史結(jié)清 陳真生 楊繼華

(浙江中控技術(shù)股份有限公司,杭州 310013)

工業(yè)上，環(huán)氧乙烷(EO)的主要用途是生產(chǎn)乙二醇(EG)，目前，國內(nèi)EO與EG大多為聯(lián)產(chǎn)裝置(EOEG裝置),普遍采用以純氧和乙烯為原料，氧化反應(yīng)生成EO、EO水合生成EG的工藝路線(氧氣氧化法)[1]。

EO反應(yīng)系統(tǒng)為EOEG裝置的核心，在安全操作限度內(nèi)維持反應(yīng)變量的設(shè)定值，保證EO的產(chǎn)量與收率，是其主要控制目標(biāo)[2]。自控過程中，EO/EG生產(chǎn)工藝中的反應(yīng)選擇性和氧氣在循環(huán)氣中的比例呈對數(shù)曲線關(guān)系，當(dāng)氧氣含量達(dá)到一定值時(shí)會引發(fā)爆炸[3]。為了保證系統(tǒng)安全并達(dá)到預(yù)定的EO產(chǎn)量與收率，在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)條件下(催化劑的容積、負(fù)荷和停留時(shí)間)，需要快速、準(zhǔn)確又及時(shí)地掌握混合氣各組分的濃度，而對氧氣和乙烯的進(jìn)料穩(wěn)定控制是重中之重[4]，通過控制給料氣體的流量和入口氣體的溫度、壓力，利用鍋爐系統(tǒng)移走多余的反應(yīng)熱以維持反應(yīng)溫度[3]。

EO反應(yīng)系統(tǒng)的工藝流程和進(jìn)料系統(tǒng)控制回路如圖1所示。循環(huán)氣壓縮機(jī)出口的貧循環(huán)氣首先與新鮮乙烯和甲烷在管道中混合，然后，混合氣體進(jìn)入氧混站，導(dǎo)入新鮮氧進(jìn)料，在加入抑制劑后進(jìn)入預(yù)熱單元(氣氣換熱器)與EO產(chǎn)物氣體進(jìn)行熱交換(即預(yù)熱混合氣)，預(yù)熱后，混合氣進(jìn)入列管式反應(yīng)器，其中乙烯和氧氣在催化劑作用下進(jìn)行放熱反應(yīng)，部分乙烯轉(zhuǎn)化生成EO[5]。

圖1 EO反應(yīng)系統(tǒng)工藝流程和進(jìn)料系統(tǒng)控制回路

反應(yīng)熱由反應(yīng)器殼程中的沸水移走，水循環(huán)通過熱虹吸實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)放熱使列管外的水沸騰汽化為蒸汽。離開反應(yīng)器殼程的水和蒸汽兩相混合物進(jìn)入反應(yīng)器汽包，水和蒸汽在此分離，水被送回反應(yīng)段殼層循環(huán)使用，而汽包上方引出蒸汽被送到高壓蒸汽管網(wǎng)，鍋爐給水預(yù)熱后補(bǔ)充至汽包。含有產(chǎn)物EO的富循環(huán)氣從反應(yīng)器流出，經(jīng)過反應(yīng)器/氣體冷卻器底部管程的沸水冷卻，富循環(huán)氣進(jìn)入氣氣換熱器殼程進(jìn)行冷卻，同時(shí)為反應(yīng)進(jìn)料氣加熱。冷卻后的富循環(huán)氣經(jīng)過洗滌塔塔底進(jìn)料/換熱器(E115)冷卻后流入洗滌塔，在洗滌塔的洗滌段，富循環(huán)氣中的EO被貧循環(huán)水吸收，再進(jìn)入預(yù)飽和段、接觸段進(jìn)行吸收和冷卻，貧循環(huán)氣送到洗塔底部的循環(huán)氣KO罐，清除夾帶的液體后輸送到循環(huán)壓縮機(jī)。

