APC-Suite系統(tǒng)在氣體分餾裝置中的應(yīng)用

儲(chǔ)開建 陳 瓊 馮萬軍

(延安石油化工廠 a.機(jī)動(dòng)科；b.電儀車間，陜西 延安 727406)

APC-Suite系統(tǒng)在氣體分餾裝置中的應(yīng)用

儲(chǔ)開建a陳 瓊b馮萬軍b

(延安石油化工廠 a.機(jī)動(dòng)科；b.電儀車間，陜西 延安 727406)

介紹先進(jìn)控制軟件APC-Suite在氣體分餾裝置中的成功應(yīng)用。通過對(duì)控制器投運(yùn)前后的工藝指標(biāo)的對(duì)比，證實(shí)使用APC-Suite先進(jìn)控制軟件后，控制器的在線投運(yùn)率達(dá)到95.0%以上，顯著提高了各關(guān)鍵工藝指標(biāo)的平穩(wěn)性，投運(yùn)期間丙烯產(chǎn)品質(zhì)量平均純度達(dá)到99.80%，丙烷產(chǎn)品質(zhì)量平均純度為99.32%，克服了系統(tǒng)內(nèi)和環(huán)境變量的干擾。在提高裝置的運(yùn)行平穩(wěn)率的基礎(chǔ)上，通過卡邊操作增加了產(chǎn)品收率，丙烯收率提高了0.3%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，生產(chǎn)單位產(chǎn)品蒸汽能耗降低3.59%。

APC-Suite 氣體分餾裝置 工藝指標(biāo) 蒸汽能耗

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程也日益趨向大型化、連續(xù)化和復(fù)雜化，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程控制的品質(zhì)要求也一再提高。但是目前部分控制系統(tǒng)具有高度的非線性、變量強(qiáng)耦合、信息不完全及大時(shí)滯等特性[1]，被控變量與操作變量存在著各種約束，要想獲得精確的數(shù)學(xué)模型十分困難。通過實(shí)施先進(jìn)控制，可以達(dá)到增強(qiáng)裝置運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，提高產(chǎn)品質(zhì)量和收率，增加裝置處理量，降低運(yùn)行成本的目的，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著[2]。

APC-Suite高級(jí)多變量預(yù)測(cè)控制軟件的原理是預(yù)測(cè)控制。預(yù)測(cè)控制是一種基于預(yù)測(cè)過程模型的控制算法，根據(jù)補(bǔ)償函數(shù)或性能函數(shù)計(jì)算出將來的控制動(dòng)作，并由過程的歷史信息判斷將來的輸入輸出。預(yù)測(cè)控制的優(yōu)化過程是在有限的移動(dòng)時(shí)間間隔(有限時(shí)域)內(nèi)反復(fù)進(jìn)行在線優(yōu)化的。有限時(shí)域是預(yù)測(cè)控制與傳統(tǒng)最優(yōu)控制最大的區(qū)別。對(duì)于動(dòng)態(tài)特性變化和存在不確定因素的復(fù)雜系統(tǒng)，無需在全局范圍內(nèi)判斷最優(yōu)性能，因此這種滾動(dòng)優(yōu)化方法很適用于氣體分餾這樣的復(fù)雜系統(tǒng)。

延安石油化工廠年產(chǎn)60萬噸氣體分餾裝置采用CS-3000 DCS系統(tǒng)，據(jù)考察，該裝置生產(chǎn)穩(wěn)定且設(shè)備和儀表自控系統(tǒng)狀況良好，但是同樣存在常規(guī)控制系統(tǒng)存在的問題。筆者通過在CS-3000 DCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)施APC-Suite，對(duì)氣體分餾裝置的生產(chǎn)過程實(shí)施先進(jìn)控制來解決目前存在的問題。

