乙二醇装置水合与精制单元先进控制

张兆东

（新特能源股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011）

乙二醇装置水合与精制单元先进控制

张兆东

（新特能源股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011）

在某50 000吨/年环氧乙烷/乙二醇装置的水合单元与精制单元，使用成熟的商业软件设计先进控制器。实现了水合比的闭环控制。在稳定控制的基础上，控制器进行卡边优化，减少了高压蒸汽用量。同时提高DEG塔的塔底温度，增加了DEG的回收量。

先进控制；乙二醇；水合；精制

某50 000 t/年环氧乙烷/乙二醇装置，采用美国科学设计公司（SD公司）氧气直接氧化法的专利技术，在2.172 MPa（G）、200～275℃（壳程沸腾水）及银催化剂作用下反应，生成环氧乙烷（EO）。乙二醇是环氧乙烷和水以1:25的摩尔比、在1.7 MPa和150℃条件下无催化水合作用的产物.生成物经五效蒸发，再经脱水、精制，分别获得一乙二醇（MEG）、二乙二醇（DEG）、多乙二醇（PEG）。

该装置水合与精制单元自动控制水平低，操作员劳动强度大。同时，水合与精制单元的工况与产品质量密切相关。因此，需要采取高级的控制技术改善操作，优化工况，提高装置的平稳率，稳定产品质量。本文采用成熟的商业化先进控制软件，运用多变量模型预测控制技术，处理装置运行中存在的大滞后、强耦合控制问题，实现装置的平稳运行［1］。

1 乙二醇水合及精制单元工艺流程

再吸收塔T-320釜的环氧乙烷水溶液进入乙二醇进料汽提塔T-510，汽提出二氧化碳。T-510塔釜液用乙二醇反应器进料泵经两级换热送至乙二醇反应器R-520。乙二醇反应器R-520是一个绝热的U型管反应器。

蒸发系统由五效蒸发塔组成，分别是T-531到T-535。各效蒸发器顶部的蒸汽依次作为下一效再沸器的热源以回收热量。从第五效蒸发塔T-535塔釜出来的粗乙二醇中送入脱水塔T-610。脱水塔T-610釜液打到MEG塔T-620生产一乙二醇（MEG）产品。T-620釜液送入MEG分离塔T-630。T-630的作用是在分离二乙二醇之前脱除釜液中的MEG。在T-630的第21块塔板处侧线抽出MEG，靠自重循环返回T-535。T-630釜液由多乙二醇塔T-710塔的第一段填料床上面加入，T-710塔顶抽出DEG产品。

2 先进过程控制

自20世纪70年代以来，多变量模型预估控制（MPC）在石油化工行业开始进行应用。经过30多年的发展，逐渐产生了成熟的商业化产品。据ARC统计，当前MPC及相关产品已发展到了以Shell的SMOCPRO为代表的第五代［2～3］。

经实践证明，MPC是PID之后流程工业应用最为成功的控制器。它对模型要求不高，能够有效克服流程工业中广泛存在的大滞后、强干扰、多变量耦合问题。

3 控制目标

水合单元当选取管式反应器中水与环氧乙烷的摩尔比为25:1时，可得到92%（wt）的MEG。操作员当前根据反应器末端出口温度，手动调整T-320的新水量。由于水合比无法直接观测，同时T-320到反应器R520之间存在大滞后，导致反应器的水合比控制并不理想。

水合单元存在着广泛的耦合现象。水合比影响T510的液位与反应器温度；一效蒸发塔T531的再沸蒸汽为整个蒸发系统提供热源，影响蒸发系统出口的温度、产品质量、产品流量。五效蒸发相互串联，导致操作变量与被控变量之间存在明显的大滞后。

精制单元的四个精馏塔相互串联，上下游之间存在着严重的相互干扰。操作员长期紧张监控、频繁操作。对于多乙二醇塔T-710，由于物料相对黏稠，导致塔上的液位计发生故障。只能通过塔内压差间接反映塔内物料积蓄情况，然后由操作员手动控制塔底采出量。为了使得T-710塔底不结焦，同时满足塔顶质量指标，T-710的操作比较保守，尚有很大的优化空间。

根据对装置当前工况的分析，设立如下控制目标：

构建水合比的软仪表，实现水合比的闭环控制克服水合单元存在的大滞后与多变量耦合，实现稳定操作。优化高压蒸汽用量，卡边控制，实现节能。

平稳控制精制单元各塔，处理各塔之间存在的相互干扰保证产品质量对T-710进行卡边控制，增加DEG的收率。

4 控制方案设计

4.1先进控制系统结构

图1 控制系统硬件架构

如图 1 所示，APC控制器运行在APC服务器上。APC服务器通过OPC服务器与DCS进行通讯，实现数据的上传与下达。

4.2软测量变量设计

（1）水合比计算

根据T320的吸收水量FIC312.PV（kg/h），乙烯进料量FIC138.PV（kg/h），氧化单元选择性计算结果（%）以及水与EO的分子量计算水合比。

（2）T620侧线MEG纯度

将侧线抽出量，灵敏板温度，塔底温度，塔顶真空度作为辅助变量，T620侧线MEG含量作为输出变量构建软测量模型。

由于MEG的纯度非常高，约为99.8%。采用LS或者PLS等线性回归方法设计的软仪表，抗噪声能力差。测量噪声带来的计算误差，远远大于MEG纯度指标的标准差。神经网络能够自适应样本数据，当数据中有噪声、形变和非线性时，也能够正常地工作。因此，本项目中采用RBF神经网络设计软测量模型［4］。

