浅谈乙烯装置精馏塔的控制

王旭

（中国石化工程建设公司，北京100101）

在石油炼制、石油化工和其他化工生产中，精馏是应用极为广泛的传质过程，其目的是将混合液中的各组分进行分离，使之达到所规定的纯度。精馏装置一般由精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐以及一些辅助设备组成。精馏过程实质上是利用混合物中各组分挥发度的不同，即在同一温度下各组分的蒸汽分压不同这一性质，使液相中的轻组分和气相中的重组分互相转移，从而实现分离的目的。精馏过程要消耗能量，根据美国的统计数据显示，在石油和化学工业的总能耗中，大约有40%～50%消耗在精馏过程中，因而精馏装置是耗能较大的操作单元之一。在乙烯装置中，由于分离各个组分的需要，精馏塔的应用较多而且操作状况各不相同，为了更有效地分离出裂解气中的各个组分，对于精馏塔的操作和控制就提出了更高的要求。基于此，笔者从工程角度对乙烯装置中的精馏塔的控制方法进行了探讨。

1 精馏塔的基本控制方案理论指导

精馏塔属于典型的多变量对象，往往设有多个控制系统。在多个受控变量和操纵变量中，选定一种变量配对，就可以组成一种控制方案。而如何从许多控制方案中选择一种比较合理的方案是较为棘手的问题。20世纪60年代中期以后，Shinskey和他的同事们用一种全新的方法成功地设计了一系列复杂的精馏塔控制系统，并取得了良好的控制效果。该方法的核心是以灵敏度和Bristol相对增益概念作为基本分析依据来解决精馏塔控制中的变量配对问题。概括地说，Shinskey提出的新方法可以归结成以下3条准则：1）当仅需要控制塔一端的产品质量时，应当选用物料平衡方式来控制该产品的质量；2）塔两端产品流量较小者，应当作为操纵变量去控制塔的产品质量；3）当塔的两端产品均需要按质量控制时，一般对含较少纯产品、较多杂质的一端的质量控制选用物料平衡控制，而含较多纯产品、较少杂质的一端的质量控制选用能量平衡控制。

所谓物料平衡控制与能量平衡控制是指当选用顶部产品馏出物流量或底部采出液流量来作为操纵变量控制产品质量时，称为物料平衡控制。物料平衡控制是响应较为快速的控制，但对一个控制系统而言，物料控制为了控制一个变量会因为耦合关系对多个变量造成影响，所以物料控制通常用在粗调的场合。而当选用顶部回流冷剂量或再沸器加热剂量来作为操纵变量时，则称为能量平衡控制。能量平衡控制的响应速度相对来说较为缓慢，但对一个控制系统而言，能量控制的控制精度更高，通常能与高级控制以及先进控制相结合运用。这3条准则既是Shinskey多年从事精馏控制的经验结晶，也是现代化工过程控制理论有关多变量控制理论的Bristol-Shinskey方法的一个最成功的应用。尽管Shinskey准则在工程上的应用并不是绝对的，但却能有效地提供关于精馏塔控制方面的指导。

同时，在考虑精馏塔的控制方案中，必须注意到，精馏塔只是生产过程中的一个环节，尤其是在乙烯装置冷区及冷区之后的各组分分离过程中，精馏操作一个接着一个，上一个精馏操作的输出就是下一个精馏操作的输入，这意味着，不仅前一工序精馏塔的操作情况要影响到后一工序的操作，而且前一精馏塔产品产量和成分等变化也要影响到后一工序的操作。因此，在设计精馏塔控制方案时，笔者在以Shinskey方法3条准则作为理论指导的前提下，必须协调好前后工序的关系，进而在深入了解工艺背景的情况下，根据具体的情况来选择合适的控制方法。