1 氣體分餾裝置常規(guī)控制存在的問題

延安石油化工廠氣體分餾裝置采用常規(guī)控制系統(tǒng)時(shí)，主要存在以下問題：

a. 部分重要控制回路不能投自動(dòng)，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)，存在控制不及時(shí)的問題，不能達(dá)到工藝參數(shù)平穩(wěn)控制的要求，而且操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度很高，比如脫丙烷塔塔底加熱蒸汽的調(diào)節(jié)、脫乙烷塔塔底加熱蒸汽的調(diào)節(jié)等。

b. 常規(guī)控制建立在單輸入單輸出對(duì)象基礎(chǔ)上，控制品質(zhì)難以達(dá)到工藝過程在大擾動(dòng)、多約束條件下的產(chǎn)品質(zhì)量和收率控制要求，比如脫丙烷塔塔底溫度受到進(jìn)料流量、進(jìn)料組分、回流量及加熱蒸汽等的影響，無法使用單一手段實(shí)現(xiàn)塔底產(chǎn)品質(zhì)量的平穩(wěn)控制。

c. 難以實(shí)現(xiàn)裝置卡邊優(yōu)化控制，比如在保證丙烯塔產(chǎn)品質(zhì)量合格的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)丙烯收率的最大化，優(yōu)化控制脫丙烷塔和脫乙烷塔的回流比、實(shí)現(xiàn)脫丙烷塔和脫乙烷塔的節(jié)能降耗等。

基于上述描述，結(jié)合年產(chǎn)60萬噸氣體分餾裝置的工藝與運(yùn)行特點(diǎn)，制定相應(yīng)的先進(jìn)控制技術(shù)方案，主要采用智能軟測(cè)量技術(shù)和多變量預(yù)測(cè)控制技術(shù)來提高生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性，增強(qiáng)抗干擾能力，改善產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)卡邊控制，提高目標(biāo)產(chǎn)品收率并降低裝置能耗。

2 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

本項(xiàng)目采用4個(gè)控制器，控制裝置的脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯塔和脫戊烷塔。以下對(duì)各控制器實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行說明。

脫丙烷塔(T101)控制器克服了進(jìn)料流量和進(jìn)料組分的影響，提高了控制平穩(wěn)性，實(shí)現(xiàn)了塔底蒸汽和塔頂冷卻系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行、塔頂液位和塔頂采出的均勻控制，降低了對(duì)后續(xù)操作的影響，實(shí)現(xiàn)了塔底產(chǎn)品質(zhì)量的平穩(wěn)控制并逐步優(yōu)化裝置的回流比，實(shí)現(xiàn)了操作能耗的最小化。

脫乙烷塔(T102)控制器克服了進(jìn)料量的影響，提高了控制平穩(wěn)性，實(shí)現(xiàn)了塔底蒸汽和塔頂冷卻系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，優(yōu)化了塔底產(chǎn)品質(zhì)量，減少了塔頂丙烯損失，實(shí)現(xiàn)了塔底液位和塔底采出的均勻控制，降低了對(duì)后續(xù)操作的影響。

丙烯精餾塔控制器克服了進(jìn)料量的影響，提高了控制平穩(wěn)性，以塔內(nèi)溫差為主要控制目標(biāo)(T103塔塔頂?shù)诇夭?、T104塔塔頂?shù)诇夭詈蚑103-T104兩塔總溫差)，實(shí)現(xiàn)T103-T104兩塔間組分分布梯度穩(wěn)定控制的目標(biāo)，克服了蒸汽壓力波動(dòng)對(duì)壓縮機(jī)的影響，實(shí)現(xiàn)了供熱的平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了丙烯產(chǎn)品的卡邊優(yōu)化控制，減少了丙烯損失，逐步優(yōu)化回流比，實(shí)現(xiàn)了操作能耗最小化。

脫戊烷塔(T105)控制器克服了進(jìn)料量的影響，提高了控制的平穩(wěn)性，實(shí)現(xiàn)了塔底蒸汽和塔頂冷卻系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

3 APC-Suite投運(yùn)前后工藝指標(biāo)的對(duì)比

通過先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，分析APC-Suite系統(tǒng)的應(yīng)用效果。以下圖、表中，采樣周期均為30s，投運(yùn)前的數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2014年4月1～4日(投運(yùn)前時(shí)間間隔3d)，投運(yùn)后的數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2014年8月3～7日(時(shí)間間隔也是3d)。