4.3控制器设计

（1）水合单元控制器

由于反 应器中环氧乙烷与水的摩尔比为1:25时，在控制的压力和温度条件下，可得到92%（wt）的MEG，且生成各级乙二醇的比例基本上取决于反应中水和环氧乙烷的初始比率。水合比现阶段控制在1:24.5，要求水合比的范围在1:24～1:25之间［6］。

五效蒸发系统相当于几个蒸发器的串联，系统所需热量主要由T531的蒸汽量提供。蒸发系统的控制目标有两个，一个是控制T-535塔釜温度在正常范围，保证T-535釜液MEG的浓度；另一个是根据反应产物组成及流量调整T-531蒸汽量，使系统提供的热量与蒸发所需热量相匹配。

表1 水合单元控制器变量

（2）精制单元控制器

乙二醇精制系统是乙二醇装置的重要单元。要求乙二醇产品MEG纯度在99.8%以上。

如果将干燥塔T610灵敏板的温度控制在较稳定的范围内，减少其波动，对于稳定本塔有重要作用。精制系统中拟将灵敏板温度TIC603与加热蒸汽量串级串级打开，由先进控制器直接调节蒸汽量。

T620灵敏板温度低，不利于增加MEG的采出量；灵敏板温度高，会造成再沸器结焦。可以利用加热蒸汽量来控制灵敏板温度。

在精制控制器中，要将T630的灵敏板温度作为被控变量，并利用加热蒸汽量作为操作手段。T630的侧线温度，与抽出产品的质量密切相关。侧线抽出流量作为操作手段，同时影响侧线温度与灵敏板温度。

表2 精制单元控制器变量

T-710塔底液位计故障，使用塔底抽出阀位作为操作手段，用于控制塔压差，间接控制塔底液位。在保证全塔稳定操作的同时，卡边控制塔底温度，提高塔顶DEG的收率。

5 控制器投用

5.1水合单元控制器投用

水合单元控制器投用后，通过多变量控制器的协调及优化控制，实现了主要被控变量的平稳控制，减轻了操作人员的劳动强度，同时通过对部分蒸汽量进行优化，减少蒸汽用量，降低能耗。

控制效果如图2所示。

图2　水合单元常规控制与先进控制效果对比

5.2精制单元控制器投用

图3　精制单元常规控制与先进控制效果对比

图4　T710常规控制与先进控制效果对比

由图3 可以看出，投用先进控制后，T620灵敏板温度、T630灵敏板温度、T630第22层温度及T610塔底液位均操作平稳，相比较常规控制波动减小。除此之外，各操作变量能够连续小幅动作，避免了物料及蒸汽的大幅波动。

图4给出了700#各变量的投用效果曲线。由图 4 可以看出，在投用先进控制之后，T710的灵敏板温度、塔压差、塔底温度均操作平稳。相比较常规控制而言，避免了塔底阀位的大幅度动作。同时能够将塔底温度从179°卡边控制在182°以上，这有助于提高DEG的产量。

6 结论

通过在乙二醇装置水合单元、精制单元实施先进控制，显著地改善了装置的操作水平，大幅降低操作员的劳动强度，提升了装置的平稳率。先进控制器在稳定控制的同时，能够对关键变量进行优化，实现卡边操作。

［1］ 席裕庚. 预测控制. 国防工业出版社，1993.06.

［2］ 钱积新，赵均，徐祖华. 预测控制. 化学工业出版社，2007.09.

［3］ 朱向东. 先进控制技术在环氧乙烷/乙二醇装置中的应用. 中外能源，2007年第12卷，87～90.

［4］ 薄翠梅，张湜，等. 基于径向基函数神经网络的精馏塔优化控制. 石油化工高等学校学报，2002年9月第15卷第3期，57～60.

［5］ 王立忠，王宪久，胡桂清. 乙二醇精制单元先进控制技术应用. 石化技术，2008.15（1）:23～27.

（P-01）

Advanced controlof hydration and refi ning unit for ethylene glycol device

TP273

1009-797X（2016）10-0050-05

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.019

张兆东，男，现就职于特变电工集团新特能源股份有限公司，自动化专家。主要负责自动控制系统与仪器仪表的技术管理工作。

2016-04-08