乙烯精馏塔质量控制的温度测量精度问题及改进措施

罗雄麟 赵晓鹰 孙 琳 许 銞

(中国石油大学信息学院自动化系，北京 102249)

精馏塔是石油化工生产过程中应用最为广泛的分离设备，同时也是能耗较多、要求较严格、操作条件较苛刻的操作单元。塔内各塔板上同时进行着传质、传热过程，各变量之间的关联度较高。精馏塔质量控制过程中，最直接的质量指标是馏出物产品组成。近年来，成分检测仪表发展很快，特别是对工业色谱在线分析研究较多[1～3]，出现了很多以组分为直接质量指标的控制方案。然而由于组分分析仪表价格昂贵，维护保养困难，采样周期较长，导致反应缓慢、滞后较大、可靠性低[4～7]，实际质量控制过程中一般以温度作为被控变量，将温度控制在要求范围内，根据模型反推得到产品质量。

乙烯精馏塔是精馏塔中结构最复杂[8～10]、要求最严格的分离设备，与一般精馏塔相比，乙烯精馏塔有3个特征：采用中间再沸器、产品侧线抽出、产品质量要求较高。采用中间再沸器是为了回收冷却量，产品侧线抽出可以提高出料产品中的乙烯浓度，避免塔顶产品中甲烷的影响，有脱甲烷功能，使一塔起到两塔的作用。虽然这样可以降低生产成本和操作费用，但同时也增加了塔的自由度，使塔的耦合性增加，比常规精馏塔更难操作和控制。乙烯精馏属于精密精馏过程，对出料乙烯产品质量要求较高，乙烯精馏塔的操作和控制水平直接关系到乙烯产品的质量、收率和能量消耗[11～13]。*收稿日期：2015-05-14(修改稿)

现场乙烯精馏塔DCS控制系统中，测量的模拟信号需通过A/D转换器转换为控制器可以处理的数字信号[14～16]，A/D转换器的位数与被测变量量程会影响温度测量精度和量化结果。若以温度作为被控变量去反推得到产品质量，必须保证温度与馏出物产品质量一一对应，即使现场A/D转换器位数选择最高，经过量化后的温度与出料乙烯浓度仍有一定的信息丢失[17]，某一温度不再对应唯一的产品纯度，而是对应馏出物乙烯产品质量的一个范围。因此，实际乙烯精馏塔DCS控制系统中，由于温度测量精度低，无法保证与产品质量的对应关系，即使形成反馈控制回路也无法将温度控制在设定值不变，反馈控制回路失效，不能满足乙烯精馏塔的质量控制要求。在实际乙烯精馏过程中，温度通常不形成闭环控制回路，一般采取开环控制，易使温度余差较高且系统稳定性降低。为此，笔者对此进行了分析、改进。

1 A/D转换器位数对温度测量精度的影响及改进措施

1.1 A/D转换器位数对温度测量精度的影响

实际乙烯精馏塔DCS控制系统中，若以温度为被控变量，间接表征馏出物产品质量，A/D转换器位数与温度变化量程直接影响温度的测量精度和量化结果。A/D转换器位数越高，温度变化范围越小，测量精度越高，馏出物温度与产品质量信息丢失量越少，两者的匹配度越高[18～20]。

现场乙烯精馏塔DCS操作系统中，A/D转换器位数选择有12位和16位，温度测量仪表为镍铬-铜镍热电偶(E型热电偶)，温度测量范围为-200～800℃，量程为1 000℃。DCS制造商为了降低成本,几个同类信号共用一块A/D转换器电路板[21,22],由于各信号数值差别较大，温度量程取最大的变化范围以满足所有信号变化，实际乙烯精馏塔DCS系统中，温度变化量程取1 000℃。现有12位和16位A/D转换器在不同温度变化量程下的测量精度与量化单位见表1。

