王旭

（中國石化工程建設(shè)公司，北京100101）

在石油煉制、石油化工和其他化工生產(chǎn)中，精餾是應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)過程，其目的是將混合液中的各組分進(jìn)行分離，使之達(dá)到所規(guī)定的純度。精餾裝置一般由精餾塔、再沸器、冷凝器、回流罐以及一些輔助設(shè)備組成。精餾過程實(shí)質(zhì)上是利用混合物中各組分揮發(fā)度的不同，即在同一溫度下各組分的蒸汽分壓不同這一性質(zhì)，使液相中的輕組分和氣相中的重組分互相轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)分離的目的。精餾過程要消耗能量，根據(jù)美國的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在石油和化學(xué)工業(yè)的總能耗中，大約有40%～50%消耗在精餾過程中，因而精餾裝置是耗能較大的操作單元之一。在乙烯裝置中，由于分離各個(gè)組分的需要，精餾塔的應(yīng)用較多而且操作狀況各不相同，為了更有效地分離出裂解氣中的各個(gè)組分，對于精餾塔的操作和控制就提出了更高的要求?；诖?，筆者從工程角度對乙烯裝置中的精餾塔的控制方法進(jìn)行了探討。

1 精餾塔的基本控制方案理論指導(dǎo)

精餾塔屬于典型的多變量對象，往往設(shè)有多個(gè)控制系統(tǒng)。在多個(gè)受控變量和操縱變量中，選定一種變量配對，就可以組成一種控制方案。而如何從許多控制方案中選擇一種比較合理的方案是較為棘手的問題。20世紀(jì)60年代中期以后，Shinskey和他的同事們用一種全新的方法成功地設(shè)計(jì)了一系列復(fù)雜的精餾塔控制系統(tǒng)，并取得了良好的控制效果。該方法的核心是以靈敏度和Bristol相對增益概念作為基本分析依據(jù)來解決精餾塔控制中的變量配對問題。概括地說，Shinskey提出的新方法可以歸結(jié)成以下3條準(zhǔn)則：1）當(dāng)僅需要控制塔一端的產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用物料平衡方式來控制該產(chǎn)品的質(zhì)量；2）塔兩端產(chǎn)品流量較小者，應(yīng)當(dāng)作為操縱變量去控制塔的產(chǎn)品質(zhì)量；3）當(dāng)塔的兩端產(chǎn)品均需要按質(zhì)量控制時(shí)，一般對含較少純產(chǎn)品、較多雜質(zhì)的一端的質(zhì)量控制選用物料平衡控制，而含較多純產(chǎn)品、較少雜質(zhì)的一端的質(zhì)量控制選用能量平衡控制。

所謂物料平衡控制與能量平衡控制是指當(dāng)選用頂部產(chǎn)品餾出物流量或底部采出液流量來作為操縱變量控制產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，稱為物料平衡控制。物料平衡控制是響應(yīng)較為快速的控制，但對一個(gè)控制系統(tǒng)而言，物料控制為了控制一個(gè)變量會(huì)因?yàn)轳詈详P(guān)系對多個(gè)變量造成影響，所以物料控制通常用在粗調(diào)的場合。而當(dāng)選用頂部回流冷劑量或再沸器加熱劑量來作為操縱變量時(shí)，則稱為能量平衡控制。能量平衡控制的響應(yīng)速度相對來說較為緩慢，但對一個(gè)控制系統(tǒng)而言，能量控制的控制精度更高，通常能與高級控制以及先進(jìn)控制相結(jié)合運(yùn)用。這3條準(zhǔn)則既是Shinskey多年從事精餾控制的經(jīng)驗(yàn)結(jié)晶，也是現(xiàn)代化工過程控制理論有關(guān)多變量控制理論的Bristol-Shinskey方法的一個(gè)最成功的應(yīng)用。盡管Shinskey準(zhǔn)則在工程上的應(yīng)用并不是絕對的，但卻能有效地提供關(guān)于精餾塔控制方面的指導(dǎo)。

