煤制甲醇精餾裝置“零手操系統(tǒng)”的應(yīng)用

徐艷霞，張林棟，呂 蒙，劉文烈，王瑞華

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

1 甲醇精餾工藝流程簡(jiǎn)介

某廠的煤制甲醇生產(chǎn)能力為200萬(wàn)t/a，生產(chǎn)工藝為“魯奇甲醇精餾工藝”，主要設(shè)備包括預(yù)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(yù)塔的部分熱源，采用雙效三塔工藝。

合成生產(chǎn)的粗甲醇進(jìn)入膨脹罐進(jìn)行閃蒸。經(jīng)過(guò)閃蒸的粗甲醇進(jìn)行精餾。來(lái)自罐脹的粗甲醇進(jìn)入預(yù)塔。殘留在甲醇中的溶解氣(CO、CH等)和低沸點(diǎn)的副產(chǎn)物(二甲醚和甲酸甲酯)和甲醇蒸汽一起從塔頂出來(lái)，經(jīng)過(guò)預(yù)塔冷凝器冷凝，大部分甲醇冷凝收集到預(yù)塔回流罐，經(jīng)預(yù)塔回流泵送回塔頂，作為預(yù)塔的回流液?；亓鞴拗械牟荒龤馔ㄟ^(guò)尾氣冷卻器進(jìn)一步冷卻，少量甲醇從尾氣中冷凝后返回預(yù)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(diǎn)雜質(zhì)的甲醇從塔釜進(jìn)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(lái)[1]。加壓塔塔頂甲醇冷凝液收集在加壓塔回流罐內(nèi)。一部分精甲醇通過(guò)加壓塔回流泵返回塔頂作為回流液，剩余的甲醇進(jìn)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(guò)加壓塔蒸汽再沸器提供，含高沸物的甲醇通過(guò)塔釜排出作為常壓塔的進(jìn)料。常壓塔在常壓下操作，功能和加壓塔相似。

2 工藝控制過(guò)程分析

1) 負(fù)荷波動(dòng)的操作控制。當(dāng)合成產(chǎn)的粗甲醇波動(dòng)時(shí)，精餾裝置的膨脹槽(粗甲醇緩沖槽)容積有限，要實(shí)時(shí)調(diào)整預(yù)塔的進(jìn)料量，但是人操作很難把控物料平衡點(diǎn)，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大。為了系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定，操作人員“卡”膨脹槽液位上限和下限操作，即當(dāng)液位高于上限或低于下限時(shí)，突然增加或者減少預(yù)塔進(jìn)料量，導(dǎo)致預(yù)塔負(fù)荷基本呈周期性變化。預(yù)塔進(jìn)料負(fù)荷調(diào)整后，加壓塔和常壓塔負(fù)荷也得同時(shí)調(diào)整，從預(yù)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(shí)滯大概在 20 min。塔的負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致熱平衡被打破，調(diào)整負(fù)荷的同時(shí)預(yù)塔和加壓塔的蒸汽量也得同時(shí)調(diào)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(yù)塔的部分熱源，導(dǎo)致熱量傳遞時(shí)滯大概為 33 min，甲醇三塔形成了大波動(dòng)、大滯后、強(qiáng)耦合、多變量的控制對(duì)象，這對(duì)操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)、敬業(yè)精神、工況預(yù)判等專業(yè)知識(shí)和職業(yè)素養(yǎng)尤其重要。

2) 產(chǎn)品質(zhì)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(dòng)、大滯后、強(qiáng)耦合、多變量的控制對(duì)象，為了使系統(tǒng)易操作、產(chǎn)品質(zhì)量可控，應(yīng)盡量減少干擾因素，因此精餾三個(gè)塔的回流量由車間管理人員給定，未放權(quán)給操作人員控制，系統(tǒng)基本處于高回流比的模式下生產(chǎn)，造成產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)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(biāo)內(nèi)波動(dòng)，基本能滿足甲醇純度要求。但是如果碰到蒸汽壓力波動(dòng)、負(fù)荷波動(dòng)、蒸汽與負(fù)荷波動(dòng)匹配度失衡，或者下雨等外部因素影響時(shí)，加壓塔和常壓塔塔頂壓力波動(dòng)較大，塔頂溫度不再表征甲醇含量，容易造成產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)。

