李 文

（國家能源集團寧夏煤業(yè)公司烯烴一分公司）

國家能源集團寧夏煤業(yè)公司烯烴一分公司某甲醇制烯烴裝置（簡稱MTP裝置）采用德國魯奇工藝技術(shù)，以甲醇為原料，在催化劑的作用下經(jīng)過反應(yīng)、 壓縮及精餾等工段將丙烯分離提純出來，最終實現(xiàn)年產(chǎn)丙烯50萬噸［1～3］。 近幾年隨著國家供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革和高質(zhì)量發(fā)展要求， 特別是“碳達峰、碳中和”目標的提出，公司積極響應(yīng)國家號召，提出“節(jié)能降耗、提質(zhì)增效”戰(zhàn)略定位，從裝置異常報警治理和清潔文明生產(chǎn)兩方面為抓手，提高裝置運行穩(wěn)定性和產(chǎn)品收率。 筆者作為儀表技術(shù)人員積極行動， 摸排分析MTP裝置報警多的原因， 最終確定精餾塔因采用傳統(tǒng)單回路PID控制時滯性大而引起參數(shù)報警， 此類報警占總報警數(shù)的75%。因此，分析解決精餾塔溫度波動報警多和采取有效控制措施降低報警以提高精餾塔穩(wěn)定性是十分必要的。

1 精餾塔工藝流程

精甲醇先進入離子交換器緩存后與工藝蒸汽、循環(huán)烴混合進入MTP反應(yīng)器，在沸石催化劑的作用下生成以丙烯為主的低碳烴類混合物，該類混合物經(jīng)分離壓縮后生成C2～C8組分的氣態(tài)烴，通過脫乙烷塔、脫丙烷塔、脫丁烷塔及脫己烷塔等8個精餾工段將丙烯分離提純出來， 同時副產(chǎn)出一定量的混合芳烴、乙烯及液化石油氣產(chǎn)品。

圖1是MTP裝置8個精餾塔之一的脫己烷塔工藝流程，該塔為板式精餾塔，自上而下由40層塔板構(gòu)成，來自分離壓縮工段的C5及更重的C6、C7、C8組分氣態(tài)烴進入精餾塔，通過塔底中壓蒸汽調(diào)節(jié)閥TV4101控制進入再沸器的蒸汽量，進而調(diào)節(jié)塔內(nèi)氣態(tài)烴溫度進行氣液分離，發(fā)生精餾作用后重組分產(chǎn)品從塔底外送罐區(qū)儲存，溫度TT4101是塔底重組分監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)； 氣態(tài)輕組分C5/C6從塔頂經(jīng)空冷器降溫進入回流罐，回流罐出口一部分輕組分經(jīng)回流調(diào)節(jié)閥FV4171控制返回精餾塔調(diào)節(jié)塔頂溫度，孔板流量計FT4171監(jiān)控回流量大小， 溫度TT4112是塔頂輕組分監(jiān)控的主要參數(shù)，TT4113是環(huán)境溫度。

圖1 精餾塔工藝流程

2 精餾塔基本控制

精餾塔是精餾裝置的核心設(shè)備，它控制得穩(wěn)定與否，不僅影響自身產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，還將直接影響下游精餾塔的控制。 現(xiàn)代化工裝置控制系統(tǒng)多采用經(jīng)典單回路PID控制器，其算法簡單、穩(wěn)定性好且可靠性高。 該方法是根據(jù)設(shè)定值r（t）和實際測量值c（t）構(gòu)成控制偏差e（t），即e（t）=r（t）-c（t），將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制變量。 PID控制算法流程如圖2所示。

圖2 PID控制算法流程

其中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間，Td為微分時間常數(shù)，Ki=Kp/Ti為積分系數(shù)，Kd=KpTd為微分系數(shù)。

圖1精餾塔塔頂壓力和塔底液位采用經(jīng)典單回路PID控制方案，PIC4101和LIC4111分別將塔壓控制在 （0.31±0.05） MPa， 液位控制在30%～60%。