3.1脫丙烷塔參數(shù)對(duì)比

脫丙烷塔常規(guī)DCS操作較為平穩(wěn)，其波動(dòng)主要來自于塔底蒸汽變化的干擾。在儀表正常的情況下，投運(yùn)先進(jìn)控制系統(tǒng)后，有效地減小了各塔盤溫度的波動(dòng)，而且進(jìn)一步平衡了物料和能量的分配。脫丙烷塔投運(yùn)先進(jìn)控制前后的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 脫丙烷塔3項(xiàng)工藝參數(shù)投運(yùn)先進(jìn)控制系統(tǒng)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1計(jì)算可知，塔底溫度TI0201投運(yùn)前的標(biāo)準(zhǔn)方差為0.045 04，投運(yùn)后為0.038 40，方差降低百分率為14.75%；第10層溫度TI0206投運(yùn)前的標(biāo)準(zhǔn)方差為0.021 48，投運(yùn)后為0.017 12，方差降低百分率為20.28%；塔底液位LIC0201投運(yùn)前的標(biāo)準(zhǔn)方差為7.604 70，投運(yùn)后為3.728 22，方差降低百分率為50.97%。

工藝參數(shù)趨勢(shì)對(duì)比如圖1所示。

a. 投運(yùn)前

b. 投運(yùn)后圖1 脫丙烷塔先進(jìn)控制投運(yùn)前后參數(shù)趨勢(shì)對(duì)比

3.2脫乙烷塔參數(shù)對(duì)比

脫乙烷塔釜液位和回流罐液位受脫丙烷塔流量和蒸汽的影響波動(dòng)頻繁，常規(guī)操作有一定的難度。投運(yùn)先進(jìn)控制系統(tǒng)后，不但有效穩(wěn)定了脫乙烷塔釜液位和回流罐液位，而且平穩(wěn)了各塔盤溫度。脫乙烷塔投運(yùn)先進(jìn)控制前后的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 脫乙烷塔3項(xiàng)工藝參數(shù)投運(yùn)先進(jìn)控制系統(tǒng)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

由表2中的數(shù)據(jù)計(jì)算可知，回流罐液位LIC0501投運(yùn)前的標(biāo)準(zhǔn)方差為31.768 78，投運(yùn)后為5.099 19，方差降低百分率為83.95%；塔釜液位LIC0401投運(yùn)前的標(biāo)準(zhǔn)方差為76.115 21，投運(yùn)后為10.521 49，方差降低百分率為86.18%；塔底溫度TIC0401投運(yùn)前的標(biāo)準(zhǔn)方差為0.053 24，投運(yùn)后為0.015 45，方差降低百分率為70.99%。

工藝參數(shù)趨勢(shì)對(duì)比如圖2所示。

a. 投運(yùn)前 b. 投運(yùn)后圖2 脫乙烷塔先進(jìn)控制投運(yùn)前后參數(shù)趨勢(shì)對(duì)比

3.3丙烯精餾塔參數(shù)對(duì)比

丙烯精餾塔因受前面塔影響，有少許波動(dòng)。常規(guī)操作要求控制T103塔底溫差不大于3.5℃，T104丙烯質(zhì)量控制在99.60%以上。先進(jìn)控制投運(yùn)后丙烯質(zhì)量均值保持在99.75%以上，各塔液位平穩(wěn)。

丙烯精餾塔T103/T104投運(yùn)先進(jìn)控制前后的相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 丙烯精餾塔3項(xiàng)工藝參數(shù)投運(yùn)先進(jìn)控制系統(tǒng)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

由表3計(jì)算可知，T103塔底溫度TI0608投運(yùn)前的標(biāo)準(zhǔn)方差0.223 82，投運(yùn)后0.144 30，方差降低百分率為35.53%；丙烯塔溫差TI0608-TI0606投運(yùn)前的標(biāo)準(zhǔn)方差0.051 74，投運(yùn)后0.045 38，方差降低百分率12.29%；T104液位LIC0802投運(yùn)前的標(biāo)準(zhǔn)方差為14.648 91，投運(yùn)后為2.052 46，方差降低百分率85.99%。

