動態(tài)模擬技術(shù)在氣體分餾裝置先進(jìn)過程控制項目實施中的應(yīng)用

王 益 龍

(上海漢中諾軟件科技有限公司，上海 200120)

目前，隨著化學(xué)工業(yè)日益朝著集成化、大型化方向發(fā)展，化工生產(chǎn)過程自動化控制的技術(shù)水平也越來越高，傳統(tǒng)的控制策略已不能完全滿足生產(chǎn)要求，化工過程自動化控制正朝著先進(jìn)過程控制(APC)的方向發(fā)展[1]。APC利用過程模型預(yù)測系統(tǒng)在一定的控制下的未來動態(tài)行為，在此基礎(chǔ)上根據(jù)給定的約束條件和性能要求滾動地求解最優(yōu)控制作用，并實施當(dāng)前控制，再通過檢測實時信息校正更新對未來動態(tài)行為的預(yù)測[2]。歸結(jié)為模型預(yù)測、滾動優(yōu)化、反饋校正，主要解決大時滯、強(qiáng)耦合的多變量過程控制問題[3]。在多變量控制器中，一般被控變量多于操縱變量，用穩(wěn)態(tài)LP/QP技術(shù)，將過程推向約束的極限。目前APC技術(shù)正在煉油工業(yè)等流程行業(yè)內(nèi)得到快速推廣[4-5]。

本課題以氣體分餾裝置為例，介紹APC項目的實施效果，以及應(yīng)對模型辨識困難挑戰(zhàn)時，動態(tài)模擬技術(shù)在其中的應(yīng)用，可為同類型裝置APC控制提供參考。

1 氣體分餾裝置工藝流程簡介

圖1為氣體分餾裝置工藝流程示意。原料液態(tài)烴經(jīng)氣體精制裝置脫硫后送入原料緩沖罐，由脫丙烷塔(T201)進(jìn)料泵送至進(jìn)料換熱器與脫丙烷塔塔底重組分換熱后進(jìn)入脫丙烷塔第27層塔盤。脫丙烷塔塔頂混合碳三組分經(jīng)塔頂空氣冷卻器冷凝后進(jìn)入脫丙烷塔塔頂回流罐，回流罐的一部分物料經(jīng)脫乙烷塔(T202)進(jìn)料泵進(jìn)入脫乙烷塔第15層塔盤。脫丙烷塔塔底碳四、碳五餾分部分與進(jìn)料換熱，然后經(jīng)過水冷卻器冷卻至40 ℃，進(jìn)入MTBE系統(tǒng)原料緩沖罐或外送罐區(qū)。

圖1 氣體分餾裝置工藝流程示意

進(jìn)入脫乙烷塔的混合碳三、碳二組分，經(jīng)分離后塔頂氣體經(jīng)塔頂冷凝器冷凝后進(jìn)入脫乙烷塔回流罐，罐頂不凝氣壓控排入燃料氣管網(wǎng)，冷凝液經(jīng)回流泵送回脫乙烷塔塔頂作回流，塔底丙烷、丙烯混合物自壓進(jìn)入丙烯塔A塔(T203A)第152層塔盤。

丙烯塔由A塔與B塔(T203B)組成，丙烯精制進(jìn)料進(jìn)入A塔后塔頂輕組分蒸餾到B塔，丙烯由B塔塔頂經(jīng)冷凝后進(jìn)入回流罐，部分送入B塔塔頂作回流，部分經(jīng)冷卻后作為產(chǎn)品送出裝置，丙烷由A塔塔底作為產(chǎn)品送出裝置。B塔塔底釜液由丙烯塔釜液回流泵送至A塔頂部。丙烯塔重沸器用熱水作為熱源。

2 控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)氣體分餾裝置的工藝特點及崗位劃分，設(shè)計兩個控制：脫丙烷、脫乙烷控制器和丙烯精制控制器，以滿足優(yōu)化控制目標(biāo)。脫丙烷、乙烷控制器APC優(yōu)化控制目標(biāo)：①實現(xiàn)脫丙烷塔自動提降量，保證塔進(jìn)料平穩(wěn)；②優(yōu)化脫丙烷塔操作，穩(wěn)定塔頂、塔底溫度，提高分離精度；③優(yōu)化脫乙烷塔操作，穩(wěn)定塔頂溫度、壓力，塔底溫度，在保證碳二脫除效果的情況下，減少丙烯排放量。丙烯精制控制器APC優(yōu)化控制目標(biāo)：①穩(wěn)定丙烯精制A塔塔釜溫度，保證分離效果，穩(wěn)定丙烷產(chǎn)品質(zhì)量；②穩(wěn)定丙烯精制B塔塔頂、塔底溫差，實現(xiàn)塔頂丙烯產(chǎn)品質(zhì)量卡邊。

表1和表2分別為脫丙烷塔、脫乙烷塔APC控制器結(jié)構(gòu)和丙烯精制塔APC控制器結(jié)構(gòu)。

表1 脫丙烷塔、脫乙烷塔APC控制器結(jié)構(gòu)

表2 丙烯精制塔APC控制器結(jié)構(gòu)

3 動態(tài)模型

APC控制技術(shù)采用矩陣控制理論，通過裝置階躍測試，收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型辨識，建立多個變量之間的關(guān)聯(lián)模型，以裝置為對象建立一個或幾個大的控制器，同時兼顧到多個變量之間相互變化的能力和設(shè)備能力，經(jīng)過預(yù)測、優(yōu)化出調(diào)節(jié)量后在線傳輸?shù)絇ID控制器的設(shè)定點上，對整個裝置進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。因此模型對于APC控制器的投用而言，至關(guān)重要。

