阮粉連

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，上海 200540)

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先進(jìn)控制在歧化異構(gòu)化和吸附分離裝置上的應(yīng)用

阮粉連

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，上海 200540)

介紹了上海漢中諾軟件科技有限公司研究開發(fā)的先進(jìn)過程控制技術(shù)(APC)在中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部2#歧化異構(gòu)化和2#吸附分離裝置上的應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明：APC在2#歧化異構(gòu)化和2#吸附分離裝置上的實(shí)施，提高裝置的控制水平，實(shí)現(xiàn)操作平穩(wěn)、卡邊控制，達(dá)到了增產(chǎn)增效的目的。

先進(jìn)過程控制技術(shù)歧化異構(gòu)化吸附分離

目前，世界上各主要石油公司都把提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平作為少投入、多產(chǎn)出、快速挖潛增效、提高企業(yè)競爭力的有效途徑。先進(jìn)過程控制(Advanced Process Control,簡稱APC)技術(shù)是用多變量模型來描述過程的動(dòng)態(tài)特性，用模型預(yù)測過程輸出軌跡與希望軌跡的距離，作為控制質(zhì)量指標(biāo)，求得最優(yōu)的控制策略。反饋校正、在線滾動(dòng)優(yōu)化，以解決大時(shí)滯、強(qiáng)耦合的多變量過程控制問題。在多變量控制器中，一般的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，保證生產(chǎn)裝置始終運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳狀態(tài)，以獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。APC的推廣應(yīng)用，可以有效穩(wěn)定裝置操作，減輕操作負(fù)荷，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高控制水平。在某種程度上，APC可以稱為石化企業(yè)增產(chǎn)增效的“加速器”[1]。中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)芳烴部2#歧化異構(gòu)化和2#吸附分離裝置于2009年9月建成投用，年產(chǎn)對(duì)二甲苯(PX)600 kt。上海漢中諾軟件科技有限公司根據(jù)裝置生產(chǎn)過程的操作狀況和要求，對(duì)其開發(fā)和實(shí)施了APC技術(shù)用以提高裝置控制水平，在提高裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性的同時(shí)，進(jìn)一步挖掘裝置潛力，實(shí)現(xiàn)降低能耗和提高目標(biāo)產(chǎn)品收率的目的。

1　2#歧化異構(gòu)化和2#吸附分離裝置工藝簡介

2#歧化異構(gòu)化和2#吸附分離裝置主要由歧化異構(gòu)化和吸附分離裝置組成。其中，歧化異構(gòu)化裝置又分為歧化裝置和異構(gòu)化生產(chǎn)裝置兩個(gè)部分，歧化裝置采用臨氫/固定床氣固催化甲苯歧化工藝，主要產(chǎn)品有二甲苯和苯，設(shè)計(jì)操作負(fù)荷為1 130 kt/a；異構(gòu)化裝置采用中國石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院(簡稱石科院)乙苯脫烷基工藝技術(shù)，裝置與吸附分離裝置聯(lián)合,可單產(chǎn)對(duì)二甲苯或聯(lián)產(chǎn)鄰、對(duì)二甲苯，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為混合C8芳烴2 440 kt/a。2#吸附分離裝置又分為吸附分離裝置和二甲苯分餾裝置兩個(gè)部分，吸附分離裝置采用美國環(huán)球油品公司(UOP)的Parex專利技術(shù)，裝置原設(shè)計(jì)原料處理能力為3 040 kt/a，對(duì)二甲苯產(chǎn)能600 kt/a；二甲苯分餾裝置采用精密分餾工藝，裝置原設(shè)計(jì)原料處理能力為3 610 kt/a。