3 空冷器定速控制改造為變頻控制

精餾塔塔頂輕組分降溫一般采用循環(huán)水冷凝器和空冷器方式，精餾塔塔頂輕組分氣態(tài)烴冷卻采用6臺380 V（AC）電機驅(qū)動6臺定速風機組成空冷器降溫，如圖3所示，電機除了能耗高，啟停瞬間還會引起精餾塔塔頂溫度波動報警，當塔頂溫度升高啟動風機瞬間溫度會有不同程度的下降過程，反之當塔頂溫度下降停止風機時會有不同程度的上升現(xiàn)象，啟停風機瞬間引起溫度波動報警問題長期困擾精餾崗位操作人員。 為此，將風機定速控制改造為變頻調(diào)速控制方案是提高精餾塔工作效率、降低能耗和實現(xiàn)精確自動化控制的最佳選擇。

圖3 空冷器組成結(jié)構(gòu)

將圖3空冷器中的1號和2號定速風機通過增加變頻器改為變頻調(diào)速控制， 變頻器輸出0%～100%模擬信號調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，可解決定功率風機啟停過程對精餾塔塔頂溫度的擾動問題。 綜合考慮變頻改造投資成本和精餾塔負荷等因素，其他4臺風機保持原來的定速控制。 變頻風機控制原理如圖4所示。

圖4 變頻風機控制原理

艾默生DCS控制器的接口AO卡輸出4～20 mA信號對應(yīng)變頻器頻率0～f1（f1一般為工頻50 Hz）。根據(jù)下式可以計算出電機轉(zhuǎn)速，進而控制風機轉(zhuǎn)動速度達到調(diào)節(jié)精餾塔溫度的目的：

其中，x是DCS輸出的4～20 mA電流信號，f1是變頻器最高頻率，f是變頻器調(diào)速輸出頻率，n是電機同步轉(zhuǎn)速，s是電機的轉(zhuǎn)差率（s的范圍為0～1），n1是風機運行轉(zhuǎn)速，p是極對數(shù)。

4 多重控制系統(tǒng)設(shè)計

影響精餾塔穩(wěn)定控制的因素有進料組分、進料量、塔壓、溫度以及回流量等相關(guān)參數(shù)。 由于進料組分實時變化，目前還沒有精準的檢測設(shè)備進行組分測量分析，一般在塔壓控制穩(wěn)定的條件下將精餾塔靈敏板溫度作為被控變量與加熱蒸汽調(diào)節(jié)閥構(gòu)成常規(guī)PID控制回路進行塔溫調(diào)節(jié)［4］。王春艷和王孝紅將專家PID算法在VC++環(huán)境編程通過OPC通信實現(xiàn)精餾塔溫調(diào)節(jié)［5］；楊敏華提出一種間歇減壓精餾的自動控制裝置，但所采用的塔頂壓力單回路PID控制存在大滯后現(xiàn)象， 無法應(yīng)用于大型連續(xù)精餾煤化工生產(chǎn)裝置［6］；李萬清等提出一種精餾塔溫度調(diào)控裝置，將蒸汽自動調(diào)節(jié)閥改為手動閘閥并控制冷凝液緩沖罐內(nèi)蒸汽冷凝液液位［7］，這種方法需要裝置停車方可更換，因此經(jīng)濟、人力成本投資較高。

筆者設(shè)計了一種基于艾默生DeltaV系統(tǒng)的多重控制系統(tǒng)， 該多重控制系統(tǒng)由一個前饋-串級控制與分程控制組成，如圖5所示，具體包括塔頂溫度主控制器、塔底靈敏板溫度副控制器和環(huán)境溫度前饋控制器3個控制器，塔頂溫度TT4112、塔底靈敏板溫度TT4101、 環(huán)境溫度TT4113這3個被控變量，回流閥FV4171、蒸汽調(diào)節(jié)閥TV4101、變頻風機1～2、 定速風機3～6共計8個執(zhí)行器和被控對象精餾塔。

