儲開建 陳 瓊 馮萬軍

(延安石油化工廠 a.機(jī)動科；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

儲開建a陳 瓊b馮萬軍b

(延安石油化工廠 a.機(jī)動科；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。通過對控制器投運(yùn)前后的工藝指標(biāo)的對比，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)效益和社會效益顯著[2]。

APC-Suite高級多變量預(yù)測控制軟件的原理是預(yù)測控制。預(yù)測控制是一種基于預(yù)測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)算出將來的控制動作，并由過程的歷史信息判斷將來的輸入輸出。預(yù)測控制的優(yōu)化過程是在有限的移動時(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)測控制與傳統(tǒng)最優(yōu)控制最大的區(qū)別。對于動態(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，需要手動調(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象基礎(chǔ)上，控制品質(zhì)難以達(dá)到工藝過程在大擾動、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，主要采用智能軟測量技術(shù)和多變量預(yù)測控制技術(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對壓縮機(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)的對比

通過先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)前后的數(shù)據(jù)對比，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)對比

脫丙烷塔常規(guī)DCS操作較為平穩(wěn)，其波動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，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)趨勢對比如圖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)趨勢對比

3.2脫乙烷塔參數(shù)對比

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)趨勢對比如圖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)趨勢對比

3.3丙烯精餾塔參數(shù)對比

丙烯精餾塔因受前面塔影響，有少許波動。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)趨勢對比如圖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)趨勢對比

3.4脫戊烷塔參數(shù)對比

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較大。投運(yùn)先進(jìn)控制后液位波動大幅減小，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)趨勢對比如圖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)趨勢對比

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)的對比趨勢來看，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、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)確評估氣體分餾優(yōu)化控制系統(tǒng)的達(dá)標(biāo)情況，并評估項(xiàng)目實(shí)施后的經(jīng)濟(jì)效益，延安石油化工廠對優(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)波動較大，因而采用手動控制，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)后對它們進(jìn)行有效穩(wěn)定的控制。

5 結(jié)束語

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，操作人員的勞動強(qiáng)度也大幅降低，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[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)年會論文集.武漢:湖北省科學(xué)技術(shù)協(xié)會,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)