3) 蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)的控制。當(dāng)蒸汽壓力波動(dòng)時(shí)，傳導(dǎo)到常壓塔頂溫度，大概需要 30 min。如果看到溫度波動(dòng)后才去調(diào)整(已經(jīng)來(lái)不及)，三個(gè)塔的指標(biāo)都會(huì)很亂，操作人員一時(shí)半會(huì)找不到平衡點(diǎn)，需要不停的調(diào)整各個(gè)塔的參數(shù)，操作強(qiáng)度大，短時(shí)間內(nèi)也調(diào)不平穩(wěn)。

4) PID回路基本都是流量控制。塔的關(guān)鍵指標(biāo)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(qiáng)度大(操作次數(shù)大概為600次/d)。

5) 突發(fā)工況沒(méi)有預(yù)警機(jī)制。當(dāng)看到工況發(fā)生變化后再去調(diào)整，只能憑操作人員經(jīng)驗(yàn)臨時(shí)處理。由于大滯后原因，特別是負(fù)荷突然大幅度波動(dòng)、或者下雨的時(shí)候，已不得及時(shí)調(diào)整了。

3 “零手動(dòng)系統(tǒng)”控制策略及控制器搭建方法

烯烴一分公司已經(jīng)引進(jìn)了多套先進(jìn)控制系統(tǒng)(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(tǒng)波動(dòng)較大時(shí)，需要切換到人工操作，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，只能在常規(guī)的工況中使用?！傲闶謩?dòng)系統(tǒng)”，正好解決了這一個(gè)問(wèn)題。

零手動(dòng)操作也叫全流程或全裝置無(wú)人值守系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)化升級(jí)改造，打造數(shù)字化生產(chǎn)裝置，可以實(shí)現(xiàn)全流程或者全裝置操作次數(shù)為零的控制系統(tǒng)。

3.1 零手操系統(tǒng)控制策略

3.1.1 控制器設(shè)計(jì)

甲醇精餾裝置的任務(wù)是去除粗甲醇中所含的水分、二甲醚、烷烴、高級(jí)醇，以及溶解氣等雜質(zhì)，從而得到合格的精甲醇產(chǎn)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(gè)控制系統(tǒng)中，形成強(qiáng)關(guān)聯(lián)、強(qiáng)耦合、大干擾、大滯后的典型的多變量控制系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)該精餾塔組控制平穩(wěn)、產(chǎn)品合格，還要達(dá)到節(jié)能降耗、增產(chǎn)增效、無(wú)人操作的目的，得對(duì)物流平衡和熱量平衡強(qiáng)耦合性逐級(jí)解耦。強(qiáng)關(guān)聯(lián)性使用同步控制方法，大滯后有效前饋設(shè)置，負(fù)荷變化分級(jí)化解。

1) 精餾塔強(qiáng)耦合性的解耦辦法

在該精餾工藝?yán)铮业今詈闲宰顝?qiáng)的幾個(gè)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(lái)源，導(dǎo)致熱量平衡是2個(gè)塔之間的強(qiáng)耦合性之一。常壓塔塔頂溫度能表征產(chǎn)品質(zhì)量，因此，把常壓塔塔頂溫控制平穩(wěn)，就基本能保證產(chǎn)品質(zhì)量(塔壓波動(dòng)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(qiáng)關(guān)聯(lián)之外，還跟加壓塔塔釜采出流量(常壓塔進(jìn)料)、常壓塔回流量、常壓塔塔頂壓力有關(guān)。在控制器搭建時(shí)，都有模型關(guān)系。解耦辦法是：當(dāng)常壓塔塔頂溫度波動(dòng)時(shí)，需要調(diào)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?shù)募状颊羝浚跐M足加壓塔控制約束條件下，可以先調(diào)節(jié)加壓塔再沸器的蒸汽量來(lái)控制加壓塔塔頂甲醇蒸汽量，從而達(dá)到間接調(diào)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(zhuǎn)變?yōu)楦蓴_變量，此時(shí)常壓塔的塔頂溫度需要依靠常壓塔回流量來(lái)調(diào)節(jié)，達(dá)到熱平衡解耦目的。簡(jiǎn)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(guò)壓力溫度補(bǔ)償，確保常壓塔溫度的準(zhǔn)確性，干擾變量為常壓塔的進(jìn)料量(加壓塔塔釜采出)，建立模型關(guān)系；如果加壓塔塔頂甲醇蒸汽量不能作為操縱變量，轉(zhuǎn)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(tǒng)根據(jù)工況識(shí)別，自適應(yīng)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(jìn)料穩(wěn)定。該工藝中，加壓塔的塔釜采出為常壓塔的進(jìn)料量，要想保證常壓塔的進(jìn)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(diào)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(shí)現(xiàn)對(duì)加壓塔塔釜液位的平穩(wěn)控制，達(dá)到解耦加壓塔和常壓塔物料平衡的策略。