工藝參數(shù)趨勢(shì)對(duì)比如圖3所示。

a. 投運(yùn)前 b. 投運(yùn)后圖3 丙烯精餾塔先進(jìn)控制投運(yùn)前后參數(shù)趨勢(shì)對(duì)比

3.4脫戊烷塔參數(shù)對(duì)比

常規(guī)操作中，脫戊烷塔受脫丙烷塔流量影響很大，使得塔底液位和回流罐液位波動(dòng)較大。投運(yùn)先進(jìn)控制后液位波動(dòng)大幅減小，塔底溫度也較為平穩(wěn)。脫戊烷塔投運(yùn)先進(jìn)控制前后的相關(guān)參數(shù)見表4。

表4 脫戊烷塔3項(xiàng)工藝參數(shù)投運(yùn)先進(jìn)控制系統(tǒng)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

由表4計(jì)算可知，塔釜液位LIC0901投運(yùn)前的標(biāo)準(zhǔn)方差為68.626 74，投運(yùn)后為47.011 98，方差降低百分率為31.50%；塔底溫度TIC0901投運(yùn)前的標(biāo)準(zhǔn)方差為8.798 68，投運(yùn)后為1.711 26，方差降低百分率為80.55%；塔頂溫度TI0902投運(yùn)前的標(biāo)準(zhǔn)方差為0.392 49，投運(yùn)后為0.112 60，方差降低百分率為71.31%

工藝參數(shù)趨勢(shì)對(duì)比如圖4所示。

a. 投運(yùn)前

b. 投運(yùn)后圖4 脫戊烷塔先進(jìn)控制投運(yùn)前后參數(shù)趨勢(shì)對(duì)比

由氣體分餾裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)前后的各個(gè)關(guān)鍵工藝指標(biāo)的對(duì)比趨勢(shì)來看，先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)之后，有效地克服了一定范圍內(nèi)的熱源波動(dòng)、環(huán)境溫度變化等外界干擾因素的影響，各個(gè)關(guān)鍵工藝指標(biāo)的平穩(wěn)性有明顯改善，投運(yùn)前后波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差有了大幅減小，從而也穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量和分離效果。在此基礎(chǔ)上，通過工藝指標(biāo)的優(yōu)化和卡邊控制，能夠有效提高高附加值產(chǎn)品的收率，同時(shí)降低消耗。

4 性能分析、經(jīng)濟(jì)效益概算和遺留問題

先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)后，控制器在線投運(yùn)率達(dá)到95%以上。各被控變量與常規(guī)控制下相比，其標(biāo)準(zhǔn)偏差均有明顯降低，關(guān)鍵被控變量的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差下降達(dá)到了30%以上。先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)期間的丙烯產(chǎn)品質(zhì)量平均純度達(dá)到99.80%。當(dāng)裝置加工量在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)時(shí)，丙烷產(chǎn)品質(zhì)量平均純度為99.32%。

為了準(zhǔn)確評(píng)估氣體分餾優(yōu)化控制系統(tǒng)的達(dá)標(biāo)情況，并評(píng)估項(xiàng)目實(shí)施后的經(jīng)濟(jì)效益，延安石油化工廠對(duì)優(yōu)化控制系統(tǒng)投運(yùn)前后采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，詳見表5?？梢源_認(rèn)優(yōu)化控制投運(yùn)后，丙烯收率提高了0.3%。