2 乙烯装置精馏塔的基本控制方法

精馏塔控制的最终目的是使产品的质量指标满足要求，而反映质量指标最直接的参数是成分或物性参数。近年来，由于成分物性检测仪表的快速发展和普及，特别是红外分析仪在乙烯装置烃类分析中越来越多的应用，直接指标的质量控制已成功应用在乙烯精馏塔和丙烯精馏塔的灵敏板产品组分控制中，直接保证了乙烯装置最终产品的质量；但是目前间接控制仍旧是乙烯装置精馏塔控制领域主流且有效可行的控制手段。一方面由于红外分析仪的价格较昂贵，在精馏塔的各个位置均采用直接质量控制会增大仪表的投资，但并不能显著提高装置的投入产出比；另一方面，采用塔压、塔板温度等间接质量指标能取得与直接质量控制同等的控制效果。可以说，直接质量指标控制是对以Shinskey准则为基础的乙烯装置精馏塔控制方法的一个革新。

间接质量指标控制往往选取塔压、塔板温度，顶部产品馏出物流量或底部采出液流量，冷凝剂的流量以及再沸器加热介质的流量作为受控变量。这是由于一方面有些变量对精馏塔的分离效果会产生更大的影响；另一方面有些变量由于精馏塔各个参数的耦合关系可以有效地替代另外的变量作为受控变量，这是一个根据经验人为解耦的过程。在目前的精馏塔控制中，温度仍是最常用的间接质量指标。以下结合采用顺序分离工艺流程的具有代表性的某国内乙烯装置的实例，对精馏塔控制方案进行说明：

1）在该乙烯装置乙烯和丙烯精馏塔塔顶的精馏段，工艺流程如图1所示。正常操作时因为塔顶组分较纯净，根据Shinskey方法准则3，采用能量平衡控制来保证塔压的稳定，当精馏塔塔顶压力波动时，通过调节冷凝器冷剂流量控制塔压（P-101A控制回路）；当装置开车或塔压有较大波动时，塔顶组分会含较多杂质，通过物料平衡控制把塔顶回流罐气体排放至火炬来迅速稳定塔压（P-101B控制回路）；当发生塔顶压力高高的情况时，表明再沸器对塔釜物料加热过多造成塔釜物料的气化量过大，将引发精馏塔联锁动作，切断再沸器热剂进料阀。图1中，一般还会在回流罐上部设一不凝气采出点，通过调节采出不凝气的量来及时控制塔压，尽量避免通过火炬系统或安全联锁来控制塔压。

2）在该乙烯装置中乙烯和丙烯精馏塔塔底的提馏段，采用正常操作时，红外分析仪分析得到的乙烯和丙烯组分浓度作为主回路被控变量，再沸器热源进料流量作为副回路被控变量，利用串级控制系统来调节塔釜物料气化量（能量平衡控制），提馏段工艺流程如图2所示，即前面所述的直接质量指标控制方式。在有些乙烯装置中精馏塔提馏段是采用温度作为质量指标间接控制的，通过控制灵敏板温度来调节塔底再沸器热剂量满足生产需要。从动态的角度来看，被控温度变量测温点选择应尽量使控制通道滞后小，理论上在提馏段控制时应把该测温点放在塔釜的液相中，通过控制塔釜的温度来间接控制塔釜的组分。然而在实际的应用中，在塔釜放置该测温点是非常罕见的，通常是放置在靠近塔顶或塔底中间区域的某塔板处，在该塔板处一个组分的变化导致的温度变化将比塔顶或塔底具有更高的灵敏性，该塔板处的温度就是灵敏板温度。

图1 精馏段工艺流程示意

图2 提馏段工艺流程示意

3）乙烯精馏塔的最终产品乙烯和丙烯精馏塔的最终产品丙烯都是从精馏塔的中部抽取得到，为了达到更好的组分分离效果，得到更高纯度的产品，有时会在塔中部设置中间再沸器。这时由于产品纯度较高，一般采用能量平衡控制方式。为了保持塔压恒定，乙烯或丙烯精馏塔塔顶回流罐的回流量通过比例控制调节乙烯或丙烯产品的产出量。

4）在塔釜，采用均匀控制，通过把塔釜液位作为主回路被控变量，利用串级控制系统来调节塔釜流出物料的流量，进而维持下游设备进料的稳定并且有效地控制塔液位。控制塔液位的主要目的是尽量保持精馏塔塔压恒定。