圖5 多重控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖5可知， 操作人員在艾默生DeltaV系統(tǒng)DCS畫面設(shè)定精餾塔塔頂期望的溫度值70 ℃，當塔頂溫度測量值PV與設(shè)定值SP的偏差超過某個范圍（PV-SP>5 ℃）時，偏差經(jīng)過塔頂主溫度控制器PID運算輸出啟動一臺定速風機進行粗調(diào)，同時開大回流閥 （FV4171為氣關(guān)閥，F(xiàn)IC4171控制回路為正作用），閥門開大回流冷量增加，塔頂溫度會降低，如果啟動一臺定速風機滿負荷運行時塔頂溫度測量值仍大于設(shè)定值5 ℃以上，則繼續(xù)啟動第2臺定速風機。 當溫度偏差在2～5 ℃時啟動變頻風機進行精調(diào)，如果啟動一臺變頻風機溫度降不下來就再啟動一臺變頻風機。當兩臺變頻風機都啟動還無法降低溫度時，則關(guān)小蒸汽進料調(diào)節(jié)閥TV4101 （TV4101為氣開閥，TIC4101控制回路為正作用）。 關(guān)小蒸汽進料后可能影響塔底靈敏板溫度TT4101，當溫度測量值低于設(shè)定值時要開大蒸汽調(diào)節(jié)閥， 同時還要調(diào)小塔頂回流量，確保塔頂、 塔底溫度達到期望值兼顧兩相流平衡。 圖6是多重控制系統(tǒng)程序流程。 相反，塔頂溫度降低時，主控制器輸出停定速風機、關(guān)小回流閥FV4171，閥門關(guān)小冷量減少，塔頂溫度升高。主控制器根據(jù)溫度降低情況會自動停止定速風機，定速風機啟停瞬間引起的溫度變化由變頻風機調(diào)速補償，避免引起大幅波動。 特別是環(huán)境溫度TT4113變化較大時，通過前饋控制提前反饋給主控制器及時調(diào)節(jié)變頻風機消除環(huán)境溫度變化引起的擾動。

圖6 多重控制系統(tǒng)程序流程

5 改造后實施效果

現(xiàn)場生產(chǎn)使用艾默生DeltaV系統(tǒng)， 該系統(tǒng)由工作站、控制器、集線器及I/O卡件等組成，各控制器與工作站之間用以太網(wǎng)連接， 每塊DeltaV控制器最多帶64塊輸入輸出卡件。 利用2021年裝置停車大檢修機會實施了多重控制系統(tǒng)方案，改造優(yōu)化后精餾塔塔頂溫度較改造前波動減小明顯，波動范圍降至±1.5 ℃，滿足公司精餾塔精餾段溫度波動±3 ℃的操作規(guī)程要求。圖7是改造前、后的精餾塔塔頂溫度歷史趨勢。

圖7 使用多重控制系統(tǒng)前、后精餾塔塔頂溫度變化趨勢

通過變頻改造并實施多重控制優(yōu)化方案，除了降低塔頂溫度波動外，冬季還減少了一臺定速風機的運行，其電機功率為37 kW，根據(jù)寧夏氣候溫度變化特點，當年10月到次年5月（共計243天）氣溫較低， 即可節(jié)能：37×24×243=215784 kW·h。根據(jù)國家有關(guān)部門公布的數(shù)據(jù)可知，火電廠平均1 kW·h 耗煤約0.32 kg， 則一年減少燃煤約：215784×0.32/1000=69.05 t，與此同時可減少二氧化碳、二氧化硫及氮氧化合物等有害物質(zhì)對大氣和環(huán)境的污染。

6 結(jié)束語

精餾塔是一個非常復雜的多變量耦合系統(tǒng)，混合物中各組分揮發(fā)度不同，其控制方式也不一樣。 筆者就混合氣態(tài)烴在板式精餾塔進行氣液組分分離控制展開討論， 針對定速風機能耗高、擾動大和常規(guī)PID控制滯后等缺陷， 提出先將精餾塔塔頂空冷器定速風機改造為變頻調(diào)速控制，再將原來的單控制回路優(yōu)化為前饋-串級控制+分程控制的多重控制系統(tǒng)方案。 應(yīng)用結(jié)果表明該控制方案能夠?qū)崿F(xiàn)精餾塔溫度精確控制，提高產(chǎn)品收率，降低能耗，優(yōu)化后綜合效益顯著。