甲烷作為一種致穩(wěn)劑加入循環(huán)物流中，可以提高可燃極限和氧在反應(yīng)器進(jìn)料中的允許濃度。通常甲烷首先進(jìn)入再生塔進(jìn)料閃蒸罐幫助回收乙烯，然后經(jīng)回收氣體壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入循環(huán)氣系統(tǒng)，當(dāng)回收氣體壓縮機(jī)不運(yùn)行時(shí)，甲烷經(jīng)甲烷壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入系統(tǒng)，可用于反應(yīng)系統(tǒng)的最終加壓。

2 進(jìn)料控制

循環(huán)EO反應(yīng)過程中，進(jìn)入反應(yīng)器的混合氣由循環(huán)氣和新鮮原料氣混合而成，循環(huán)氣的主要組分有氧氣、乙烯、EO、二氧化碳、水、氮?dú)?、氬氣、甲烷及乙烷等。循環(huán)氣中各組分的濃度和循環(huán)氣在反應(yīng)器的停留時(shí)間直接體現(xiàn)了當(dāng)前反應(yīng)過程的轉(zhuǎn)化率和選擇性[6]。

2.1 氧氣與乙烯濃度采樣控制

實(shí)際生產(chǎn)過程中乙烯與氧的配比一定要在爆炸限以外，同時(shí)必須控制氧氣的濃度在合適的范圍內(nèi)，氧氣濃度過低時(shí)催化劑的生產(chǎn)力變?。贿^高時(shí)反應(yīng)放出的熱量大，易造成反應(yīng)器的熱負(fù)荷過大，產(chǎn)生飛溫。

氧氣濃度的控制方案如圖2所示，循環(huán)氣中氧氣的濃度主要靠調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)料流量實(shí)現(xiàn)。氧氣濃度調(diào)節(jié)回路AC15B與氧氣流量調(diào)節(jié)回路FC16構(gòu)成串級調(diào)節(jié)，氧氣增加的消耗量Ro乘以前饋增益C1的結(jié)果作為主回路AC15B的輸出補(bǔ)償(即前饋信號)，其中前饋增益C1需在回路調(diào)試時(shí)調(diào)整，氧氣增加的消耗量Ro由質(zhì)譜儀軟件計(jì)算得出。此外，因氧氣的危險(xiǎn)性，在自動控制中，氧氣濃度回路AC15B的設(shè)定值和氧氣流量回路FC16的設(shè)定值需加以限幅，避免增加過快。

圖2 氧氣濃度的控制方案

氧氣濃度檢測具有很大的滯后性，而且常規(guī)PID控制器對被控參數(shù)偏差的控制作用不能適時(shí)地反映出來，易造成控制過頭，引起過程超調(diào)嚴(yán)重。為此氧氣濃度控制器AC15B采用采樣控制器，采用“調(diào)一調(diào)、等等看”的方法，即當(dāng)控制器調(diào)節(jié)一段時(shí)間后，就不再調(diào)整，保持原輸出值，直到控制作用的效果在被控量的變化中反映出來，然后再根據(jù)偏差與被控量的變化決定下一步的控制動作。

采樣控制的動態(tài)特性如圖3所示，當(dāng)控制器具有積分作用，處于控制區(qū)ΔTc內(nèi)時(shí)，控制器進(jìn)行正常的控制運(yùn)算輸出MV；當(dāng)控制器處于保持時(shí)間區(qū)ΔTh內(nèi)時(shí)，控制器停止運(yùn)算，控制輸出MV保持不變。這是一種斷續(xù)的控制方式，它無需掌握精確的過程動態(tài)特性，就能克服被控變量中純滯后對控制帶來的不利影響，但是必須注意此時(shí)采樣控制保持時(shí)間的選取要略大于過程的純滯后時(shí)間[7]。