歧化裝置現(xiàn)有操作負(fù)荷為設(shè)計(jì)負(fù)荷的80%，裝置以C603成品塔塔頂甲苯和罐區(qū)補(bǔ)充的新鮮甲苯以及C803重芳烴塔塔頂?shù)腃9為原料，通過控制罐區(qū)補(bǔ)充的新鮮甲苯的量來穩(wěn)定進(jìn)料組成(甲苯/C9比約為6∶4左右)，裝置主要產(chǎn)品有二甲苯和苯，苯作為成品直接送往罐區(qū)，二甲苯作為吸附分離裝置的一股原料，在吸附分離裝置中進(jìn)行進(jìn)一步分離生產(chǎn)高純度的對(duì)二甲苯。裝置的主要能耗點(diǎn)為F551甲苯再沸爐，燃料氣用量在2 600 kg/h，通過優(yōu)化操作可以適當(dāng)降低燃料氣的用量。

異構(gòu)化裝置進(jìn)料來自于吸附分離部分的抽余液，以貧對(duì)二甲苯的混合C8芳烴中的鄰、間二甲苯為原料，轉(zhuǎn)化成高附加值的同分異構(gòu)的對(duì)二甲苯，以及將乙基苯轉(zhuǎn)化為苯。異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)異構(gòu)化脫庚烷塔分出C6～C7餾份后，塔底物送往二甲苯分餾裝置作原料，塔頂C6～C7餾分與歧化汽提塔頂C6餾分混合后送往芳烴抽提裝置作原料。與吸附分離裝置聯(lián)合，可單產(chǎn)對(duì)二甲苯或聯(lián)產(chǎn)鄰、對(duì)二甲苯。裝置現(xiàn)有負(fù)荷為設(shè)計(jì)負(fù)荷的80%，主要的控制點(diǎn)均能實(shí)施自動(dòng)控制。裝置的主要能耗點(diǎn)為F701異構(gòu)化反應(yīng)加熱爐，燃料氣用量在4 000 kg/h，通過優(yōu)化操作可以適當(dāng)降低燃料氣的用量。

吸附分離裝置將其對(duì)二甲苯與其同分異構(gòu)體(鄰二甲苯、間二甲苯、乙苯)分開，原料來自二甲苯精餾生產(chǎn)裝置的C8芳烴，吸附分離后得到純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不低于99.8%的對(duì)二甲苯。裝置主要熱源為二甲苯塔底物料，穩(wěn)定各塔操作后可以減少用來換熱的二甲苯塔底物料用量，降低裝置能耗。

二甲苯分餾裝置通過重整油分離塔、二甲苯塔和重芳烴塔為芳烴抽提裝置、歧化裝置及吸附分離裝置提供原料。它將重整油分離塔來的二甲苯、歧化、異構(gòu)化裝置來的二甲苯集中處理。裝置目前處于滿負(fù)荷運(yùn)行，有少量的提量空間。

2　APC在裝置上的應(yīng)用和開發(fā)

自動(dòng)控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置(稱控制裝置或控制器)，使機(jī)器，設(shè)備或生產(chǎn)過程(統(tǒng)稱被控對(duì)象)的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)(即被控制量)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。當(dāng)今自動(dòng)控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。隨著科技的不斷發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)由簡單常規(guī)PID控制發(fā)展至今的APC先進(jìn)過程控制技術(shù)。

常規(guī)PID控制是以單回路或串級(jí)控制為主要調(diào)節(jié)手段，進(jìn)行單參數(shù)調(diào)節(jié)。很少考慮變量之間的相互作用，而且是在被控參數(shù)產(chǎn)生偏差后才進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于裝置變量之間總是存在相互作用，因此當(dāng)裝置狀況或者生產(chǎn)方案變化時(shí)，操作人員需要同時(shí)調(diào)節(jié)多個(gè)控制回路，并確保各調(diào)節(jié)量相互匹配，才能將裝置的操作點(diǎn)控制在某一范圍內(nèi)。