5）精馏塔需测量塔顶、塔中部及塔釜若干段的差压（通过开关取压点的根部阀来选择被测量取压点），塔的差压是判断液泛现象的可靠标志。液泛是由于精馏塔内气液两相流速过高导致塔内积液，破坏塔内部的物料平衡，进而破坏分离作用的现象。只有保证塔的差压小于液泛点，才能有效地防止塔板发生液泛现象。

6）在精馏塔自塔顶至塔釜的若干塔板处，还设有温度指示检测点。温度指示体现了塔压分布，塔压分布又体现了塔中各组分的分布，既为现场经验丰富的操作人员提供了一个人工干预调节的依据，又为工厂未来自动化程度提高后的组态升级、优化控制提供了一个被控变量组态点。

7）对精馏塔冷凝器、回流罐、再沸器、再沸器凝液罐，为了使冷凝器或再沸器的壳程液位以及回流罐或再沸器凝液罐液位能及时有效地控制且不脱离整个精馏系统，对液位采用超驰控制方式或串级控制方式，并将控制器的输出并入精馏塔物料平衡或能量平衡控制器中，构成一个超弛控制或串级控制系统。

以上就是该乙烯装置精馏塔采用的控制方法。在实际操作中，还有一些比较有效的控制方法可供选择。例如，在精密精馏时，可考虑采用温差控制。在上文介绍的灵敏点温度控制中，能实现精密精馏的一个前提条件是塔压保持恒定，因为物料的沸点会随压力的变化而发生变化。在组分间相对挥发度较小的情况，压力的变化比组分的变化对温度的影响大。如果采用温差控制，温差的两个测温点的温度随压力变化产生方向一致的变化，使得温差变化很小，压力波动的影响几乎可以忽略不计。实际操作中，相对挥发度较小的乙烯－乙烷，丙烯－丙烷精馏可采用此温差控制方法来控制精馏操作；也可以考虑采用灵敏点温度的压力补偿，这样能把压力变化造成物料的沸点变化和灵敏点位置的漂移影响减弱甚至消除。总而言之，精馏塔的操作，是建立在若干分馏操作基础上的，分馏的操作使进入精馏塔的物料纯度会比较高，因而决定了精馏塔的控制主要是以能量平衡控制为主。

3 模型预测控制的应用展望

众所周知，精馏塔是一个时间常数较大的对象，实时性要求不高，所以现阶段经验调节仍然在乙烯装置精馏塔控制中广泛应用。操作工根据塔顶、塔底及若干塔板处的温度指示和塔顶、塔底压力指示适当调节各PID控制器的设定值，使产品在塔压或物料组分的波动下仍然能达到性能指标要求。影响精馏塔分离效果的变量不仅仅是塔板温度、塔釜温度、塔顶温度以及塔压等内在因素，还包括冷凝剂的流量、再沸器加热介质的流量、进料流量、进料流量中各组分浓度以及环境温度等外在因素。如果考虑全部影响因素建立系统的模型并给出相应的控制策略，将是一个庞大的耦合控制系统，模型辨识的不确定性和复杂性会对系统的稳定产生不利的影响。这些影响导致基于模型精确辨识或模型不确定性精确辨识的先进控制理论不适用于乙烯装置精馏塔的控制，例如鲁棒控制和自适应控制。