圖3 采樣控制的動態(tài)特性

循環(huán)氣中乙烯的濃度主要靠調(diào)節(jié)新鮮乙烯進(jìn)料流量實(shí)現(xiàn)，循環(huán)氣乙烯濃度調(diào)節(jié)AC15A與乙烯流量FC18構(gòu)成串級調(diào)節(jié)。乙烯增加的消耗量做前饋信號，控制方案與氧氣濃度控制類似。

2.2 流量跟蹤差報(bào)警控制

為防止循環(huán)氣中氧氣濃度過高，為氧氣進(jìn)料流量與循環(huán)氣流量設(shè)置了跟蹤差報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有報(bào)警設(shè)定值僅按一個(gè)方向變化的特點(diǎn)。氧氣進(jìn)料流量設(shè)上限跟蹤差報(bào)警，報(bào)警設(shè)定點(diǎn)只能下降不可上升，以達(dá)到不允許氧流量大量增加的目的。

氧氣流量跟蹤差報(bào)警設(shè)定點(diǎn)與工藝變量的關(guān)系如圖4所示。如果氧氣流量下降，其報(bào)警設(shè)定值等于實(shí)際流量乘以大于1的固定系數(shù)(如115%)而且不可超過原最高值；當(dāng)氧氣流量上升時(shí), 其報(bào)警設(shè)定值保持在原值不變(除非按下復(fù)位按鈕)。如果按下氧氣跟蹤差報(bào)警系統(tǒng)的復(fù)位按鈕，可將報(bào)警設(shè)定點(diǎn)重新設(shè)置為實(shí)際流量的115%，當(dāng)復(fù)位按鈕被釋放時(shí)，報(bào)警點(diǎn)設(shè)置完成。如果實(shí)際流量上升到報(bào)警點(diǎn)，將觸發(fā)報(bào)警并聯(lián)鎖停車[3]。

圖4 氧氣流量跟蹤差報(bào)警設(shè)定點(diǎn)

與氧氣流量跟蹤差報(bào)警相反，循環(huán)氣流量設(shè)下限跟蹤差報(bào)警，其目的是不允許循環(huán)氣流量大量降低，以保證氧氣濃度不超限。

2.3 循環(huán)氣的壓力調(diào)節(jié)

循環(huán)氣在反應(yīng)器中的停留時(shí)間通過循環(huán)氣壓力來調(diào)節(jié)，而循環(huán)氣壓力通過致穩(wěn)氣甲烷的流量來調(diào)節(jié)。在圖1中，甲烷的濃度AC15D與循環(huán)氣壓力PC18都是通過與甲烷流量調(diào)節(jié)構(gòu)成串級控制來實(shí)現(xiàn)的。甲烷流量有兩個(gè)流路可選擇，即甲烷去回收壓縮機(jī)流量FC34與甲烷壓縮機(jī)出口流量FC15。DCS設(shè)選擇開關(guān)FSS18，選擇AC15D、PC18的其中之一作為主回路；再選擇FC34、FC15其中之一作為副回路，或FC34、FC15都作為副回路同時(shí)調(diào)節(jié)，沒被選擇的副回路作為手操調(diào)節(jié)。循環(huán)氣壓力與甲烷濃度調(diào)節(jié)的控制框圖如圖5所示。

圖5 循環(huán)氣壓力與甲烷濃度調(diào)節(jié)的控制框圖

該控制方案中的主回路AC15D與PC18也使用采樣控制器，因FC34與FC15的特性不同，當(dāng)它們分別作為副回路時(shí)，主回路的控制參數(shù)和采樣參數(shù)也不一樣，因此主回路AC15D與PC18必須至少預(yù)先儲存3套控制參數(shù)和采樣參數(shù)，分別對應(yīng)3種副回路的切換方案，以便回路切換時(shí)自動調(diào)出。