APC先進(jìn)過程控制是一套工業(yè)應(yīng)用軟件，它將整個(gè)生產(chǎn)裝置或者某個(gè)工藝單元作為一個(gè)整體研究對(duì)象，首先通過現(xiàn)場測試采集的數(shù)據(jù)，量化描述各變量之間的相互關(guān)系，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)建立過程多變量控制器模型。利用該模型來預(yù)測工藝參數(shù)的變化趨勢，并計(jì)算動(dòng)態(tài)控制方案，達(dá)到提前調(diào)節(jié)多個(gè)相關(guān)的操作變量，因而可提高裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性。利用成本因子，操作變量線性規(guī)劃指針(LP Cost)的方法來比較確定計(jì)算優(yōu)化控制方案，使裝置處于最優(yōu)操作點(diǎn)附近運(yùn)行，從而最大限度地提高目的產(chǎn)品產(chǎn)率、降低消耗，增加經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)2#歧化異構(gòu)化、2#吸附分離裝置的實(shí)際情況，通過多變量控制技術(shù)，優(yōu)化操作，通過平穩(wěn)操作和卡邊控制，實(shí)現(xiàn)降低能耗和提高產(chǎn)品收率，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。APC實(shí)施目標(biāo)為：①控制器投用率在95%以上；②降低抽出油與抽余油對(duì)二乙基苯損失5 μg/g；③對(duì)二甲苯收率提高0.05%；④裝置能耗(以標(biāo)油計(jì))降低0.2 kg/t；⑤主要變量波動(dòng)減少30%。

2.1控制策略規(guī)劃

2#歧化異構(gòu)化、2#吸附分離裝置采用的成熟工藝，自控技術(shù)應(yīng)用較完善，裝置自控率已達(dá)90%以上，優(yōu)化常規(guī)控制對(duì)裝置降低能耗、提高產(chǎn)能、安穩(wěn)運(yùn)行作用不再明顯。而APC先進(jìn)過程控制就是在裝置自控率較高的基礎(chǔ)上開發(fā)模塊化控制技術(shù)，從而達(dá)到在裝置平穩(wěn)安全運(yùn)行基礎(chǔ)上進(jìn)一步挖掘裝置潛力，實(shí)現(xiàn)降低能耗和提高目標(biāo)產(chǎn)品收率的目的。2#歧化異構(gòu)化、2#吸附分離裝置先進(jìn)過程控制系統(tǒng)開發(fā)共規(guī)劃設(shè)置6個(gè)控制器，各控制器之間存在的耦合關(guān)系，利用干擾(前饋)變量及約束條件來相互關(guān)聯(lián)。6個(gè)控制器分別為：

(1)歧化控制器FT4P1

通過控制補(bǔ)充氫氣量，控制循環(huán)氫純度，優(yōu)化控制氫烴比，實(shí)現(xiàn)歧化反應(yīng)器的優(yōu)化；控制汽提塔塔底熱源穩(wěn)定塔底溫度；調(diào)節(jié)苯塔頂抽出控制苯塔靈敏板溫差；控制苯塔底熱源穩(wěn)定塔底溫度；調(diào)節(jié)甲苯塔頂壓力閥位穩(wěn)定甲苯塔塔頂壓力，調(diào)節(jié)甲苯塔底熱源穩(wěn)定塔底溫度。

(2)異構(gòu)化控制器FT4P2

通過控制排放氫流量，控制循環(huán)氫純度，優(yōu)化氫烴比；調(diào)節(jié)脫庚烷塔回流量，控制脫庚烷塔靈敏板溫度，調(diào)節(jié)塔底熱源，控制塔底溫度和甲苯含量；調(diào)節(jié)汽提塔塔底蒸汽量，控制塔頂塔底溫度。穩(wěn)定脫庚烷塔的回流罐液位和D705的罐頂罐底溫度。

(3)歧化異構(gòu)化加熱爐配風(fēng)控制器FT4P3

根據(jù)加熱爐出口溫度，調(diào)整燃料氣的用量，在穩(wěn)定操作的前提下，降低能耗；通過調(diào)節(jié)預(yù)熱空氣流量，確保各火嘴燃燒充分，使得煙氣氧含量均值降低，負(fù)壓穩(wěn)定，減少能量損失。

