基于均勻控制的精餾控制系統(tǒng)

厲澤輝

【摘 要】石油化工生產(chǎn)過程是一個連續(xù)生產(chǎn)過程，隨著生產(chǎn)的進(jìn)一步強(qiáng)化，使得前后生產(chǎn)過程的關(guān)系更加緊密，往往出現(xiàn)前一設(shè)備的出料直接作為后一設(shè)備的進(jìn)料，而后者的出料又連續(xù)輸送給其他設(shè)備作為進(jìn)料[1]，但生產(chǎn)過程中每個設(shè)備都希望維持自身平衡，這就必須打破前一設(shè)備或后一設(shè)備的平衡，以至整個多塔系統(tǒng)不能保持穩(wěn)定。為解決這一矛盾，以往靠增加緩沖罐的辦法來解決，通過緩沖物料累積量的變化，以達(dá)到兩塔或多塔操作平穩(wěn)。從控制方案上看，為解決這些矛盾，使生產(chǎn)過程統(tǒng)籌兼顧，我們在精餾控制系統(tǒng)中引入均勻控制，該控制方案能有效解決以上矛盾，表現(xiàn)出了很好的控制效果。

【關(guān)鍵詞】均勻控制；精餾；單回路；串級；雙沖量

1.精餾系統(tǒng)概述

在典型的有機(jī)硅精餾系統(tǒng)中，高沸物裂解產(chǎn)品將被通過精餾的方法，將其中的一甲基二氯氫硅烷、三甲基一氯硅烷、一甲基三氯硅烷和二甲基二氯硅烷單獨(dú)分離出來[2]。

系統(tǒng)一般主要包括脫低塔、一甲塔、二甲塔和脫高塔等幾個串聯(lián)塔和一個間歇精餾塔[3]。主要分離過程為：高沸物裂解產(chǎn)物由泵送入脫低塔，在該塔完成低沸點(diǎn)組分（包括三甲基氯硅烷及沸點(diǎn)比三甲基氯硅烷低的組分）與沸點(diǎn)較高的組分（包括一甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷及高沸物）的分離。在該塔的進(jìn)料口以上設(shè)置有兩個側(cè)線采出口，第一側(cè)線采出口采出一甲含氫產(chǎn)品，其純度在99%以上，第二側(cè)線采出口采出粗三甲餾分，粗三甲餾分進(jìn)入間歇精餾塔，回收少量的三甲基一氯硅烷。脫低塔塔頂氣相為以氯甲烷為主的輕組分，可以過進(jìn)一步用冷凍鹽水冷凝回收少量的四甲基硅烷、三氯氫硅和二甲基一氯氫硅。沸點(diǎn)更低的氯甲烷排放進(jìn)入吸收系統(tǒng)，脫低后的塔釜產(chǎn)品進(jìn)入一甲塔。一甲塔塔頂采出合格的一甲基三氯硅烷產(chǎn)品，其純度大于99%，塔釜產(chǎn)物進(jìn)入二甲塔。二甲塔塔釜產(chǎn)品進(jìn)入脫高塔，二甲塔塔頂產(chǎn)品返回一甲塔。脫高塔主要完成二甲基二氯硅烷與高沸物的分離，塔頂采出合格的二甲基二氯硅烷產(chǎn)品，純度在99%以上，塔釜為高沸物產(chǎn)品[4]。

對于精餾系統(tǒng)，可采用具有較強(qiáng)的模擬量處理能力和回路控制功能、又兼具快速邏輯控制功能及系統(tǒng)實(shí)時性相對較好的常規(guī)DCS系統(tǒng)作為其控制系統(tǒng)[5]。

2.均勻控制的引入

在實(shí)際應(yīng)用時，由于生產(chǎn)過程有連續(xù)性和穩(wěn)定性的要求，這就造成了供求矛盾[6]，在雙塔系統(tǒng)中，甲塔的液位需要穩(wěn)定，乙塔的進(jìn)料亦需要穩(wěn)定，這兩個要求是相互矛盾的。甲塔的液位控制系統(tǒng)，用來穩(wěn)定甲塔的液位，其調(diào)節(jié)參數(shù)是甲塔的底部出料，顯然，穩(wěn)定了甲塔液位，甲塔底部出料必然要波動。但甲塔底部出料又是乙塔的進(jìn)料，乙搭進(jìn)料流量的控制系統(tǒng)，為了穩(wěn)定進(jìn)料流量，需要經(jīng)常改變閥門的開度，使流量保持不變。因此，要使這兩個控制系統(tǒng)正常工作是不可能的。

要徹底解決這個矛盾，只有在甲、乙兩個塔之間增加一個中間儲罐。但增加設(shè)備就增加了流程的復(fù)雜性，加大了投資。另外，有些生產(chǎn)過程連續(xù)性要求高，不宜增設(shè)中間儲罐。在理想狀態(tài)不能實(shí)現(xiàn)的情況下，只有沖突的雙方各自降低要求，以求共存。均勻控制思想就是在這樣的應(yīng)用背景下提出來的。通過分析，可以看到這類系統(tǒng)的液位和流量都允許按要求在一定范圍內(nèi)波動，這也是可以采用均勻控制的前提條件，即控制目標(biāo)發(fā)生了變化。