由于丙烯精制A、B兩塔多達(dá)200層塔板，丙烯、丙烷產(chǎn)品要求質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別不低于99.5%和98.0%，兩端產(chǎn)品的在線分析頻次為1次/h，且丙烯分析儀測點為最終成品罐處，以上客觀現(xiàn)狀造成了該裝置穩(wěn)態(tài)時間長達(dá)10 h，操作人員日?？刂齐y度大，并限制了在裝置直接進(jìn)行階躍測試的幅度和時長，增加了獲取可靠過程動態(tài)模型的難度。

Tuan等[6-7]利用Hysys建立脫丙烷塔動態(tài)模型，并利用該動態(tài)模型進(jìn)行多變量過程影響分析。Cao等[8-9]利用Hysys建立丙烯精制塔動態(tài)模型，利用該模型分析各變量之間的動態(tài)相互影響。針對本項目的實際情況，考慮利用Aspen Hysys Dynamic軟件建立丙烯塔的動態(tài)模型，并利用該模型對各操作手段和主要干擾進(jìn)行不同幅度、不同時間間隔的階躍，以獲取該過程的動態(tài)響應(yīng)。圖2為丙烯塔Hysys模型，表3為Hysys建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖2 丙烯塔Hysys模型

表3 丙烯塔Hysys建?；A(chǔ)參數(shù)

圖3和圖4為丙烯塔Hysys模型的溫度、組成分布及與實際裝置溫度、組成分布的比較，結(jié)果表明該Hysys模型具有較高的可靠性。

圖3 丙烯塔Hysys模型溫度分布

圖4 丙烯塔hysys模型組成分布

在驗證丙烯塔Hysys動態(tài)模型可靠性之后，利用該模型進(jìn)行階躍測試，以獲取裝置的動態(tài)過程響應(yīng)。圖5～圖7所示分別為保持其他條件一定，提高丙烯塔塔頂抽出量、塔釜抽出量、熱水流量后，塔頂、塔釜組成隨時間的動態(tài)響應(yīng)過程。

圖5 塔頂抽出量在12.75～14.75 t/h范圍變化對丙烯、丙烷產(chǎn)品純度的影響

圖6 塔釜抽出量在4.25～5.25 t/h范圍變化對丙烯、丙烷產(chǎn)品純度的影響

圖7 熱水流量在320～350 t/h范圍變化對丙烯、丙烷產(chǎn)品純度的影響

對上述丙烯塔Hysys動態(tài)模型進(jìn)行階躍測試產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，利用Aspen APC模型辨識工具DMC Plus Model進(jìn)行過程模型辨識，獲取的模型如圖8所示。

圖8 利用Aspen Hysys獲取丙烯精制塔APC控制器動態(tài)模型

4 APC投用效果

脫丙烷塔以進(jìn)料量主控緩沖罐液位，允許液位在一定范圍內(nèi)波動，優(yōu)先保證進(jìn)料量的穩(wěn)定；以空氣冷卻器變頻控制塔頂壓力；以回流量控制回流比及塔釜溫度；以塔釜蒸汽量控制塔壓和靈敏板溫度，且將靈敏板溫度推至下限，節(jié)省蒸汽用量；以塔頂抽出量協(xié)調(diào)脫丙烷塔回流罐液位和脫乙烷塔釜液位。

脫乙烷塔以水冷量控制塔壓和回流罐液位；以塔釜出料量控制塔釜液位，保證物料平衡；以塔釜熱源平衡回流罐液位及塔釜液位，穩(wěn)定全塔操作。

丙烯塔T203A、B以塔頂空氣冷卻器控制冷后溫度及塔頂壓力；以塔釜熱水量控制丙烯、丙烷產(chǎn)品純度，同時平衡塔釜及回流罐液位；再以丙烯產(chǎn)品質(zhì)量及回流罐液位指示丙烯外送量調(diào)整；以丙烷產(chǎn)品質(zhì)量指示丙烷外送量調(diào)整。

以上控制結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)脫丙烷塔自動提降量，保證塔進(jìn)料平穩(wěn)；優(yōu)化脫丙烷塔操作，穩(wěn)定塔頂、塔底溫度，節(jié)省蒸汽消耗量；優(yōu)化脫乙烷塔操作，穩(wěn)定塔頂溫度、壓力，塔底溫度，在保證碳二脫除效果的情況下，減少丙烯排放量；有效控制丙烯塔的丙烯、丙烷產(chǎn)品組成穩(wěn)定，降低丙烯產(chǎn)品質(zhì)量過剩的同時降低操作人員的勞動強(qiáng)度，具體控制效果參見圖9～圖11。

圖9 APC投用前后脫丙烷塔塔釜溫度

圖10 APC投用前后脫乙烷塔回流罐液位和塔釜液位

圖11 APC投用前后丙烯純度和丙烷純度

5 結(jié) 論

APC可有效克服裝置負(fù)荷波動、單元間擾動傳遞等問題，提高裝置的自動化程度，提升裝置的控制水平，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的卡邊控制，降低裝置物耗與能耗，提高裝置經(jīng)濟(jì)效益；此外，APC控制系統(tǒng)的投用還可顯著降低操作人員勞動強(qiáng)度。

當(dāng)裝置現(xiàn)場階躍測試難度較大時，借助Aspen Hysys Dynamic構(gòu)建動態(tài)模型，以此動態(tài)模型進(jìn)行階躍測試，利用動態(tài)模型的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)構(gòu)建APC項目預(yù)測控制模型的方法可行，能夠顯著降低階躍測試的工作量，并減少對裝置的干擾。