2) 強(qiáng)關(guān)聯(lián)性同步控制方法

在生產(chǎn)負(fù)荷穩(wěn)定的情況下，各塔的物料平衡和熱量平衡通過(guò)各級(jí)微調(diào)，基本可以滿足平穩(wěn)控制要求。強(qiáng)關(guān)聯(lián)性發(fā)生在負(fù)荷大幅波動(dòng)的工況下，各級(jí)平衡被打破，要科學(xué)合理同步調(diào)節(jié)各塔的操作變量，達(dá)到新的物料和熱量的動(dòng)態(tài)平衡。具體方法為：根據(jù)合成氣的變化量，實(shí)時(shí)虛擬換算成粗甲醇的產(chǎn)量。如果粗甲醇產(chǎn)量觸發(fā)“同步協(xié)調(diào)控制”的條件，根據(jù)精餾塔當(dāng)前流量計(jì)顯示值，各塔之間經(jīng)驗(yàn)傳遞滯后時(shí)間，按一定比例緩慢同時(shí)調(diào)節(jié)：預(yù)塔進(jìn)料流量調(diào)節(jié)閥、預(yù)塔再沸器蒸汽流量調(diào)節(jié)閥、預(yù)塔塔釜采出流量閥；加壓塔再沸器蒸汽調(diào)節(jié)閥、加壓塔回流量調(diào)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(tǒng)通過(guò)工藝計(jì)算、模型搭建、操作等級(jí)設(shè)置等手段，不管什么工況，能實(shí)時(shí)調(diào)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(shè)置方法

滯后分為塔本身的滯后和系統(tǒng)的滯后。單塔自身滯后前饋設(shè)定：先找出關(guān)聯(lián)變量滯后的時(shí)長(zhǎng)，根據(jù)滯后時(shí)長(zhǎng)計(jì)算出一套控制規(guī)則，當(dāng)識(shí)別到工況發(fā)生變化后，控制器自適應(yīng)響應(yīng)調(diào)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(fù)荷前饋設(shè)定：前饋計(jì)算從甲醇合成氣開始計(jì)算，根據(jù)當(dāng)前合成氣的量，計(jì)算出粗甲醇的量；根據(jù)負(fù)荷傳遞速率，計(jì)算負(fù)荷波動(dòng)影響指標(biāo)的相關(guān)變量；根據(jù)滯后時(shí)間規(guī)則，提前同步和干預(yù)負(fù)荷變化帶來(lái)的影響。

4) 負(fù)荷變化分級(jí)化解方法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，設(shè)置負(fù)荷變化觸發(fā)條件，條件設(shè)置維度有2個(gè)，一個(gè)是變化量，另外一個(gè)是變化時(shí)長(zhǎng)。仍是根據(jù)合成氣的量，計(jì)算粗甲醇的一個(gè)產(chǎn)量(合成氣經(jīng)過(guò)合成反應(yīng)后生成的粗甲醇到精餾裝置的膨脹槽，大概 15 min)；根據(jù)合成氣的量，提前計(jì)算粗甲醇的產(chǎn)量；根據(jù)產(chǎn)量的變化的數(shù)量級(jí)和時(shí)長(zhǎng)，同步調(diào)節(jié)各相關(guān)負(fù)荷變化影響指標(biāo)控制的量。

升負(fù)荷規(guī)則：①以 2 t/h 的增量提高預(yù)精餾塔的進(jìn)料甲醇流量；②在保證預(yù)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(fù)荷規(guī)則：①遵從降負(fù)荷，降進(jìn)料-降蒸汽-降回流原則；②以 2 t/h 的增量降低預(yù)精餾塔的進(jìn)料甲醇流量；③保證預(yù)塔溫度前提下，緩慢降低預(yù)塔再沸器蒸汽流量；④以大約 1.7 t/h 成比例地降低來(lái)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(guān)系表

零手操系統(tǒng)通過(guò)智能控制軟件工藝計(jì)算、建模等方法，搭建一套復(fù)雜的控制邏輯關(guān)系程序。搭建模型前，需要把相關(guān)的變量關(guān)系整理清晰。表1羅列了各控制器的控制變量之間的關(guān)系。

