìn)控制選擇塔T-103塔中部溫度、塔釜液面，T-104塔釜液面，回流罐V-106液面，T-105塔釜液面為被控變量，分別以CV1、CV2、CV3、CV4、CV5表示；選擇T-103塔靈敏板溫度為約束變量，分別以AV1表示；選擇T-103塔釜中壓蒸汽流量、塔釜采出量，T-104塔釜采出量，回流量及T-105塔釜采出量為操作變量，分別以MV1、MV2、MV3、MV4、MV5表示；塔釜T-101到T-103的量，T-104到T-201的量及T-104塔頂壓力為干擾變量，分別以DV1、DV2、DV3表示。其中，第二萃取精餾系統(tǒng)先進(jìn)控制器中所有被控變量采用設(shè)定點(diǎn)控制，約束變量采用區(qū)間控制。

根據(jù)第二萃取精餾系統(tǒng)的控制方案，通過對第二萃取精餾系統(tǒng)階躍試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、辯識得到如下傳遞函數(shù)矩陣形式的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)辨識出的數(shù)學(xué)模型建立MPCPro預(yù)測控制所需的內(nèi)部模型，并根據(jù)實(shí)際工藝特點(diǎn)和要求選取合理的參考軌跡、操作變量約束、被控變量約束、控制結(jié)構(gòu)以得到MPCPro先進(jìn)控制器。

在將多變量預(yù)測控制器上線投用之前，通過在線仿真檢驗(yàn)控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)精度以及模型的魯棒性。

（4）運(yùn)行效果分析

該控制器運(yùn)行平穩(wěn)，控制精度高。第二萃取精餾系統(tǒng)先進(jìn)控制器運(yùn)行平穩(wěn)，提高了過程控制的平穩(wěn)性，實(shí)現(xiàn)主要工藝參數(shù)的波動(dòng)幅度減少50%以上，表明設(shè)計(jì)實(shí)施的第二萃取精餾系統(tǒng)多變量預(yù)估先進(jìn)控制是切實(shí)可行的。

通過調(diào)節(jié)中壓蒸汽量，克服蒸汽壓力波動(dòng)，保持T-103靈敏板溫度、塔頂溫度、塔側(cè)線溫度運(yùn)行穩(wěn)定，通過調(diào)節(jié)塔T-103、T-104、T-105塔釜采出，穩(wěn)定了塔的液位，通過小幅度調(diào)節(jié)回流量，克服干擾，實(shí)現(xiàn)對回流罐液位的平穩(wěn)控制，從而實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

3 結(jié)語

MPCPro先進(jìn)控制器控制品質(zhì)良好，一直運(yùn)行平穩(wěn)，投用率高，解決了第二萃取精餾系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的波動(dòng)問題，從整體上提高了第二萃取精餾系統(tǒng)的控制水平，提高了第二萃取精餾系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性，實(shí)現(xiàn)了丁二烯第二萃取精餾系統(tǒng)的穩(wěn)定、快速和準(zhǔn)確的控制，實(shí)現(xiàn)了卡邊操作，減少了目標(biāo)產(chǎn)品損失，提高了裝置主要產(chǎn)品丁二烯的收率，節(jié)能降耗，并減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，深受車間技術(shù)人員和操作人員的歡迎。