(4)吸附分離控制器FT4P4

控制抽出液塔回流，抽余液塔抽出量，降低對(duì)二乙基苯損失量?？刂扑讚Q熱量，穩(wěn)定塔的溫差；控制成品塔塔頂回流與塔底換熱量，穩(wěn)定塔頂靈敏板溫度和塔底溫度，提高對(duì)二甲苯分離效果。

(5)二甲苯分離控制器FT4P5

控制重整油分離塔塔頂回流和塔底熱負(fù)荷，穩(wěn)定靈敏板溫度和塔底溫度，減少塔底甲苯含量；調(diào)節(jié)二甲苯分餾塔塔頂回流，穩(wěn)定靈敏板溫度，降低C9在產(chǎn)品中的含量；控制塔底熱源，穩(wěn)定塔底C8和塔底溫度；調(diào)節(jié)重芳烴塔塔頂回流，穩(wěn)定靈敏板溫度；調(diào)節(jié)塔釜蒸汽量，穩(wěn)定塔底溫度。

(6)二甲苯分餾塔塔底加熱爐配風(fēng)控制器FT4P6

根據(jù)F801加熱爐出口溫度，調(diào)整燃料氣的用量。在穩(wěn)定操作的前提下，降低能耗。通過調(diào)節(jié)預(yù)熱空氣流量，不但確保各火嘴燃燒充分，并且盡量使得剩余氧氣量最低，負(fù)壓穩(wěn)定，協(xié)調(diào)氧含量和一氧化碳含量關(guān)系，減少能量損失。

2.2控制模塊的開發(fā)

以歧化控制器FT4P1開發(fā)過程為例,根據(jù)歧化工藝流程，確定被控變量值CV和操作變量值MV、前饋?zhàn)兞縁F，依據(jù)矩陣控制理論，通過階躍測試、數(shù)據(jù)收集、模型辨識(shí)，最終建立多個(gè)變量之間的關(guān)聯(lián)模型，通過數(shù)學(xué)計(jì)算尋求這種多變量控制的最優(yōu)化解決方案。在具體實(shí)施中，首先根據(jù)工藝流程確定控制范圍，其次進(jìn)行數(shù)據(jù)收集辨識(shí)確立控制策略，最后在此基礎(chǔ)上優(yōu)化控制方案，從而達(dá)到先進(jìn)優(yōu)化控制目的，具體內(nèi)容如下：

(1)FT4P1控制范圍

歧化反應(yīng)器、C551苯塔，C552甲苯塔

(2)FT4P1控制策略

歧化反應(yīng)器：通過控制補(bǔ)充氫氣量，控制循環(huán)氫純度，優(yōu)化控制氫烴比，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的優(yōu)化；

汽提塔、苯塔、甲苯塔：控制汽提塔塔底熱源穩(wěn)定塔底溫度；通過調(diào)節(jié)塔頂抽出控制苯塔靈敏板溫差，控制塔底熱源穩(wěn)定塔底溫度；調(diào)節(jié)塔頂壓力閥位穩(wěn)定甲苯塔塔頂壓力，調(diào)節(jié)塔底熱源穩(wěn)定塔底溫度。

(3)FT4P1控制器實(shí)現(xiàn)的控制功能

保證氫氣純度的前提下，實(shí)現(xiàn)氫氣量自動(dòng)控制；實(shí)現(xiàn)苯塔的51#板溫度和塔底溫度，甲苯塔50#板溫度和塔頂壓力的穩(wěn)定控制。