表5 先進(jìn)控制投運(yùn)前后采集的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比

表6為優(yōu)化控制系統(tǒng)投運(yùn)前后蒸汽能耗數(shù)據(jù)的對(duì)比?？梢钥闯?，先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)之后蒸汽能耗有明顯的下降。經(jīng)計(jì)算，氣體分餾裝置2014年7月生產(chǎn)單位產(chǎn)品蒸汽能耗68.92-19.54=49.38kg(EO)/t(即每噸產(chǎn)品需消耗49.38kg標(biāo)準(zhǔn)油(EO)，1kg(EO)/t(原料)=41.8MJ/t(原料))；氣體分餾裝置2013年8月生產(chǎn)單位產(chǎn)品能耗62.21-10.99=51.22kg(EO)/t。由此可以確認(rèn)，優(yōu)化控制投運(yùn)后裝置的能耗下降了1.84kg(EO)/t。

表6 優(yōu)化控制系統(tǒng)投運(yùn)前后蒸汽能耗數(shù)據(jù)對(duì)比

可見，實(shí)施優(yōu)化控制系統(tǒng)后氣體分餾裝置生產(chǎn)單位產(chǎn)品的能耗降低了1.84÷51.22×100%=3.59%。以氣體分餾裝置2013年總處理量643 824t和每噸2 000元標(biāo)油的價(jià)格計(jì)算，優(yōu)化控制系統(tǒng)通過節(jié)能產(chǎn)生的年經(jīng)濟(jì)效益約237萬元。

先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)后，有效提高了產(chǎn)品收率，降低了人力勞動(dòng)強(qiáng)度。但是仍然存在部分儀表點(diǎn)無法投運(yùn)先進(jìn)控制的問題，原因是投運(yùn)先進(jìn)控制后參數(shù)波動(dòng)較大，因而采用手動(dòng)控制，如脫丙烷塔塔底溫度、塔頂回流量等。這些未投運(yùn)的被控量仍有待繼續(xù)改進(jìn)先進(jìn)控制系統(tǒng)，合理調(diào)整數(shù)據(jù)模型參數(shù)后對(duì)它們進(jìn)行有效穩(wěn)定的控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

氣體分餾裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)后，控制器的在線投運(yùn)率達(dá)到95.0%以上，顯著提高了各關(guān)鍵工藝指標(biāo)的平穩(wěn)性，投運(yùn)期間丙烯產(chǎn)品質(zhì)量平均純度達(dá)到99.80%。根據(jù)2014年7月與2013年8月的數(shù)據(jù)對(duì)比，當(dāng)裝置加工量在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍時(shí)，丙烷產(chǎn)品質(zhì)量的平均純度達(dá)到了99.32%?？朔讼到y(tǒng)內(nèi)和環(huán)境變量的干擾；在提高裝置運(yùn)行平穩(wěn)率的基礎(chǔ)上，通過卡邊操作使得產(chǎn)品丙烯的收率提高了0.3%；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，生產(chǎn)單位產(chǎn)品蒸汽能耗降低了3.59%。而且，操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度也大幅降低，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1] 黃鳳,華王玲.先進(jìn)控制技術(shù)的主要控制方法綜述[C].第十九屆電工理論學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.武漢:湖北省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì),2007:231～236.

[2] 高琦,趙育榕.先進(jìn)控制技術(shù)在乙烯裝置分離單元的應(yīng)用[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù),2010,31(2):50～53.

ApplicationofAPC-SuiteSysteminGasFractionationPlant

CHU Kai-jiana, CHEN Qiongb, FENG Wan-junb

(a.MechanicalandPowerDeviceDivision; b.ElectricalandInstrumentWorkshop,Yan’anPetrochemicalPlant,Yan’an727406,China)

The successful application of APC-Suite advanced control software in the gas fractionation plant was introduced. Comparing process indexes before and after the application of APC-Suite software shows that, the controller’s on-line operation rate stays at over 95.0% along with improved stability of process indexes; in controller’s operation, the purity of propylene products averages to 99.80% with 99.32% for the average purity of propane products; the interference from intra-system and environment variable can be eliminated and basing on improving the plant stability, the production yield is promoted together with 0.3% for propylene yield and a reduced steam consumption per unit product by 3.59%.

APC-Suite, gas fractionation plant, process index, steam consumption

TH862

B

1000-3932(2016)09-0956-06

2016-06-02(修改稿)