乙二醇装置上的APC技术应用

杨文华，金治东

(湖北三宁化工股份有限公司， 湖北枝江 443200)

湖北三宁化工股份有限公司(简称三宁公司)60万t/a乙二醇装置采用日本设计公司多级精馏制取聚酯级乙二醇方法。乙二醇精馏主要是利用精馏原理将加氢反应产物粗乙二醇中的甲醇、乙醇、水、乙醇酸甲酯、1,2-丁二醇、二乙二醇、三乙二醇等杂质分离出来，得到聚酯级乙二醇产品,以及甲醇、粗乙醇、混合醇等副产品[1-2]，所涉及到的主要设备包括：第一精馏塔、第二脱醇塔、甲醇分离塔、脱轻塔、脱水塔、第三脱醇塔A/B、精制塔等。

该精馏装置运用简单的比例积分微分(PID)控制，但整体自动化水平较低，人员操作强度大，尤其是内操，很难保证装置长期稳定运行。同时，乙二醇产品质量与精馏工况密切相关，因此三宁公司采用浙江中软软件平台，以乙二醇精馏装置为解决对象，自主实施先进过程控制(APC)技术，优化乙二醇工艺过程，提高装置的稳定水平，降低装置的消耗和系统的内操频次。

1 乙二醇精制单元工艺流程

乙二醇精馏单元由多个精馏塔串联一起工作，图1为第一精馏塔和第二脱醇塔的工艺流程。

来自罐区的原料A(粗乙二醇)和原料B(甲醇)通过换热器进入第一精馏塔中，通过底部再沸器换热，一部分粗乙二醇从塔釜进入第二脱醇塔，轻组分回流至第一精馏塔和进入第二脱醇塔顶部。粗乙二醇进入第二脱醇塔后，经过底部蒸汽再沸器换热后，一部分作为精甲醇采出，另一部分提压后进入甲醇分离塔。甲醇分离塔的作用是回收粗乙二醇中的甲醇，将一部分甲醇继续采出，另一部分粗乙二醇送至脱轻塔。脱轻塔的作用是将第一精馏塔塔顶采出的轻组分中的杂醇油进行分离，得到经过初步精馏的粗乙二醇进入脱水塔。脱水塔的作用是脱除粗乙二醇中的一元醇、水和低沸点的二元醇。利用相同的精馏原理，脱酮塔和共沸塔脱除粗乙二醇中的二元醇，最后在精制塔中分离得到精乙二醇产品。

2 存在的问题

乙二醇装置属于生产产品的末端装置，原料来自乙二醇加氢合成的罐区，整个装置及关联单元属于多变量耦合系统，在生产操作过程中需要克服变量间的强耦合特性，以保持装置之间以及各单元操作内部的物料平衡和能量平衡。基于人工经验的过程控制难以确保乙二醇装置的平稳运行和节能降耗，操作难度较大。另外，由于各班组操作习惯不同，因此控制品质也存在一定的差异。目前，在整个精馏塔系统平衡方面存在着较大波动，主要体现在以下3个方面：

(1) 根据物料平衡及时调整第一精馏塔塔顶采出量和回流量，具体参数设定值需要根据检测分析结果进行摸索调整；进料组分变化大时很难及时调整，造成精馏塔整体失衡，出料质量不合格。

(2) 精馏塔供热蒸汽波动较大，造成精馏塔温度控制、压力控制、回流量控制、塔釜液位控制方面波动较大，操作人员需要时刻紧盯各参数变化，根据蒸汽波动及时调整蒸汽压力，进而稳定精馏塔的工艺参数平衡。

(3) 精馏塔塔釜蒸汽流量计监测存在显示失真现象，操作人员无法将流量与相关温度组成自动控制。

上述控制问题很难通过简单的PID控制和人工调节来解决。APC技术能对产品质量和装置参数波动幅度进行预测，并充分考虑各变量的耦合，从而实现装置平稳控制[3]。因此，采用APC技术可提高装置的平稳性，降低能耗，并保证满足操作约束，从而达到提高经济效益的目的。