模型预测控制（MPC）是一种不以追求精确辨识模型为目标最终达到最优指标的先进控制方法。MPC包括预测模型、滚动优化和反馈校正三个部分。预测模型的功能是根据对象的历史信息和未来输入预测其未来输出，这里只强调模型的功能而不强调其结构形式；滚动优化是通过某一性能指标的最优来确定未来的控制作用，该性能指标是有限时域内的优化性能指标，可以用二次型、期望方差或范数的值来量化，且优化不是离线进行，而是反复在线进行的；在系统根据优化性能指标确定的有限时域内某一时刻的控制作用实施后，检测对象下一时刻的实际输出，并利用这一实时信息对基于模型的预测进行修正，再进行新的优化。现在典型的预测控制包括动态矩阵控制（DMC）、模型算法控制（MAC）、广义预测控制（GPC）和预测函数控制（PFC）等。DMC与MAC的主要区别是DMC采用对象的阶跃响应，而MAC采用对象的脉冲响应；GPC采用受控自回归积分滑动平均模型，其与DMC和MAC的区别主要是DMC和MAC是在保持预测模型不变的基础上，对未来的误差做出预测并加以补偿来进行反馈校正，而GPC则采用直接修改预测模型的方法进行反馈校正；PFC是MAC发展到一定阶段的产物，在通过优化过程计算未来的控制作用时，PFC首次注意到控制量的结构性质，每一时刻加入的控制输入量被看作是由若干事先选定的基函数组合而成的。MPC的基本结构如图3所示。

图3 MPC的基本结构示意

前面已提到，乙烯装置精馏塔的被控对象是时间常数较大的对象，对控制的实时性要求不高，而预测控制不但运算量大，而且通信量大，会有一些时间延迟，这为预测控制的应用提供了平台。然而在预测控制应用时，希望预测模型尽可能快速并且精确地反映出受控过程，根据预测模型的优化性能指标计算得到的该采样周期的控制输入，才能对真正的被控变量有最好的控制效果。因此，预测控制的出现并不意味着它对随动系统有着广泛的适用性，如果反馈校正更多地是用来修正预测模型，那么它对受控过程的优化控制必然会受到影响。在实际过程控制中，精馏塔这一被控对象会受到各种过程变量的扰动，过程扰动会增加模型的不确定性，而模型的不确定性，尤其是频繁扰动造成模型的不确定性，使得预测控制的控制会更多地耗费在预测模型这一步上，所以一直以来抗扰性是预测控制应用的缺陷，也就是说，抑制扰动是预测控制能够得到充分有效利用的前提。基于此，串级－反馈预测控制在预测控制的应用中会有更广泛的应用基础。串级－反馈控制结构如图4所示，PID控制器和时间常数较小的被控对象以及二次扰动（剧烈的扰动）在副回路中，整个回路的滞后较小，能快速消除二次干扰对被控对象的影响；MPC与副回路对象、一次扰动（缓慢的扰动）和时间常数较大的被控对象构成主回路，图中虚线框内广义对象是一个滞后时间较大的对象，MPC-PID的应用提高了系统的鲁棒性。

图4 串级－反遗控制结构示意

在现阶段的乙烯装置精馏塔控制中，国外已经有了一定的应用经验。国内由于经验调节的理念深入人心，预测控制还没有得到广泛的应用，除了投资成本的考虑，即使有些装置配置了预测控制软硬件，过程扰动的影响仍旧需要操作人员去频繁地人工干预，结果往往是将预测控制束之高阁，回到人工经验调节。虽然操作人员的经验调节和规范操作可以有效抑制系统中的扰动，但是人工经验调节是不可能达到先进控制的优化控制效果的，尤其是操作的精确度和精馏产品的纯度。乙烯装置作为化工装置的龙头装置，精馏塔精馏产品的纯度直接决定了下游各生产装置的运行成本和产品质量，是乙烯装置生产的关键指标。因此，随着先进控制技术的不断发展、投入成本越来越低的外部环境和乙烯装置越来越高的自动化水平要求以及石化工厂低能耗、低成本、高产出、高指标的发展趋势，MPC必定会在未来的乙烯装置精馏塔控制中占据一席之地。

4 结束语

笔者从精馏塔控制的理论基础，现阶段乙烯装置精馏塔控制的主要方法，结合某乙烯装置实例讲述了采用该控制方法的具体应用，预测控制在精馏塔控制中的应用展望四个方面对乙烯装置精馏塔的控制做出了说明和总结。现阶段，人工经验调节已经达到了其控制作用的最好效果，预测控制理论在工业化应用的道路上正不断前进，未来的乙烯装置精馏塔控制方法，必定是人工经验调节和先进控制应用的结合，鲁棒性和最优化的统一。

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