楊文華，金治東

(湖北三寧化工股份有限公司， 湖北枝江 443200)

湖北三寧化工股份有限公司(簡稱三寧公司)60萬t/a乙二醇裝置采用日本設(shè)計公司多級精餾制取聚酯級乙二醇方法。乙二醇精餾主要是利用精餾原理將加氫反應產(chǎn)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、三乙二醇等雜質(zhì)分離出來，得到聚酯級乙二醇產(chǎn)品,以及甲醇、粗乙醇、混合醇等副產(chǎn)品[1-2]，所涉及到的主要設(shè)備包括：第一精餾塔、第二脫醇塔、甲醇分離塔、脫輕塔、脫水塔、第三脫醇塔A/B、精制塔等。

該精餾裝置運用簡單的比例積分微分(PID)控制，但整體自動化水平較低，人員操作強度大，尤其是內(nèi)操，很難保證裝置長期穩(wěn)定運行。同時，乙二醇產(chǎn)品質(zhì)量與精餾工況密切相關(guān)，因此三寧公司采用浙江中軟軟件平臺，以乙二醇精餾裝置為解決對象，自主實施先進過程控制(APC)技術(shù)，優(yōu)化乙二醇工藝過程，提高裝置的穩(wěn)定水平，降低裝置的消耗和系統(tǒng)的內(nèi)操頻次。

1 乙二醇精制單元工藝流程

乙二醇精餾單元由多個精餾塔串聯(lián)一起工作，圖1為第一精餾塔和第二脫醇塔的工藝流程。

來自罐區(qū)的原料A(粗乙二醇)和原料B(甲醇)通過換熱器進入第一精餾塔中，通過底部再沸器換熱，一部分粗乙二醇從塔釜進入第二脫醇塔，輕組分回流至第一精餾塔和進入第二脫醇塔頂部。粗乙二醇進入第二脫醇塔后，經(jīng)過底部蒸汽再沸器換熱后，一部分作為精甲醇采出，另一部分提壓后進入甲醇分離塔。甲醇分離塔的作用是回收粗乙二醇中的甲醇，將一部分甲醇繼續(xù)采出，另一部分粗乙二醇送至脫輕塔。脫輕塔的作用是將第一精餾塔塔頂采出的輕組分中的雜醇油進行分離，得到經(jīng)過初步精餾的粗乙二醇進入脫水塔。脫水塔的作用是脫除粗乙二醇中的一元醇、水和低沸點的二元醇。利用相同的精餾原理，脫酮塔和共沸塔脫除粗乙二醇中的二元醇，最后在精制塔中分離得到精乙二醇產(chǎn)品。

2 存在的問題

乙二醇裝置屬于生產(chǎn)產(chǎn)品的末端裝置，原料來自乙二醇加氫合成的罐區(qū)，整個裝置及關(guān)聯(lián)單元屬于多變量耦合系統(tǒng)，在生產(chǎn)操作過程中需要克服變量間的強耦合特性，以保持裝置之間以及各單元操作內(nèi)部的物料平衡和能量平衡?；谌斯そ?jīng)驗的過程控制難以確保乙二醇裝置的平穩(wěn)運行和節(jié)能降耗，操作難度較大。另外，由于各班組操作習慣不同，因此控制品質(zhì)也存在一定的差異。目前，在整個精餾塔系統(tǒng)平衡方面存在著較大波動，主要體現(xiàn)在以下3個方面：

(1) 根據(jù)物料平衡及時調(diào)整第一精餾塔塔頂采出量和回流量，具體參數(shù)設(shè)定值需要根據(jù)檢測分析結(jié)果進行摸索調(diào)整；進料組分變化大時很難及時調(diào)整，造成精餾塔整體失衡，出料質(zhì)量不合格。

(2) 精餾塔供熱蒸汽波動較大，造成精餾塔溫度控制、壓力控制、回流量控制、塔釜液位控制方面波動較大，操作人員需要時刻緊盯各參數(shù)變化，根據(jù)蒸汽波動及時調(diào)整蒸汽壓力，進而穩(wěn)定精餾塔的工藝參數(shù)平衡。

(3) 精餾塔塔釜蒸汽流量計監(jiān)測存在顯示失真現(xiàn)象，操作人員無法將流量與相關(guān)溫度組成自動控制。

上述控制問題很難通過簡單的PID控制和人工調(diào)節(jié)來解決。APC技術(shù)能對產(chǎn)品質(zhì)量和裝置參數(shù)波動幅度進行預測，并充分考慮各變量的耦合，從而實現(xiàn)裝置平穩(wěn)控制[3]。因此，采用APC技術(shù)可提高裝置的平穩(wěn)性，降低能耗，并保證滿足操作約束，從而達到提高經(jīng)濟效益的目的。