3 APC控制策略

3.1 总体思路

APC技术通过数学模型对控制系统未来状态进行预测，并采用反馈校正和在线滚动优化的方法矫正系统行为，实现乙二醇装置的闭环优化控制。APC技术具有以下特点：(1) 在偏差控制的基础上，将数学模型作为控制器内部模型，并充分利用过程信息和知识信息，实现多目标协调优化控制；(2) 保留原有的复杂控制，能有效处理各种过程约束。APC控制器算法、模型参考文献[4]中的分馏系统多变量预估控制器。

为了使乙二醇装置平稳运行，APC设计从物料平衡、节能降耗、减少操作工劳动强度等方面出发，对装置回路进行调整。具体从以下4个维度进行控制：

(1) 压力稳定控制。各个精馏塔的压力是实现乙二醇装置稳定控制的基础，如果压力波动太大，则对应温度等失去参考价值。因此，除了常压塔压力恒定，不需要压力控制外，其他塔的控制应优先保证塔压力稳定。

(2) 塔内物料平衡。精馏塔物料平衡主要涉及各个塔顶回流、各个塔之间进出料的平衡控制。由于乙二醇精馏塔区别传统的精馏塔，粗乙二醇中各组分在分离塔中沸点相近，塔内组分变化时对应塔灵敏板温度变化不明显；因此，物料平衡应优先考虑基于全流程物料平衡控制思路，具体到每个塔为采用类似内回流的方式进行控制(回流串回流罐液位)，以局部克服蒸汽波动及外界干扰，避免蒸汽及外界小幅度干扰冲击。

(3) 供热负荷平衡及塔内气液交互平衡。在塔顶回流罐液位自调强跟踪的基础上，使塔底供热负荷匹配塔回流比及塔内提馏段温度，实现稳定回流比控制及塔底温度控制，保障塔内热量交互平衡及塔内组分分布梯度相对稳定，从而使全塔趋于平衡。

(4) 各塔之间物料互供平衡及质量切割。在各塔稳定的基础上，依据各塔进料组分、塔精馏段温差等参数，辅助确认塔上部切割出料占进料的比例，控制前后塔间物料互供相对稳定。

3.2 第一精馏塔控制策略

以第一精馏塔的APC为例，具体控制策略为：

(1) 塔顶回流量控制。

建立塔釜蒸汽进口压力与塔顶回流量、塔釜蒸汽进口压力与塔顶采出量，以及塔顶气相出口温度与液相回流温度偏差的APC控制器(通过历史数据分析加入算法后建立的控制模型)。塔釜蒸汽进口压力、塔顶气相出口温度设为操作变量，塔顶回流量、塔顶采出量、液相回流温度偏差设为被控变量，以塔釜蒸汽进口压力为主调变量，通过蒸汽调节阀控制塔釜蒸汽进口压力稳定在工艺要求控制范围内。

(2) 塔釜气相温度控制。

建立塔釜气相温度与塔釜蒸汽进口压力、塔顶回流量的APC控制器，以塔釜蒸汽进口压力为主调变量，通过蒸汽调节阀控制塔釜蒸汽进口压力稳定在工艺要求控制范围内。

(3) 塔釜蒸汽进口压力控制。

建立塔釜蒸汽进口压力与蒸汽管网中的0.6 MPa蒸汽、0.1 MPa蒸汽压力的APC控制器，调节0.6 MPa蒸汽进口调节阀、0.1 MPa蒸汽进口调节阀控制蒸汽进口压力，减少对精馏塔整体平衡的影响。

4 APC投运效果

APC技术投运后，乙二醇装置取得良好的控制效果，抗干扰能力强，并能协调各个过程控制变量，使装置更加平稳。同时，该控制系统减轻了操作人员的劳动强度，实现装置优化控制，降低了操作成本。达到了预期的建设目标，即

(1) 实现了常规PID控制和APC的无扰切换，提高了装置平稳性。

(2) 降低操作人员的劳动强度。

(3) 提高了工艺平稳率，生产装置综合平稳率达99.96%,环比提高22百分点。

APC投运前后效果图见图2、图3。

5 结语

APC技术投用以后，大幅减小了乙二醇装置主要控制指标的波动，并且该控制系统与下位机DCS700系统可进行无扰动自由切换,不仅实现了生产装置的安全稳定运行，提高了产品质量及产量，而且也降低了操作人员的劳动强度。