表1 A/D转换器在不同量程下的测量精度与量化单位

实际生产过程中，乙烯精馏属于精密精馏过程，出料产品组分波动控制在0.15%以内，相应的温度变化很小。该化工厂一天内乙烯产品质量与温度变化的曲线如图1所示。

图1 一天内乙烯产品质量与温度的变化曲线

由图1可知，现场测量的温度信号是经A/D转换器转换后的离散信号，温度测量精度很低只有0.1℃，导致量化后的温度不再对应唯一的产品质量，而是对应产品质量的一个范围。由于现场乙烯精馏塔压力波动很大，一天内的温度变化也较大，在0.4℃左右。由表1可知，12位的A/D转换器在温度量程为1 000℃情况下，温度测量精度为0.490℃，超出实际乙烯厂温度变化范围，测量精度和量化结果均不能满足乙烯精馏塔质量控制要求，因此在实际乙烯精馏塔DCS系统中，A/D转换器多选用16位，使测量精度更高。

乙烯精馏塔示意图如图2所示。引用笔者所建立的该乙烯精馏塔的动态数学模型[23]，仿真得到抽出板温度与产品质量关系。由于该乙烯精馏塔模型假定塔顶压力保持恒定，产品质量变化0.18%左右时，抽出板温度只变化0.03℃，波动幅度较实际变化数据小得多。由上述分析可知，现场乙烯精馏塔DCS系统中，A/D转换器选择最高位16位，根据表1结果可知，温度量程过大不能满足该乙烯精馏塔温度波动。因此，取温度变化量程最小值对该乙烯精馏塔出料温度进行量化，量化前和量化后的温度与产品质量关系如图3所示。

图2 乙烯精馏塔示意图

图3 量化前和量化后温度与产品质量的关系

由图3可知，量化后的温度与产品质量之间存在一定信息丢失。此时若以温度作为被控变量，设定值为T4，则根据图3反推得到的产品质量不再是某个固定值，而是一个范围C1～C2，抽出板温度与产品质量不再一一对应，无法满足乙烯精馏塔质量控制要求。仿真实验中即使A/D转换器位数选择最高，温度变化量程最小，温度测量精度仍然很低，而实际乙烯精馏过程中，温度量程要大得多，使得温度测量精度更低，信息丢失量更大，温度只能采用开环控制，不能形成闭环回路，无法满足质量控制要求。因此，实际乙烯精馏塔质量控制的温度测量精度仍存在一定问题，需要改进。

1.2 改进措施

由上述分析可知，实际乙烯精馏塔DCS控制系统中，由于A/D转换器位数与被控变量变化量程的局限性，无法达到实际要求的温度测量精度，不能满足质量控制要求。并且由图1可知，温度测量精度提高到0.000 1℃时，温度与产品质量的信息丢失量大幅降低，可以由温度反推得到唯一的产品质量，满足质量控制要求，因此为将原测量精度由0.03℃提高到0.000 1℃。笔者提出如下的改进措施：保持各类信号最大的变化量程1 000℃不变，提高DCS控制系统中A/D转换器的位数。A/D转换器位数越高，控制精度越高，经过A/D转换器量化后的温度与馏出物产品质量信息丢失量越少，匹配度越高。温度变化量程1 000℃下，建议实际乙烯DCS控制系统的A/D转换器选择24位。现场16位A/D转换器与20、24位A/D转换器在不同量程下的测量精度与量化单位见表2。

表2 A/D转换器在不同量程下的控制精度与量化单位

由表2可知，若实际乙烯精馏塔DCS控制系统的A/D转换器位数由现场的16位提高到建议的24位，温度变化量程为1 000℃，温度测量精度变为1.192×10-4，较原有16位A/D转换器有大幅度提高。经过24位A/D转换器量化后的温度与产品质量的信息丢失量减少，匹配度提高，可以由温度反推出唯一的产品质量值，达到实际要求的温度测量精度，满足乙烯精馏塔质量控制要求。考虑到工业操作中希望温度量程覆盖较宽同时满足开工和正常操作，建议A/D转换器位数选择24位。

