丁二烯装置脱重脱轻精馏单元先进控制研究与应用

马国英，王冲

丁二烯装置脱重脱轻精馏单元先进控制研究与应用

马国英，王冲

(中国石油兰州石化公司 电仪事业部，甘肃 兰州 730060)

针对丁二烯装置脱重脱轻精馏单元在生产过程中存在干扰多、耦合严重、产品质量难以保证等问题，常规PID控制难以解决，采用基于DeltaV DCS内嵌的多变量预测控制技术建立先进控制系统，通过装置阶跃测试辨识得到脱重脱轻精馏单元传递函数矩阵模型。应用表明： 该系统提高了过程控制平稳性，使主要工艺参数波动均方差减少50%以上。

丁二烯装置 脱重塔 脱轻塔 系统辨识 传递函数 多变量预测控制

近年来，先进控制在石油、化工行业得到广泛应用。先进控制与在线优化技术的实施，使得过程控制更为平稳，并带来显著的经济效益和社会效益[1-2]。本文着重对某石化公司丁二烯装置脱重脱轻精馏单元进行先进控制研究和应用。由于脱重脱轻精馏单元在生产过程中存在着多变量关联和耦合特性，通过常规PID控制及人工调整较难解决该类问题，产品质量也难以得到保证。因而需要通过采用更为高级的控制策略，来适应装置生产过程的需要，对提高装置的运行水平，减少加工损失，提高丁二烯收率，降低产品能耗，增加效益，具有重要的现实意义。

1 工艺简介

脱重脱轻精馏单元主要由脱轻塔和脱重塔组成，脱重脱轻系统均采用普通加压精馏的方法。脱重塔将丁二烯与顺-2-丁烯等重组分进行分离，使粗丁二烯浓度进一步提高，在塔顶得到高浓度的粗丁二烯，塔釜分离出顺-2-丁烯等重组分，由于高浓度的丁二烯容易自聚，该装置采用亚硝酸钠溶液做阻聚剂。脱轻塔将丁二烯与丙炔等轻组分进行分离，在塔顶得到丙炔等馏分，塔釜得到聚合级的丁二烯产品，由于丁二烯的自聚性，该装置采用对叔丁基邻苯二酚溶液做为阻聚剂，防止丁二烯产品自聚。其中，脱轻塔脱除丙炔的过程中造成的丁二烯放空损失占装置加工损失的比重较大，脱重塔分离重组分过程中造成的丁二烯损失也比较高，此为影响装置丁二烯收率的2个主要因素。

2 先进控制技术

先进控制是建立在常规单回路控制之上的动态协调约束控制，可使控制系统适应实际生产过程动态特性和操作要求。本文采用的多变量预测控制技术，其算法的核心由模型预测、反馈修正和滚动优化等组成。采用DeltaV系统中内嵌的模型预测控制策略(MPCPro)，其为基于模型的动态矩阵控制(DMC)，适用于具有耦合及存在众多约束的复杂多变量过程控制。计算步骤为在当前时刻预测未来一定时域内的过程输出，按照基于反馈校正的优化目标函数计算当前控制量。为了防止控制量剧烈变化及超调，一般在优化目标函数中都考虑使未来输出以某参考轨迹最优地去跟踪期望设定值，至下一时刻，根据新测量的数据重新按上述步骤计算控制量，该优化过程不是离线进行，而是反复在线进行，即滚动向前推移。由于每一步优化都建立在实时反馈校正的基础上，因而能弥补模型失配、时变、干扰等不确定因素带来的影响，比传统的最优控制具有更好的鲁棒性[3-5]。当有外界干扰时，塔系各主要工艺参数能自动跟踪调整，使塔系的操作更平稳，在平稳操作的基础上降低能耗，提高主要产品的收率。

3 控制方案

3.1 控制目标

脱重塔分离重组分过程中造成的丁二烯损失比较高，对脱重塔实施先进控制，以提高塔灵敏板温度等主要参数的平稳率，提高丁二烯产品产量与质量。

脱轻塔脱除丙炔的过程中造成丁二烯放空损失占装置加工损失的比重较大，对脱轻塔实施先进控制，以提高关键工艺变量平稳性，稳定脱轻塔操作，保证塔釜丙炔含量以及塔顶放空氧含量指标合格，减小丁二烯的放空损失，提高产品收率。

3.2 控制方案

本文根据脱重塔和脱轻塔工艺特点、控制目标，针对常规控制存在的不足，结合工艺人员操作经验，设计控制方案见表1所列，其中，所有被控变量采用给定点控制，约束变量采用区间控制。

表1 脱重脱轻精馏单元先进控制方案

3.3 控制模型

在预测控制中，过程的内部模型占有相当重要的地位，虽然对它与实际控制对象的拟合精度要求不是特别高，但若大致的结构、稳态增益、时间常数和纯滞后较为准确，则预测结果比较理想，预估控制器就有了良好的基础[5]。在建模过程中，结合脱重脱轻单元的控制方案，根据工艺及装置设备的极限要求，通过对脱重脱轻精馏单元进行阶跃测试和数据分析，确定各MV，DV与CV，AV的对应关系，辩识得到如下传递函数矩阵形式的数学模型，如式(1)所示，作为预测控制所需的内部模型，并根据实际工艺特点和要求选取合理的参考轨迹、MV约束、控制结构等以得到合理的先进控制器。

(1)

3.4 运行效果分析

先进控制器投运后，系统运行平稳，控制精度高，脱重塔回流罐液位，脱轻塔顶温控制效果如图1，图2所示。通过调节脱重塔热源冷凝水量，保持脱重塔灵敏板温度、塔顶温度、塔侧线温度运行稳定；通过小幅度调节回流罐采出量，克服干扰，实现对回流罐液位的平稳控制。通过调节脱轻塔再沸器供给热量，小幅度调节回流量，保持塔灵敏板温度、塔顶温度平稳运行，从而实现了该单元平稳运行。标定结果表明： 设计实施的脱重脱轻精馏单元多变量预估先进控制器是切实可行的，提高了过程控制的平稳性，使主要工艺参数波动均方差减少50%以上。

图1 脱重塔回流罐液位常规控制和先进控制运行效果对比曲线

图2 脱轻塔顶温常规控制和先进控制运行效果对比曲线

4 结束语

丁二烯装置脱重脱轻精馏单元先进控制系统的投用，解决了常规控制存在的不足，进一步提高了装置的自动控制水平，实现了装置平稳、快速和准确的控制，减少了主产品丁二烯产品的损失，减少了副产品丙炔的排空，降低了操作人员劳动强度，节能降耗，达到了良好的应用效果。先进控制系统的长期投用将给装置带来较好的经济效益和社会效益，值得推广应用。

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马国英(1975—)，女，甘肃兰州人，1995年毕业于兰州石化职业技术学院化工仪表及自动化专业，现就职于兰州石化公司，从事控制系统技术管理及维护工作，任工程师。

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1007-7324(2017)02-0060-03

稿件收到日期： 2016-12-24，修改稿收到日期： 2017-01-08。