3　APC項(xiàng)目的實(shí)施與效果

該APC實(shí)施項(xiàng)目自2014年1月起至2014年7月分階段對(duì)主要控制回路進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研，測試采集數(shù)據(jù)，線性規(guī)劃，動(dòng)態(tài)控制計(jì)算，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)建立控制器模型和組態(tài)，最終結(jié)合裝置在線正常運(yùn)行測試及控制器整定完善，于2014年7月裝置大修后，APC控制器正常投運(yùn)，2015年3月通過項(xiàng)目測試驗(yàn)收，取得預(yù)期目標(biāo)。圖1為控制器運(yùn)行平臺(tái)示意。

圖1　控制器運(yùn)行平臺(tái)

3.1歧化異構(gòu)化裝置控制器投用前后效果比較

歧化異構(gòu)化部分投用前后情況如下：苯塔塔釜TI55311為C551塔51#板溫度，是苯塔最重要的溫度，決定著苯的分離精度。歧化控制器投用后，側(cè)線抽出能夠解決TI55311的滯后問題，提前調(diào)節(jié)，TI55311較投用前穩(wěn)定。

甲苯塔塔釜TI55611為C552塔第50塊板溫度，是甲苯塔的重要溫度指標(biāo)，表征甲苯塔里甲苯的分離精度。歧化控制器投用后，以甲苯加熱爐出口壓差PDC55701為前饋，及時(shí)調(diào)節(jié)燃料氣出口溫度，使TI55611更加穩(wěn)定。

D705罐頂TI71602表示了D705罐里的輕烴分離情況，輕烴分離不完全會(huì)對(duì)下游產(chǎn)生不利影響。D705罐較小，TI71602波動(dòng)頻繁，異構(gòu)化控制器投用后，控制器做到每分鐘調(diào)節(jié)一次，所以現(xiàn)在TI71602波動(dòng)大幅度減小。

爐子氧含量適中，平穩(wěn)才能保證爐子的燃燒效率高，能耗低。以F501爐子為例，F(xiàn)501爐子煙氣氧含量AC51201控制器投用后，根據(jù)氧含量自動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)和風(fēng)門，氧含量較之前穩(wěn)定并有所降低。

APC實(shí)施前后歧化異構(gòu)化部分工藝運(yùn)行狀況對(duì)比見表1。

表1　 APC實(shí)施前后歧化異構(gòu)化部分工藝運(yùn)行狀況對(duì)比

3.2吸附分離部分控制器投用前后效果比較

吸附分離部分控制器投用效果前后情況如下：C601液位LI61401影響C601塔溫度，控制器投用后，液位較之前穩(wěn)定，波動(dòng)減少，使C601塔的操作趨于穩(wěn)定。

C602靈敏板溫度TI62007影響C602塔的分離效果，溫度過高塔頂PDEB含量容易超標(biāo)，過低會(huì)造成PX帶入解析劑?？刂破魍ㄟ^塔頂抽出FC62102作為MV控制TI62007后，溫度波動(dòng)減小。

C602塔頂對(duì)二乙基苯含量影響產(chǎn)品質(zhì)量， 過高會(huì)造成解析劑浪費(fèi)。控制器通過塔頂抽出FC62102作為MV后，對(duì)二乙基苯含量AI62101較投用之前減少。

C802塔頂壓力PC81501會(huì)影響塔頂蒸汽溫度?？刂破魍队煤笠约妆郊訜釥t燃料氣量作調(diào)節(jié)，塔頂壓力較投用之前更加穩(wěn)定。

C803靈敏板溫度TC81705影響C803塔的分離效果?？刂破魍队煤?，溫度較之前穩(wěn)定，波動(dòng)減少。

APC實(shí)施前后吸附分離部分工藝運(yùn)行狀況對(duì)比見表2。

表2　APC實(shí)施前后吸附分離部分工藝運(yùn)行狀況對(duì)比

3.3加熱爐部分控制器投用前后效果比較

二甲苯加熱爐氧含量AI82201影響F801爐的燃燒效率，過高會(huì)造成能源浪費(fèi)。控制器投用后，通過風(fēng)門閥位AI82201 OP和進(jìn)風(fēng)閥位HIC82204 OP作為MV控制AI82201后，較投用之前穩(wěn)定，氧含量減少，比之前更穩(wěn)定。