表1 零手操系統(tǒng)控制器變量關(guān)系列表

3.1.3 零手操控制系統(tǒng)載體

零手操控制系統(tǒng)通過(guò)智能控制軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的關(guān)聯(lián)裝置、關(guān)聯(lián)控制回路的設(shè)計(jì)、建模，應(yīng)用高級(jí)技術(shù)和數(shù)學(xué)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更精確的過(guò)程控制?？刂破髟O(shè)計(jì)根據(jù)裝置工藝特點(diǎn)，結(jié)合分析裝置生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)、工程經(jīng)驗(yàn)、裝置設(shè)備等?！翱刂破鹘！惫δ茇?fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)控制器組態(tài)，從“控制器參數(shù)” “操作變量” “干擾變量” “被控變量”幾個(gè)角度給出相關(guān)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)多變量控制器設(shè)計(jì)。通過(guò)工藝調(diào)研制定控制系統(tǒng)中的被控變量、操縱變量以及擾動(dòng)變量，控制器通過(guò)參數(shù)配置可實(shí)現(xiàn)一對(duì)多或多對(duì)多控制，包括權(quán)重分級(jí)和引入控制變量進(jìn)行預(yù)測(cè)控制。確保所有受控變量的控制等級(jí)高于目標(biāo)值控制等級(jí)。一對(duì)多控制中，選擇主要受控變量作為優(yōu)先控制變量，并進(jìn)行受控等級(jí)的二次權(quán)重分配；多對(duì)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(dòng)變量，實(shí)現(xiàn)多變量預(yù)測(cè)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(tǒng)對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。項(xiàng)目實(shí)施引進(jìn)智能控制服務(wù)器部署完成后，安裝對(duì)應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)與霍尼韋爾DCS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)PHD之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)聯(lián)通。涉及的軟件有：微軟操作系統(tǒng)、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(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 甲醇精餾裝置零手操系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 零手操控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

4.1 關(guān)鍵指標(biāo)穩(wěn)定性趨勢(shì)圖投零手操系統(tǒng)前后對(duì)比

預(yù)塔控制器投用前后塔釜液位趨勢(shì)如圖2，相關(guān)數(shù)據(jù)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(yù)塔塔釜液位投用前后數(shù)據(jù)對(duì)比

加壓塔塔釜液位控制器投用前后趨勢(shì)如圖3，相關(guān)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)對(duì)比

4.2 操作次數(shù)和報(bào)警次數(shù)投零手操系統(tǒng)前后對(duì)比

投用零手操控制系統(tǒng)后，操作次數(shù)從615次/d，降到2次/d；報(bào)警次數(shù)從941次/d，降到125次/d，降低幅度達(dá)87%，見表4。

表4 甲醇精餾裝置零手操系統(tǒng)投運(yùn)前后操作次數(shù)和報(bào)警次數(shù)對(duì)比表

三塔精餾系統(tǒng)完成零手操控制系統(tǒng)投用后，各塔的關(guān)鍵指標(biāo)穩(wěn)定性得以大幅提高，波動(dòng)幅度平均降低50%以上，操作次數(shù)從700多次降低到基本為0，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器換人，DCS操作員轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控員，同時(shí)蒸汽消耗得以降低1.2%，產(chǎn)量提高了0.3%。

5 結(jié)束語(yǔ)

甲醇精餾裝置零手操控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，給生產(chǎn)管理和操作模式帶來(lái)變革，同時(shí)產(chǎn)生了很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1)推動(dòng)了生產(chǎn)模式變革。零手操系統(tǒng)上線后，DCS崗位從“操作員”變“監(jiān)護(hù)員”，解放出更多的生產(chǎn)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(yùn)營(yíng)管理當(dāng)中，為傳統(tǒng)化工生產(chǎn)變革為數(shù)字化生產(chǎn)。

2)提升裝置本質(zhì)安全水平。日均操作數(shù)量基本為0，大大降低了傳統(tǒng)化工行業(yè)人為干預(yù)帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，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(zhì)安全水平。

3)零手動(dòng)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(yáng)光下”，讓裝置從本質(zhì)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(wèn)題的能力，提升員工的幸福感和獲得感。

4)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)能減排降碳。零手動(dòng)操作在原來(lái)傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)，對(duì)裝置控制的穩(wěn)定和能源控制的精準(zhǔn)性都有了很大的提升，節(jié)能降耗成效比較明顯。