3 反應(yīng)器汽包壓力控制

EO反應(yīng)溫度是影響反應(yīng)選擇性和轉(zhuǎn)化率的主要因素。EO氧化反應(yīng)在反應(yīng)溫度很低時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物幾乎全是EO，但反應(yīng)速率很慢，轉(zhuǎn)化率很低。隨著溫度升高，轉(zhuǎn)化率增加，選擇性下降，在溫度超過300℃時(shí)，產(chǎn)物幾乎全是二氧化碳和水。此外，EO反應(yīng)溫度過高還會導(dǎo)致催化劑的使用壽命下降。權(quán)衡轉(zhuǎn)化率和選擇性之間的關(guān)系，以求達(dá)到EO的最高收率，工業(yè)上一般選擇反應(yīng)溫度在220～260℃[8]。EO反應(yīng)屬放熱反應(yīng)，其反應(yīng)熱被管外鍋爐水所吸收，通過控制反應(yīng)器汽包壓力來控制鍋爐水溫，進(jìn)而由鍋爐水溫來控制反應(yīng)器的反應(yīng)溫度。此外，汽包壓力控制還需考慮反應(yīng)初期至末期汽包壓力的變化，通過汽包壓力控制使壓縮機(jī)透平蒸汽壓力趨于穩(wěn)定[9]。

反應(yīng)器汽包壓力控制流程如圖6所示，反應(yīng)器汽包壓力由兩個(gè)閥門協(xié)調(diào)控制，大口徑調(diào)節(jié)閥HV11進(jìn)行粗調(diào)，小口徑調(diào)節(jié)閥PV11由壓力調(diào)節(jié)回路進(jìn)行細(xì)調(diào)。對于大量程的蒸汽流量，小口徑調(diào)節(jié)閥PV11的調(diào)節(jié)能力有限，需要投入大口徑調(diào)節(jié)閥HV11配合。調(diào)節(jié)器HC11并非PID調(diào)節(jié)，而是根據(jù)調(diào)節(jié)閥PV11是否會失去調(diào)節(jié)能力來判斷其輸出的變化。

圖6 反應(yīng)器汽包壓力控制流程

PV11與HV11的協(xié)調(diào)關(guān)系如圖7所示。如果汽包壓力降低，PV11關(guān)小。如果PV11在N秒內(nèi)持續(xù)在20%以下，這時(shí)減小大閥HV11的開度，以免PV11繼續(xù)關(guān)小而全關(guān)。當(dāng)HV11關(guān)小到某個(gè)值后，汽包壓力將隨之上升，PV11在調(diào)節(jié)器PC11的作用下回到20%～80%，此時(shí)HV11保持不變；反之，如果汽包壓力升高，PV11在N秒內(nèi)一直在80%以上，此時(shí)HV11自動開大，使PV11回到20%～80%。HV11變化的開度可用公式ΔHV11=(PV11-50%)×C3計(jì)算得出。需要說明的是調(diào)節(jié)周期N與系數(shù)C3需要在回路調(diào)試時(shí)調(diào)整。

圖7 PV11與HV11的協(xié)調(diào)關(guān)系

通過HV11與PV11兩個(gè)口徑不同的調(diào)節(jié)閥的協(xié)調(diào)動作，可對較大量程的蒸汽流量進(jìn)行精確控制，從而使反應(yīng)器汽包壓力穩(wěn)定，進(jìn)而穩(wěn)定反應(yīng)器的溫度。

4 結(jié)束語

在EOEG 裝置的EO反應(yīng)系統(tǒng)中，利用采樣控制、跟蹤差報(bào)警控制、主回路和多個(gè)副回路結(jié)合選擇串級控制與不同口徑調(diào)節(jié)閥的協(xié)調(diào)控制等方案，有效解決了氧氣和乙烯濃度控制滯后、氧氣濃度安全問題、循環(huán)氣壓力控制及反應(yīng)器汽包壓力穩(wěn)定等控制問題。通過該控制方案再配合相應(yīng)的停車聯(lián)鎖方案，將最終實(shí)現(xiàn)EOEG 裝置核心部分EO反應(yīng)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行。

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