在精餾控制系統(tǒng)中，存在以下供求矛盾：

（1）前一精餾塔物料增多，為維護(hù)本塔平穩(wěn)操作，需將多余物料排出。

（2）后一精餾塔為維護(hù)平穩(wěn)操作，并不需要過多的物料。

（3）相互串聯(lián)的精餾塔數(shù)量可能較多。

（4）為提高效益，需加快物料在塔之間的流動速度，但這不利于為維護(hù)精餾塔的穩(wěn)定，且最終影響產(chǎn)品質(zhì)量。

為解決這些矛盾，使生產(chǎn)過程統(tǒng)籌兼顧，我們在精餾控制系統(tǒng)中引入均勻控制的思想。所謂均勻控制是就一種控制方案所起的作用而言的，因?yàn)閺姆桨傅慕Y(jié)構(gòu)看，有時象一個簡單液位（或壓力）定值控制系統(tǒng)，有時又象一個液位與流量（或壓力與流量）的串級控制系統(tǒng)，所以其唯一的識別方法就在于它是否起均勻控制的作用。

3.均勻控制的原理

均勻控制系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上類似于單回路、串級及雙沖量控制系統(tǒng)，因此可分為簡單均勻控制、串級均勻控制和雙沖量均勻控制等。

3.1簡單均勻控制

簡單均勻控制系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)簡單，但它對于克服閥前后壓力變化的影響及液位貯罐自衡作用的影響效果較差。簡單均勻控制系統(tǒng)適用于：進(jìn)料量為主干擾，流量波動大，自衡能力弱的對象。

3.2串級均勻控制

蒸餾塔塔底液位與采出流量的串級均勻控制，從外貌看與典型的串級控制系統(tǒng)完全一樣，但他的目的是實(shí)現(xiàn)均勻控制，增加一個副環(huán)流量控制系統(tǒng)的目的是為了消除閥前后壓力干擾及自衡作用對流量的影響。因此副環(huán)與串級控制中的副環(huán)一樣，副控制器參數(shù)整定的要求與串級控制對副環(huán)的要求相同。而主控制器（即液位控制器）則與簡單均勻控制的情況作相同處理。

3.3雙沖量均勻控制

雙沖量均勻控制是以液位和流量兩信號之差（或和）為被控變量來達(dá)到均勻控制目的的系統(tǒng)。一般以塔底液位與采出流量兩個信號之差（若流量為進(jìn)料時，則取兩信號之和）為被控變量，通過控制，使兩者都能按均勻控制的要求變化。

4.均勻控制在精餾控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)精餾控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，多采用雙沖量均勻控制，其簡要結(jié)構(gòu)中：

（1）Pi為設(shè)定值，Po=Pl-Pq+Pi。

（2）沖量：指引入控制系統(tǒng)中的測量信號而言。

（3）由兩個參數(shù)之差為被控變量組成均勻系統(tǒng)。

（4）與串級控制系統(tǒng)相比，用一個加法器代替輔控制器。

具體動作過程：

（1）加法器運(yùn)算：Po=Pl-Pq+Pi。

（2）穩(wěn)態(tài)時：Po=定值，閥門有一個開度，使液位和流量同時保持相對穩(wěn)定。

（3）調(diào)節(jié)過程：若某一時刻，液位因干擾而升高，則加法器輸出Po增加，控制器接受這個偏置信號后進(jìn)行控制，發(fā)出命令去開大閥門，引起流量增加和液位下降，當(dāng)兩個測量信號之差逐漸接近到某一數(shù)值時，加法器輸出隨之改變，系統(tǒng)又趨于穩(wěn)定，調(diào)節(jié)閥停留在新的開度上，液位的平衡數(shù)值比原來有所升高，流量的平衡數(shù)值也比原來有所增加，從而達(dá)到了均勻控制的目的。

5.均勻控制的特點(diǎn)與意義

（1）表征前后供求矛盾。

（2）前后相互聯(lián)系，相互矛盾的兩個參數(shù)保持在允許波動范圍內(nèi)。

（3）使生產(chǎn)過程保持連續(xù)性和穩(wěn)定性。

（4）均衡生產(chǎn)效益與產(chǎn)品質(zhì)量，使其達(dá)到最優(yōu)。

6.結(jié)束語

通過現(xiàn)場測試及數(shù)據(jù)分析，均勻控制表現(xiàn)出了較好的控制效果。本控制算法針對工業(yè)應(yīng)用作了全面考慮，能在編程環(huán)境中很容易的根據(jù)算法直接編寫實(shí)際的控制器。而且，本控制算法簡單而高效，參數(shù)的物理意義清楚且易于調(diào)整，現(xiàn)場實(shí)施簡單易行，是一個值得推廣的好算法。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王驥程.化工過程控制工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1981.

[2]董碧軍，王煤，羅橙.熱泵精餾在氣體分餾裝置丙烯塔中的應(yīng)用分析[R].成都：四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，2008.

[3]王為國，王存文，吳元欣，曾真.二元常規(guī)間歇精餾的最小汽化總量[R].武漢：武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，2006.

[4]劉宗寬，顧兆林，賀延齡.燃料乙醇熱泵恒沸精餾新工藝的研究[J].化工進(jìn)展，2003，22（11）：1147-1148.

[5]何衍慶，俞金壽.集散控制系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[6]劉保柱，章淵昶，陳平.節(jié)能型甲醇精餾工藝研究[J].化工進(jìn)展，2007，26（5）：739-740.