吳 博 羅雄麟 苗立民

(1.中國石油大學(xué)(北京)地球物理與信息工程學(xué)院；2.中國石化中原油田普光分公司)

多進料脫甲烷塔進料位置切換的控制策略

吳 博1羅雄麟1苗立民2

(1.中國石油大學(xué)(北京)地球物理與信息工程學(xué)院；2.中國石化中原油田普光分公司)

進料位置和控制器的操作參數(shù)是顯著影響精餾塔單元分離和節(jié)能效率的重要參數(shù)。為此提出一種動態(tài)多進料切換和控制器參數(shù)切換控制策略。在脫甲烷塔系統(tǒng)動態(tài)模擬和控制的基礎(chǔ)上，對脫甲烷塔多進料位置切換的控制方案進行驗證，并分別實現(xiàn)對進料位置和控制器參數(shù)的分步和同步切換。結(jié)果表明：同步切換方法更有利于實現(xiàn)多進料位置和控制器參數(shù)的切換。

脫甲烷塔 控制策略 多進料 切換 參數(shù)

在化工生產(chǎn)過程中，為了有效降低系統(tǒng)冷熱能量消耗，原料氣通過一系列預(yù)冷和預(yù)分離操作單元，分離輕重組分，進而獲得不同能級的流股，即采用梯級分層進料設(shè)計原理，將不同品質(zhì)的流股從多個不同位置注入精餾塔[1，2]。筆者的研究對象——多進料低溫脫甲烷塔系統(tǒng)中，裂解氣通過閃蒸和冷箱的粗分與換熱分為4股進料進入脫甲烷塔。進料在組成和溫度上存在較大差異，溫度較低的流股從靠近塔頂?shù)奈恢眠M料，較重的流股則從相對較低的位置進料，這種組合的多進料模式使得更多的重組分流向塔底，輕組分去往塔頂，降低了系統(tǒng)的分離難度。同時，這種進料模式有利于保證脫甲烷塔的溫度分布，使得整個系統(tǒng)的冷量得到充分利用。

多進料操作存在各種進料位置的匹配問題。對于多進料脫甲烷塔，不合適的進料位置會導(dǎo)致精餾塔內(nèi)出現(xiàn)類似“返混”的現(xiàn)象，使得內(nèi)部傳熱傳質(zhì)效率降低，精餾塔的分離效率隨之大幅降低[3]。為了最大限度地挖掘固有設(shè)備的潛能，提高精餾塔的分離效率，降低系統(tǒng)總能耗，需對精餾塔原有的進料位置進行優(yōu)化調(diào)整，從而實現(xiàn)從一種組合進料到另一種組合進料的切換。而在塔的設(shè)計之初，會在進料板上下兩級塔板處預(yù)留額外的進料位置，以實現(xiàn)不同進料狀態(tài)下進料位置的切換調(diào)整，但這常常被操作人員忽視。進料位置自動切換調(diào)整的關(guān)鍵是解決進料位置切換中的控制問題，尤其是包含多個進料的多進料脫甲烷塔系統(tǒng)。近年來，國內(nèi)外對乙烯過程脫甲烷系統(tǒng)的研究主要集中在脫甲烷塔系統(tǒng)的建模和模擬[4，5]，脫甲烷塔的控制[6，7]，降低塔頂乙烯損失措施[8]，脫甲烷塔的仿真和操作條件的優(yōu)化分析[9，10]，以及塔設(shè)備降低能耗的改造[11]等方面，較少涉及進料位置切換和該過程中控制指標切換的控制方案研究。而進料位置切換控制方案的研究對塔設(shè)備自動平穩(wěn)運行和塔設(shè)備節(jié)能操作中設(shè)備的調(diào)整具有重要的指導(dǎo)意義。