3 APC控制策略

3.1 總體思路

APC技術(shù)通過數(shù)學模型對控制系統(tǒng)未來狀態(tài)進行預測，并采用反饋校正和在線滾動優(yōu)化的方法矯正系統(tǒng)行為，實現(xiàn)乙二醇裝置的閉環(huán)優(yōu)化控制。APC技術(shù)具有以下特點：(1) 在偏差控制的基礎(chǔ)上，將數(shù)學模型作為控制器內(nèi)部模型，并充分利用過程信息和知識信息，實現(xiàn)多目標協(xié)調(diào)優(yōu)化控制；(2) 保留原有的復雜控制，能有效處理各種過程約束。APC控制器算法、模型參考文獻[4]中的分餾系統(tǒng)多變量預估控制器。

為了使乙二醇裝置平穩(wěn)運行，APC設(shè)計從物料平衡、節(jié)能降耗、減少操作工勞動強度等方面出發(fā)，對裝置回路進行調(diào)整。具體從以下4個維度進行控制：

(1) 壓力穩(wěn)定控制。各個精餾塔的壓力是實現(xiàn)乙二醇裝置穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)，如果壓力波動太大，則對應溫度等失去參考價值。因此，除了常壓塔壓力恒定，不需要壓力控制外，其他塔的控制應優(yōu)先保證塔壓力穩(wěn)定。

(2) 塔內(nèi)物料平衡。精餾塔物料平衡主要涉及各個塔頂回流、各個塔之間進出料的平衡控制。由于乙二醇精餾塔區(qū)別傳統(tǒng)的精餾塔，粗乙二醇中各組分在分離塔中沸點相近，塔內(nèi)組分變化時對應塔靈敏板溫度變化不明顯；因此，物料平衡應優(yōu)先考慮基于全流程物料平衡控制思路，具體到每個塔為采用類似內(nèi)回流的方式進行控制(回流串回流罐液位)，以局部克服蒸汽波動及外界干擾，避免蒸汽及外界小幅度干擾沖擊。

(3) 供熱負荷平衡及塔內(nèi)氣液交互平衡。在塔頂回流罐液位自調(diào)強跟蹤的基礎(chǔ)上，使塔底供熱負荷匹配塔回流比及塔內(nèi)提餾段溫度，實現(xiàn)穩(wěn)定回流比控制及塔底溫度控制，保障塔內(nèi)熱量交互平衡及塔內(nèi)組分分布梯度相對穩(wěn)定，從而使全塔趨于平衡。

(4) 各塔之間物料互供平衡及質(zhì)量切割。在各塔穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，依據(jù)各塔進料組分、塔精餾段溫差等參數(shù)，輔助確認塔上部切割出料占進料的比例，控制前后塔間物料互供相對穩(wěn)定。

3.2 第一精餾塔控制策略

以第一精餾塔的APC為例，具體控制策略為：

(1) 塔頂回流量控制。

建立塔釜蒸汽進口壓力與塔頂回流量、塔釜蒸汽進口壓力與塔頂采出量，以及塔頂氣相出口溫度與液相回流溫度偏差的APC控制器(通過歷史數(shù)據(jù)分析加入算法后建立的控制模型)。塔釜蒸汽進口壓力、塔頂氣相出口溫度設(shè)為操作變量，塔頂回流量、塔頂采出量、液相回流溫度偏差設(shè)為被控變量，以塔釜蒸汽進口壓力為主調(diào)變量，通過蒸汽調(diào)節(jié)閥控制塔釜蒸汽進口壓力穩(wěn)定在工藝要求控制范圍內(nèi)。

(2) 塔釜氣相溫度控制。

建立塔釜氣相溫度與塔釜蒸汽進口壓力、塔頂回流量的APC控制器，以塔釜蒸汽進口壓力為主調(diào)變量，通過蒸汽調(diào)節(jié)閥控制塔釜蒸汽進口壓力穩(wěn)定在工藝要求控制范圍內(nèi)。

(3) 塔釜蒸汽進口壓力控制。

建立塔釜蒸汽進口壓力與蒸汽管網(wǎng)中的0.6 MPa蒸汽、0.1 MPa蒸汽壓力的APC控制器，調(diào)節(jié)0.6 MPa蒸汽進口調(diào)節(jié)閥、0.1 MPa蒸汽進口調(diào)節(jié)閥控制蒸汽進口壓力，減少對精餾塔整體平衡的影響。

4 APC投運效果

APC技術(shù)投運后，乙二醇裝置取得良好的控制效果，抗干擾能力強，并能協(xié)調(diào)各個過程控制變量，使裝置更加平穩(wěn)。同時，該控制系統(tǒng)減輕了操作人員的勞動強度，實現(xiàn)裝置優(yōu)化控制，降低了操作成本。達到了預期的建設(shè)目標，即

(1) 實現(xiàn)了常規(guī)PID控制和APC的無擾切換，提高了裝置平穩(wěn)性。

(2) 降低操作人員的勞動強度。

(3) 提高了工藝平穩(wěn)率，生產(chǎn)裝置綜合平穩(wěn)率達99.96%,環(huán)比提高22百分點。

APC投運前后效果圖見圖2、圖3。

5 結(jié)語

APC技術(shù)投用以后，大幅減小了乙二醇裝置主要控制指標的波動，并且該控制系統(tǒng)與下位機DCS700系統(tǒng)可進行無擾動自由切換,不僅實現(xiàn)了生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運行，提高了產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量，而且也降低了操作人員的勞動強度。