PI82204A影響F801爐的操作，過高會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)?？刂破魍ㄟ^煙道擋板閥位PC82202 OP作為MV控制PI82204A后，較投用前穩(wěn)定，出現(xiàn)正壓情況減少。

APC實(shí)施前后二甲苯加熱爐部分工藝運(yùn)行狀況對(duì)比見表3。

表3　APC實(shí)施前后二甲苯加熱爐部分

3.4控制器投用前后裝置生產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)對(duì)比

(1)對(duì)二乙基苯損失：2#歧化異構(gòu)化、2#吸附分離聯(lián)合裝置APC先進(jìn)控制投用后，優(yōu)化了操作，使裝置更平穩(wěn)操作和卡邊控制，也實(shí)現(xiàn)了降低能耗和提高產(chǎn)品收率，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益的預(yù)先目標(biāo)，C601、C602塔對(duì)二乙基苯合計(jì)損失由原先72.626 μg/g降至36.344 μg/g，直接降低了36.282 μg/g。

(2)對(duì)二甲苯收率：2#歧化異構(gòu)化、2#吸附分離聯(lián)合裝置APC先進(jìn)控制投用后，實(shí)現(xiàn)了提高對(duì)二甲苯收率，對(duì)二甲苯收率由原先99.012%提高至99.095%，提高了0.083個(gè)百分點(diǎn)。

(3)裝置能耗：2#歧化異構(gòu)化、2#吸附分離聯(lián)合裝置APC先進(jìn)控制投用后，在裝置平穩(wěn)操作和卡邊控制基礎(chǔ)上，也實(shí)現(xiàn)了降低裝置能耗的效果，通過計(jì)算，裝置能耗(以標(biāo)油計(jì))由原先384.057 kg/t降至383.667 kg/t，降低了0.39 kg/t。

4　經(jīng)濟(jì)效益

APC在實(shí)施后有效地提高了裝置處理能力，保證了裝置的運(yùn)行平穩(wěn)，減小了生產(chǎn)狀態(tài)的波動(dòng)，在一定程度上降低了生產(chǎn)管理的難度，減輕了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，APC系統(tǒng)的實(shí)施也給裝置帶來了一定直接的經(jīng)濟(jì)效益。以2015年2月裝置成本表產(chǎn)品單價(jià)計(jì)算，每年可增加322.038萬元的經(jīng)濟(jì)效益(見表4)。

表4　控制器投用后效益情況

5　結(jié)語

APC實(shí)施后有效地提高了裝置處理能力，生產(chǎn)平穩(wěn)性顯著提高，也有效降低了對(duì)二乙基苯的損失，提高了對(duì)二甲苯的收率，降低了裝置的能耗；保證裝置的運(yùn)行平穩(wěn)，減小波動(dòng)，在一定程度上降低了生產(chǎn)管理的難度，減輕了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]尹起浩.APC技術(shù)，與世界同步，為石化增速[J].中國石化，2007(3):11-13.

ABSTRACT

The application of advanced process control (APC) technology developed by Hana Tech in 2#disproportionation isomerization and 2#adsorption separation unit of SINOEC Shanghai Petrochemical Co., Ltd. was introduced. Application results showed that: application of APC in the 2#disproportionation isomerization and 2#adsorption separation unit improved the control level of unit, realized stable operation and optimal control, and achieved the purpose of increasing yield and efficiency.

Application of Advanced Control on Disproportionation Isomerization and Adsorption Separation Device

Ruan Fenlian

(AromaticsDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.，Shanghai200540)

advanced process control technology, disproportionation isomerization adsorption separation

2016-04-05。

阮粉連，女，1967年出生，畢業(yè)于上海石油化工高等?？茖W(xué)校，副主任師，現(xiàn)就職于中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，從事儀表管理工作。

1674-1099(2016)04-0054-05

TP29

A