2 改进前后控制效果分析

以上述乙烯精馏塔动态数学模型为基础，应用流程模拟软件gPROMS搭建该乙烯精馏塔DCS反馈控制系统，控制方案为：抽出板温度为被控变量，回流量为操纵变量，塔顶回流量控制抽出板温度。实际乙烯精馏塔控制系统中，现场采集的温度信号为连续信号，而机房处理的是经A/D转换器转换后的离散信号。

2.1 温度设定值为量化值

在该DCS反馈控制系统中，温度设定值为图3中的量化值，通过整定合适的控制参数，采用16位与24位A/D转换器均可以将温度控制在设定值不变，此时仿真获得16位与24位A/D转换器下，侧线抽出T、经过A/D转换后的TA/D和该温度对应的侧线抽出乙烯产品质量响应曲线(图4)。

图4 温度设定值为量化值时不同转换器下的控制效果

由图4可知，实际乙烯精馏塔DCS反馈控制系统中，若采用16位A/D转换器，温度设定值为图3中量化后的T4。通过整定控制参数，最终将温度控制在设定值不变，而出料乙烯产品质量在99.851%～99.875%范围内波动，即图3中的C1～C2。由此表明，在16位A/D转换器下，温度与产品质量不再一一对应，即温度不能表征产品质量，该反馈控制回路失效。若采用改进后的24位A/D转换器，测量精度提高，温度量化单位缩小，使温度与馏出物产品质量信息丢失量减少。最终将温度控制在设定值不变时，侧线抽出板温度T与经A/D转换后的TA/D重合，侧线抽出乙烯产品质量波动很小，可以近似认为不变，此时温度对应着唯一的产品质量，表明温度设定值为量化值时，采用24位A/D转换器形成的控制回路有效，且可以达到温度测量精度，满足质量控制要求。

2.2 温度设定值为非量化值

当温度设定值在两个量化值之间为非量化值时，采用16位A/D转换器无法将温度控制在设定值不变，而对于24位A/D转换器，温度测量精度很高，量化单位很小可以近似认为连续信号，因此采用24位A/D转化器可以将温度控制在设定值不变。温度设定值为非量化值时，采用16位与24位A/D转换器对应的控制效果如图5所示。

由图5可知，当温度设定值在图3中的两个量化值T3与T4之间更靠近T4时，采用16位A/D转换器，无论如何调整PID控制参数，最终温度无法稳定在设定值不变，而只能控制在离设定值Tsp更近的下一个量化值T4，控制偏差e一直存在，无法达到温度测量精度。采用24位A/D转换器，温度可以控制在最终的设定值Tsp保持不变，可以认为乙烯产品质量不变。

图5 温度设定值为非量化值时不同转换器下的控制效果

由上述分析可知，无论温度设定值为量化值还是非量化值，采用16位A/D转换器，均无法满足质量控制要求。然而，采用24位A/D转换器提高了温度测量精度，无论设定值是量化值还是非量化值，最终温度均可以形成反馈控制回路，且可以控制在设定值不变，系统稳态误差消除，稳定性增强，可以由温度反推出唯一的产品质量，满足质量控制要求。

3 结束语

采用16位A/D转换器，温度测量精度较低，由温度不能反推得到唯一的产品质量，温度反馈控制回路失效。因此，乙烯精馏塔温度通常采取开环控制，使得系统稳定性降低，稳态误差变大。针对上述问题，笔者提出将原A/D转换器位数由16位提高到24位的改进措施。通过仿真实验表明该措施可将温度测量精度提高到0.000 1℃，提高温度与产品质量的匹配度，使某一温度对应唯一的产品质量，采用24位A/D转换器可以构成反馈控制回路，提高系统稳定性，消除稳态误差，满足实际精馏塔质量控制要求。

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