1 脫甲烷塔動態(tài)仿真系統(tǒng)的搭建

筆者引入應(yīng)用流程模擬軟件gPROMS(general PROcess Modelling System)建立基于實際數(shù)據(jù)的乙烯裂解過程脫甲烷塔與冷箱系統(tǒng)的動態(tài)模型(圖1)，以反映出實際裝置的特性和解決操作的問題。根據(jù)流程，乙烯裂解氣通過冷箱和脫甲烷塔后分為4部分：高純氫、粗氫、壓縮甲烷和脫乙烷塔的進料。冷箱為各操作單元提供需要的進料條件，脫甲烷塔內(nèi)部實現(xiàn)輕組分氣體甲烷氫氣與乙烯氣體的分離，是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。塔頂乙烯濃度不僅影響塔頂產(chǎn)品中乙烯的損失量，而且關(guān)系到塔底甲烷的含量，而后者是后續(xù)產(chǎn)品純度的一個重要影響因素，需要將二者控制在合理的操作范圍內(nèi)。筆者前期的研究工作主要集中在利用動態(tài)模擬的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進行脫甲烷塔的流程重構(gòu)分析[3]，但并未考慮對該裝置的動態(tài)控制問題。現(xiàn)重點研究脫甲烷塔的動態(tài)控制策略和進料位置切換中塔的控制問題。

圖1 多進料脫甲烷系統(tǒng)及其關(guān)鍵指標控制回路流程

在精餾塔的常規(guī)PID控制中，塔頂?shù)慕M成與回流量的串級控制，塔底再沸流量的流量定值控制是常用控制手段。建模之初考慮到精餾塔系統(tǒng)間的相似性和方便性，將塔頂關(guān)鍵產(chǎn)品組成與回流量的串級控制，塔底再沸器的流量定值控制作為裝置的核心控制方案，控制器流程如圖1所示。從控制器的控制作用來說，為了了解脫甲烷塔在塔頂氣中關(guān)鍵組分設(shè)定值變化的情況下的動態(tài)性能和控制器對關(guān)鍵指標的控制效果，通過控制脫甲烷塔塔頂出料中關(guān)鍵產(chǎn)品乙烯的摩爾分率來分析塔頂乙烯隨設(shè)定值的變化規(guī)律。如圖2a所示，將串級控制回路中的主回路控制器中乙烯摩爾分率的設(shè)定值由0.10mol%降為0.05mol%。由于塔頂乙烯摩爾分率的控制主要由調(diào)整回流量實現(xiàn)，可以得到回流量隨設(shè)定值變化的調(diào)節(jié)曲線(圖2c)。隨著主控制器設(shè)定值的降低，為降低產(chǎn)品氣中乙烯組分的含量，需要通過增加系統(tǒng)中的冷量消耗降低塔頂溫度，進而需要增加塔頂回流量。在此調(diào)整過程中，塔頂溫度隨著回流量的增加而降低，塔頂甲烷氣的摩爾分率也得到有效提升(圖2b)。另一方面，從系統(tǒng)仿真調(diào)整時間的角度來說，塔頂乙烯摩爾分率的調(diào)整過程較為迅速，改變設(shè)定值后，約1h后塔頂?shù)幕亓髁吭诳刂破鞯恼{(diào)節(jié)作用下達到穩(wěn)定狀態(tài)，塔頂出料濃度達到了設(shè)定值。驗證了通過塔頂回流量調(diào)節(jié)塔頂出料中關(guān)鍵組分的控制策略是有效的，并且塔頂組分的控制過程是一個相對較快的過程，對于塔頂產(chǎn)品中乙烯濃度與回流量的串級控制是一個有效的控制策略。

圖2 串級控制塔頂關(guān)鍵組分和回流量的變化趨勢

2 固定塔頂塔底控制指標的進料位置切換

在設(shè)計階段改變精餾塔的進料位置容易實現(xiàn)，前期分析得出調(diào)整進料位置能夠有效降低系統(tǒng)能耗。要實現(xiàn)進料位置的調(diào)整并在此調(diào)整過程中滿足生產(chǎn)指標的要求，需給出多進料位置動態(tài)切換中指標的控制方案，來同時實現(xiàn)位置的切換與指標的控制目標。按照上述常規(guī)精餾塔控制方法，對塔頂關(guān)鍵組分采用回流量與乙烯組分的串級控制，主回路為乙烯摩爾分率控制回路，副回路為回流量控制回路。塔底產(chǎn)品指標往往要求控制在一定的約束范圍內(nèi)，因而采用塔底再沸量的流量定值控制方式即可。在進料位置調(diào)整過程中并未采用額外的控制策略，采用常規(guī)PID控制方法分別對塔頂和塔底的指標進行控制，切換進料時的控制回路流程如圖1所示。