同時(shí)，在考慮精餾塔的控制方案中，必須注意到，精餾塔只是生產(chǎn)過程中的一個(gè)環(huán)節(jié)，尤其是在乙烯裝置冷區(qū)及冷區(qū)之后的各組分分離過程中，精餾操作一個(gè)接著一個(gè)，上一個(gè)精餾操作的輸出就是下一個(gè)精餾操作的輸入，這意味著，不僅前一工序精餾塔的操作情況要影響到后一工序的操作，而且前一精餾塔產(chǎn)品產(chǎn)量和成分等變化也要影響到后一工序的操作。因此，在設(shè)計(jì)精餾塔控制方案時(shí)，筆者在以Shinskey方法3條準(zhǔn)則作為理論指導(dǎo)的前提下，必須協(xié)調(diào)好前后工序的關(guān)系，進(jìn)而在深入了解工藝背景的情況下，根據(jù)具體的情況來選擇合適的控制方法。

2 乙烯裝置精餾塔的基本控制方法

精餾塔控制的最終目的是使產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)滿足要求，而反映質(zhì)量指標(biāo)最直接的參數(shù)是成分或物性參數(shù)。近年來，由于成分物性檢測儀表的快速發(fā)展和普及，特別是紅外分析儀在乙烯裝置烴類分析中越來越多的應(yīng)用，直接指標(biāo)的質(zhì)量控制已成功應(yīng)用在乙烯精餾塔和丙烯精餾塔的靈敏板產(chǎn)品組分控制中，直接保證了乙烯裝置最終產(chǎn)品的質(zhì)量；但是目前間接控制仍舊是乙烯裝置精餾塔控制領(lǐng)域主流且有效可行的控制手段。一方面由于紅外分析儀的價(jià)格較昂貴，在精餾塔的各個(gè)位置均采用直接質(zhì)量控制會(huì)增大儀表的投資，但并不能顯著提高裝置的投入產(chǎn)出比；另一方面，采用塔壓、塔板溫度等間接質(zhì)量指標(biāo)能取得與直接質(zhì)量控制同等的控制效果。可以說，直接質(zhì)量指標(biāo)控制是對以Shinskey準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的乙烯裝置精餾塔控制方法的一個(gè)革新。

間接質(zhì)量指標(biāo)控制往往選取塔壓、塔板溫度，頂部產(chǎn)品餾出物流量或底部采出液流量，冷凝劑的流量以及再沸器加熱介質(zhì)的流量作為受控變量。這是由于一方面有些變量對精餾塔的分離效果會(huì)產(chǎn)生更大的影響；另一方面有些變量由于精餾塔各個(gè)參數(shù)的耦合關(guān)系可以有效地替代另外的變量作為受控變量，這是一個(gè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人為解耦的過程。在目前的精餾塔控制中，溫度仍是最常用的間接質(zhì)量指標(biāo)。以下結(jié)合采用順序分離工藝流程的具有代表性的某國內(nèi)乙烯裝置的實(shí)例，對精餾塔控制方案進(jìn)行說明：

1）在該乙烯裝置乙烯和丙烯精餾塔塔頂?shù)木s段，工藝流程如圖1所示。正常操作時(shí)因?yàn)樗斀M分較純凈，根據(jù)Shinskey方法準(zhǔn)則3，采用能量平衡控制來保證塔壓的穩(wěn)定，當(dāng)精餾塔塔頂壓力波動(dòng)時(shí)，通過調(diào)節(jié)冷凝器冷劑流量控制塔壓（P-101A控制回路）；當(dāng)裝置開車或塔壓有較大波動(dòng)時(shí)，塔頂組分會(huì)含較多雜質(zhì)，通過物料平衡控制把塔頂回流罐氣體排放至火炬來迅速穩(wěn)定塔壓（P-101B控制回路）；當(dāng)發(fā)生塔頂壓力高高的情況時(shí)，表明再沸器對塔釜物料加熱過多造成塔釜物料的氣化量過大，將引發(fā)精餾塔聯(lián)鎖動(dòng)作，切斷再沸器熱劑進(jìn)料閥。圖1中，一般還會(huì)在回流罐上部設(shè)一不凝氣采出點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)采出不凝氣的量來及時(shí)控制塔壓，盡量避免通過火炬系統(tǒng)或安全聯(lián)鎖來控制塔壓。

2）在該乙烯裝置中乙烯和丙烯精餾塔塔底的提餾段，采用正常操作時(shí)，紅外分析儀分析得到的乙烯和丙烯組分濃度作為主回路被控變量，再沸器熱源進(jìn)料流量作為副回路被控變量，利用串級控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)塔釜物料氣化量（能量平衡控制），提餾段工藝流程如圖2所示，即前面所述的直接質(zhì)量指標(biāo)控制方式。在有些乙烯裝置中精餾塔提餾段是采用溫度作為質(zhì)量指標(biāo)間接控制的，通過控制靈敏板溫度來調(diào)節(jié)塔底再沸器熱劑量滿足生產(chǎn)需要。從動(dòng)態(tài)的角度來看，被控溫度變量測溫點(diǎn)選擇應(yīng)盡量使控制通道滯后小，理論上在提餾段控制時(shí)應(yīng)把該測溫點(diǎn)放在塔釜的液相中，通過控制塔釜的溫度來間接控制塔釜的組分。然而在實(shí)際的應(yīng)用中，在塔釜放置該測溫點(diǎn)是非常罕見的，通常是放置在靠近塔頂或塔底中間區(qū)域的某塔板處，在該塔板處一個(gè)組分的變化導(dǎo)致的溫度變化將比塔頂或塔底具有更高的靈敏性，該塔板處的溫度就是靈敏板溫度。

圖1 精餾段工藝流程示意

圖2 提餾段工藝流程示意

3）乙烯精餾塔的最終產(chǎn)品乙烯和丙烯精餾塔的最終產(chǎn)品丙烯都是從精餾塔的中部抽取得到，為了達(dá)到更好的組分分離效果，得到更高純度的產(chǎn)品，有時(shí)會(huì)在塔中部設(shè)置中間再沸器。這時(shí)由于產(chǎn)品純度較高，一般采用能量平衡控制方式。為了保持塔壓恒定，乙烯或丙烯精餾塔塔頂回流罐的回流量通過比例控制調(diào)節(jié)乙烯或丙烯產(chǎn)品的產(chǎn)出量。

4）在塔釜，采用均勻控制，通過把塔釜液位作為主回路被控變量，利用串級控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)塔釜流出物料的流量，進(jìn)而維持下游設(shè)備進(jìn)料的穩(wěn)定并且有效地控制塔液位?？刂扑何坏闹饕康氖潜M量保持精餾塔塔壓恒定。

5）精餾塔需測量塔頂、塔中部及塔釜若干段的差壓（通過開關(guān)取壓點(diǎn)的根部閥來選擇被測量取壓點(diǎn)），塔的差壓是判斷液泛現(xiàn)象的可靠標(biāo)志。液泛是由于精餾塔內(nèi)氣液兩相流速過高導(dǎo)致塔內(nèi)積液，破壞塔內(nèi)部的物料平衡，進(jìn)而破壞分離作用的現(xiàn)象。只有保證塔的差壓小于液泛點(diǎn)，才能有效地防止塔板發(fā)生液泛現(xiàn)象。

6）在精餾塔自塔頂至塔釜的若干塔板處，還設(shè)有溫度指示檢測點(diǎn)。溫度指示體現(xiàn)了塔壓分布，塔壓分布又體現(xiàn)了塔中各組分的分布，既為現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員提供了一個(gè)人工干預(yù)調(diào)節(jié)的依據(jù)，又為工廠未來自動(dòng)化程度提高后的組態(tài)升級、優(yōu)化控制提供了一個(gè)被控變量組態(tài)點(diǎn)。

7）對精餾塔冷凝器、回流罐、再沸器、再沸器凝液罐，為了使冷凝器或再沸器的殼程液位以及回流罐或再沸器凝液罐液位能及時(shí)有效地控制且不脫離整個(gè)精餾系統(tǒng)，對液位采用超馳控制方式或串級控制方式，并將控制器的輸出并入精餾塔物料平衡或能量平衡控制器中，構(gòu)成一個(gè)超弛控制或串級控制系統(tǒng)。

以上就是該乙烯裝置精餾塔采用的控制方法。在實(shí)際操作中，還有一些比較有效的控制方法可供選擇。例如，在精密精餾時(shí)，可考慮采用溫差控制。在上文介紹的靈敏點(diǎn)溫度控制中，能實(shí)現(xiàn)精密精餾的一個(gè)前提條件是塔壓保持恒定，因?yàn)槲锪系姆悬c(diǎn)會(huì)隨壓力的變化而發(fā)生變化。在組分間相對揮發(fā)度較小的情況，壓力的變化比組分的變化對溫度的影響大。如果采用溫差控制，溫差的兩個(gè)測溫點(diǎn)的溫度隨壓力變化產(chǎn)生方向一致的變化，使得溫差變化很小，壓力波動(dòng)的影響幾乎可以忽略不計(jì)。實(shí)際操作中，相對揮發(fā)度較小的乙烯－乙烷，丙烯－丙烷精餾可采用此溫差控制方法來控制精餾操作；也可以考慮采用靈敏點(diǎn)溫度的壓力補(bǔ)償，這樣能把壓力變化造成物料的沸點(diǎn)變化和靈敏點(diǎn)位置的漂移影響減弱甚至消除?？偠灾?，精餾塔的操作，是建立在若干分餾操作基礎(chǔ)上的，分餾的操作使進(jìn)入精餾塔的物料純度會(huì)比較高，因而決定了精餾塔的控制主要是以能量平衡控制為主。