根據(jù)文獻[3]對乙烯裂解裝置中原始進料位置的分析結(jié)果，原始進料位置不是脫甲烷塔最佳的進料位置，應(yīng)進行調(diào)整切換。脫甲烷塔的進料位置由原始位置A(8，14，17，23)調(diào)到最佳進料位置B(10，14，19，25)。在塔頂串級控制作用下，隨著進料位置的切換，塔頂出料中關(guān)鍵產(chǎn)品乙烯摩爾分率、甲烷摩爾分率和塔頂回流量的變化趨勢如圖3所示。從圖3a可以看出，在串級控制器作用下，不改變主控制器的設(shè)定值，產(chǎn)品中的乙烯濃度出現(xiàn)一個小幅振蕩，然后恢復(fù)到原始設(shè)定值。從圖3b可以看出，甲烷濃度隨進料位置的調(diào)整，甲烷產(chǎn)品濃度輕微上升，然后由于控制器的作用使得甲烷含量下降。從圖3c可以看出，對于副回路而言，進料位置的切換使得分離效果變好，回流量下降，從而使得副回路的流量設(shè)定值下降?？梢?，在塔頂串級控制作用下，直接進行進料位置切換是可行的，且指標可控，并不會使塔頂原始產(chǎn)品質(zhì)量變差。

圖3 進料位置切換前后關(guān)鍵指標串級控制變化趨勢

對于塔底產(chǎn)品指標而言，在進料位置切換過程中塔底采用流量定值控制方案，通過調(diào)整再沸器流量調(diào)整塔釜溫度，進而實現(xiàn)對出料產(chǎn)品濃度的控制。脫甲烷塔進料位置調(diào)整過程中的塔底溫度以及乙烯和甲烷的摩爾分率變化如圖4所示。再沸量的流量定值控制實為組分和溫度控制的開環(huán)控制，塔底溫度和乙烯摩爾分率隨著進料位置的切換小幅增加，然后隨著塔頂關(guān)鍵參數(shù)和關(guān)鍵組分的變化也相應(yīng)降低(圖4a、b)。從最終的控制效果來說，流量定值控制針對進料位置的切換操作并未使塔底主要產(chǎn)品中甲烷的質(zhì)量分數(shù)變大，反而在原有流量條件下，乙烯濃度小幅提升，甲烷濃度稍微降低(圖4c)。驗證了動態(tài)切換進料位置的操作是可行的，切換進料位置的塔底控制方法是可行的，不會影響產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4 塔底流量定值控制關(guān)鍵產(chǎn)品隨進料位置切換的變化趨勢

3 調(diào)整控制指標下的多進料位置的切換

文獻[3]對脫甲烷塔進料位置的研究表明，改變脫甲烷塔的進料位置能夠改善塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)分布規(guī)律進而降低系統(tǒng)能耗，并且給出了最佳的進料位置調(diào)整方案。與此同時，在最優(yōu)的進料位置條件下，也可以通過優(yōu)化計算得到最優(yōu)的控制器設(shè)定值(圖5)，即最優(yōu)的進料組合和指定的控制器設(shè)定值(圖5中的狀態(tài)C)。根據(jù)操作對象的不同，實現(xiàn)從初始狀態(tài)A到最終狀態(tài)C的切換可分為兩種方式，分別進行進料位置的切換和控制器參數(shù)的切換，即從A到B再到C的分步操作方式；同時進行進料位置和控制器的設(shè)定值切換，即從A直接切換到C狀態(tài)的同步切換方式。詳細的切換控制方式如圖5所示，其中路徑①為分步切換方式，路徑②為同步切換方式。