3 模型預(yù)測控制的應(yīng)用展望

眾所周知，精餾塔是一個(gè)時(shí)間常數(shù)較大的對象，實(shí)時(shí)性要求不高，所以現(xiàn)階段經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)仍然在乙烯裝置精餾塔控制中廣泛應(yīng)用。操作工根據(jù)塔頂、塔底及若干塔板處的溫度指示和塔頂、塔底壓力指示適當(dāng)調(diào)節(jié)各PID控制器的設(shè)定值，使產(chǎn)品在塔壓或物料組分的波動(dòng)下仍然能達(dá)到性能指標(biāo)要求。影響精餾塔分離效果的變量不僅僅是塔板溫度、塔釜溫度、塔頂溫度以及塔壓等內(nèi)在因素，還包括冷凝劑的流量、再沸器加熱介質(zhì)的流量、進(jìn)料流量、進(jìn)料流量中各組分濃度以及環(huán)境溫度等外在因素。如果考慮全部影響因素建立系統(tǒng)的模型并給出相應(yīng)的控制策略，將是一個(gè)龐大的耦合控制系統(tǒng)，模型辨識(shí)的不確定性和復(fù)雜性會(huì)對系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生不利的影響。這些影響導(dǎo)致基于模型精確辨識(shí)或模型不確定性精確辨識(shí)的先進(jìn)控制理論不適用于乙烯裝置精餾塔的控制，例如魯棒控制和自適應(yīng)控制。

模型預(yù)測控制（MPC）是一種不以追求精確辨識(shí)模型為目標(biāo)最終達(dá)到最優(yōu)指標(biāo)的先進(jìn)控制方法。MPC包括預(yù)測模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正三個(gè)部分。預(yù)測模型的功能是根據(jù)對象的歷史信息和未來輸入預(yù)測其未來輸出，這里只強(qiáng)調(diào)模型的功能而不強(qiáng)調(diào)其結(jié)構(gòu)形式；滾動(dòng)優(yōu)化是通過某一性能指標(biāo)的最優(yōu)來確定未來的控制作用，該性能指標(biāo)是有限時(shí)域內(nèi)的優(yōu)化性能指標(biāo)，可以用二次型、期望方差或范數(shù)的值來量化，且優(yōu)化不是離線進(jìn)行，而是反復(fù)在線進(jìn)行的；在系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)化性能指標(biāo)確定的有限時(shí)域內(nèi)某一時(shí)刻的控制作用實(shí)施后，檢測對象下一時(shí)刻的實(shí)際輸出，并利用這一實(shí)時(shí)信息對基于模型的預(yù)測進(jìn)行修正，再進(jìn)行新的優(yōu)化。現(xiàn)在典型的預(yù)測控制包括動(dòng)態(tài)矩陣控制（DMC）、模型算法控制（MAC）、廣義預(yù)測控制（GPC）和預(yù)測函數(shù)控制（PFC）等。DMC與MAC的主要區(qū)別是DMC采用對象的階躍響應(yīng)，而MAC采用對象的脈沖響應(yīng)；GPC采用受控自回歸積分滑動(dòng)平均模型，其與DMC和MAC的區(qū)別主要是DMC和MAC是在保持預(yù)測模型不變的基礎(chǔ)上，對未來的誤差做出預(yù)測并加以補(bǔ)償來進(jìn)行反饋校正，而GPC則采用直接修改預(yù)測模型的方法進(jìn)行反饋校正；PFC是MAC發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，在通過優(yōu)化過程計(jì)算未來的控制作用時(shí)，PFC首次注意到控制量的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，每一時(shí)刻加入的控制輸入量被看作是由若干事先選定的基函數(shù)組合而成的。MPC的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MPC的基本結(jié)構(gòu)示意