圖5 進料位置切換和控制器切換策略

針對路徑①的切換方式，首先切換脫甲烷塔的多進料位置到最佳進料狀態(tài)，待塔頂乙烯的摩爾分率到達穩(wěn)態(tài)時再改變塔頂組分控制器的初始設(shè)定值為塔頂目標的乙烯濃度值，塔頂?shù)年P(guān)鍵產(chǎn)品乙烯和甲烷的摩爾分率以及塔頂?shù)臏囟群突亓髁康淖兓厔萑鐖D6中的曲線1所示。進行圖中路徑②的切換方式，同步實現(xiàn)對進料位置和控制器設(shè)定值切換的操作，塔頂關(guān)鍵產(chǎn)品乙烯和甲烷摩爾分率以及塔頂溫度和回流量變化趨勢如圖6中的曲線2所示。切換操作前各變量變化的曲線和控制器設(shè)定值的參考值分別如圖6中的曲線3、4所示。

圖6 分步切換與同步切換方法的仿真結(jié)果對比

上述結(jié)果證實，在切換過程中對于控制器閉環(huán)情況下，進料位置的切換和塔頂控制指標的改變能夠同時進行，并不會給塔的操作和生產(chǎn)指標產(chǎn)生太大的影響。對兩種切換方式進行對比，對于分步切換方式，塔頂關(guān)鍵指標乙烯濃度的調(diào)整時間比同步切換更長。同步切換操作的總調(diào)整時間幾乎接近于多進料位置切換的調(diào)整時間。從圖6中的曲線1可以看出，進料位置的調(diào)整周期比塔頂回流量對產(chǎn)品組成控制長，同步進行兩種操作的切換作用比單獨進行一個操作要迅速，并且在相同的控制目標下，調(diào)整過程中回流量和冷量消耗更小(圖6d)。

總之，為了最大限度地節(jié)省操作時間并降低系統(tǒng)操作過程中的能耗，同步操作方法比分步操作方法更加節(jié)省操作時間，并且同樣能夠達到最終的控制要求。在進行進料位置的調(diào)整和改變控制器參數(shù)的過程中，能夠同時進行兩個操作。

4 結(jié)束語

筆者對脫甲烷塔進行建模與控制分析，提出了多進料脫甲烷塔的多進料位置的切換控制方法。依據(jù)塔頂塔底控制指標要求，提出的脫甲烷塔控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)對塔頂塔底關(guān)鍵組分的控制。針對進料位置不合適的問題，在串級控制策略下多進料位置的切換，以及控制器操作條件的同步切換操作為系統(tǒng)優(yōu)化的在線實施提供了可行性，并且這種同步切換方法能夠有效降低系統(tǒng)的調(diào)整時間和能耗。

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ControlStrategyforFeedingLocationSwitchoftheMulti-feedDemethanizer

WU Bo1, LUO Xiong-lin1, MIAO Li-min2
(1.CollegeofGeophysicsandInformationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum; 2.PuguangCompany,SinopecZhongyuanOilfield)

Feeding locations and controller’s operating parameters significantly affect separation efficiency and energy saving of the distillation, a control strategy for the feeding location switching and that of controller’s operating parameters was proposed. Having the dynamic simulation and control of the demethanizer system based to verify the control strategy of switching demethanizer’s locations and to implement the switch step by step and synchronously respectively shows that, the synchronous switching method is more convenient to realize the switch of the multiple feed locations and controller parameters.

demethanizer, control strategy, multi-feed, switch, parameter

TQ021.8；TP273

A

1000-3932(2017)09-0848-06

2017-01-17，

2017-06-09)

吳博(1987-)，博士研究生，從事化工系統(tǒng)工程與過程控制的研究。

聯(lián)系人羅雄麟(1963-)，教授，從事控制理論與過程控制、化工系統(tǒng)工程及機器學(xué)習(xí)等的研究，luoxl@cup.edu.cn。