前面已提到，乙烯裝置精餾塔的被控對象是時(shí)間常數(shù)較大的對象，對控制的實(shí)時(shí)性要求不高，而預(yù)測控制不但運(yùn)算量大，而且通信量大，會(huì)有一些時(shí)間延遲，這為預(yù)測控制的應(yīng)用提供了平臺(tái)。然而在預(yù)測控制應(yīng)用時(shí)，希望預(yù)測模型盡可能快速并且精確地反映出受控過程，根據(jù)預(yù)測模型的優(yōu)化性能指標(biāo)計(jì)算得到的該采樣周期的控制輸入，才能對真正的被控變量有最好的控制效果。因此，預(yù)測控制的出現(xiàn)并不意味著它對隨動(dòng)系統(tǒng)有著廣泛的適用性，如果反饋校正更多地是用來修正預(yù)測模型，那么它對受控過程的優(yōu)化控制必然會(huì)受到影響。在實(shí)際過程控制中，精餾塔這一被控對象會(huì)受到各種過程變量的擾動(dòng)，過程擾動(dòng)會(huì)增加模型的不確定性，而模型的不確定性，尤其是頻繁擾動(dòng)造成模型的不確定性，使得預(yù)測控制的控制會(huì)更多地耗費(fèi)在預(yù)測模型這一步上，所以一直以來抗擾性是預(yù)測控制應(yīng)用的缺陷，也就是說，抑制擾動(dòng)是預(yù)測控制能夠得到充分有效利用的前提?；诖?，串級－反饋預(yù)測控制在預(yù)測控制的應(yīng)用中會(huì)有更廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。串級－反饋控制結(jié)構(gòu)如圖4所示，PID控制器和時(shí)間常數(shù)較小的被控對象以及二次擾動(dòng)（劇烈的擾動(dòng)）在副回路中，整個(gè)回路的滯后較小，能快速消除二次干擾對被控對象的影響；MPC與副回路對象、一次擾動(dòng)（緩慢的擾動(dòng)）和時(shí)間常數(shù)較大的被控對象構(gòu)成主回路，圖中虛線框內(nèi)廣義對象是一個(gè)滯后時(shí)間較大的對象，MPC-PID的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的魯棒性。

圖4 串級－反遺控制結(jié)構(gòu)示意

在現(xiàn)階段的乙烯裝置精餾塔控制中，國外已經(jīng)有了一定的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。國內(nèi)由于經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)的理念深入人心，預(yù)測控制還沒有得到廣泛的應(yīng)用，除了投資成本的考慮，即使有些裝置配置了預(yù)測控制軟硬件，過程擾動(dòng)的影響仍舊需要操作人員去頻繁地人工干預(yù)，結(jié)果往往是將預(yù)測控制束之高閣，回到人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)。雖然操作人員的經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)和規(guī)范操作可以有效抑制系統(tǒng)中的擾動(dòng)，但是人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)是不可能達(dá)到先進(jìn)控制的優(yōu)化控制效果的，尤其是操作的精確度和精餾產(chǎn)品的純度。乙烯裝置作為化工裝置的龍頭裝置，精餾塔精餾產(chǎn)品的純度直接決定了下游各生產(chǎn)裝置的運(yùn)行成本和產(chǎn)品質(zhì)量，是乙烯裝置生產(chǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)。因此，隨著先進(jìn)控制技術(shù)的不斷發(fā)展、投入成本越來越低的外部環(huán)境和乙烯裝置越來越高的自動(dòng)化水平要求以及石化工廠低能耗、低成本、高產(chǎn)出、高指標(biāo)的發(fā)展趨勢，MPC必定會(huì)在未來的乙烯裝置精餾塔控制中占據(jù)一席之地。

4 結(jié)束語

筆者從精餾塔控制的理論基礎(chǔ)，現(xiàn)階段乙烯裝置精餾塔控制的主要方法，結(jié)合某乙烯裝置實(shí)例講述了采用該控制方法的具體應(yīng)用，預(yù)測控制在精餾塔控制中的應(yīng)用展望四個(gè)方面對乙烯裝置精餾塔的控制做出了說明和總結(jié)?，F(xiàn)階段，人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)已經(jīng)達(dá)到了其控制作用的最好效果，預(yù)測控制理論在工業(yè)化應(yīng)用的道路上正不斷前進(jìn)，未來的乙烯裝置精餾塔控制方法，必定是人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)和先進(jìn)控制應(yīng)用的結(jié)合，魯棒性和最優(yōu)化的統(tǒng)一。

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