动态模拟技术在气体分馏装置先进过程控制项目实施中的应用

2022-08-09王益龙

石油炼制与化工 2022年8期

王益龙

(上海汉中诺软件科技有限公司，上海 200120)

目前，随着化学工业日益朝着集成化、大型化方向发展，化工生产过程自动化控制的技术水平也越来越高，传统的控制策略已不能完全满足生产要求，化工过程自动化控制正朝着先进过程控制(APC)的方向发展[1]。APC利用过程模型预测系统在一定的控制下的未来动态行为，在此基础上根据给定的约束条件和性能要求滚动地求解最优控制作用，并实施当前控制，再通过检测实时信息校正更新对未来动态行为的预测[2]。归结为模型预测、滚动优化、反馈校正，主要解决大时滞、强耦合的多变量过程控制问题[3]。在多变量控制器中，一般被控变量多于操纵变量，用稳态LP/QP技术，将过程推向约束的极限。目前APC技术正在炼油工业等流程行业内得到快速推广[4-5]。

本课题以气体分馏装置为例，介绍APC项目的实施效果，以及应对模型辨识困难挑战时，动态模拟技术在其中的应用，可为同类型装置APC控制提供参考。

1 气体分馏装置工艺流程简介

图1为气体分馏装置工艺流程示意。原料液态烃经气体精制装置脱硫后送入原料缓冲罐，由脱丙烷塔(T201)进料泵送至进料换热器与脱丙烷塔塔底重组分换热后进入脱丙烷塔第27层塔盘。脱丙烷塔塔顶混合碳三组分经塔顶空气冷却器冷凝后进入脱丙烷塔塔顶回流罐，回流罐的一部分物料经脱乙烷塔(T202)进料泵进入脱乙烷塔第15层塔盘。脱丙烷塔塔底碳四、碳五馏分部分与进料换热，然后经过水冷却器冷却至40 ℃，进入MTBE系统原料缓冲罐或外送罐区。

图1 气体分馏装置工艺流程示意

进入脱乙烷塔的混合碳三、碳二组分，经分离后塔顶气体经塔顶冷凝器冷凝后进入脱乙烷塔回流罐，罐顶不凝气压控排入燃料气管网，冷凝液经回流泵送回脱乙烷塔塔顶作回流，塔底丙烷、丙烯混合物自压进入丙烯塔A塔(T203A)第152层塔盘。

丙烯塔由A塔与B塔(T203B)组成，丙烯精制进料进入A塔后塔顶轻组分蒸馏到B塔，丙烯由B塔塔顶经冷凝后进入回流罐，部分送入B塔塔顶作回流，部分经冷却后作为产品送出装置，丙烷由A塔塔底作为产品送出装置。B塔塔底釜液由丙烯塔釜液回流泵送至A塔顶部。丙烯塔重沸器用热水作为热源。

2 控制器结构设计

根据气体分馏装置的工艺特点及岗位划分，设计两个控制：脱丙烷、脱乙烷控制器和丙烯精制控制器，以满足优化控制目标。脱丙烷、乙烷控制器APC优化控制目标：①实现脱丙烷塔自动提降量，保证塔进料平稳；②优化脱丙烷塔操作，稳定塔顶、塔底温度，提高分离精度；③优化脱乙烷塔操作，稳定塔顶温度、压力，塔底温度，在保证碳二脱除效果的情况下，减少丙烯排放量。丙烯精制控制器APC优化控制目标：①稳定丙烯精制A塔塔釜温度，保证分离效果，稳定丙烷产品质量；②稳定丙烯精制B塔塔顶、塔底温差，实现塔顶丙烯产品质量卡边。

表1和表2分别为脱丙烷塔、脱乙烷塔APC控制器结构和丙烯精制塔APC控制器结构。

表1 脱丙烷塔、脱乙烷塔APC控制器结构

表2 丙烯精制塔APC控制器结构

3 动态模型

APC控制技术采用矩阵控制理论，通过装置阶跃测试，收集数据，进行模型辨识，建立多个变量之间的关联模型，以装置为对象建立一个或几个大的控制器，同时兼顾到多个变量之间相互变化的能力和设备能力，经过预测、优化出调节量后在线传输到PID控制器的设定点上，对整个装置进行统一协调控制。因此模型对于APC控制器的投用而言，至关重要。

由于丙烯精制A、B两塔多达200层塔板，丙烯、丙烷产品要求质量分数分别不低于99.5%和98.0%，两端产品的在线分析频次为1次/h，且丙烯分析仪测点为最终成品罐处，以上客观现状造成了该装置稳态时间长达10 h，操作人员日常控制难度大，并限制了在装置直接进行阶跃测试的幅度和时长，增加了获取可靠过程动态模型的难度。

Tuan等[6-7]利用Hysys建立脱丙烷塔动态模型，并利用该动态模型进行多变量过程影响分析。Cao等[8-9]利用Hysys建立丙烯精制塔动态模型，利用该模型分析各变量之间的动态相互影响。针对本项目的实际情况，考虑利用Aspen Hysys Dynamic软件建立丙烯塔的动态模型，并利用该模型对各操作手段和主要干扰进行不同幅度、不同时间间隔的阶跃，以获取该过程的动态响应。图2为丙烯塔Hysys模型，表3为Hysys建模基础数据。

图2 丙烯塔Hysys模型

表3 丙烯塔Hysys建模基础参数

图3和图4为丙烯塔Hysys模型的温度、组成分布及与实际装置温度、组成分布的比较，结果表明该Hysys模型具有较高的可靠性。

图3 丙烯塔Hysys模型温度分布

图4 丙烯塔hysys模型组成分布

在验证丙烯塔Hysys动态模型可靠性之后，利用该模型进行阶跃测试，以获取装置的动态过程响应。图5～图7所示分别为保持其他条件一定，提高丙烯塔塔顶抽出量、塔釜抽出量、热水流量后，塔顶、塔釜组成随时间的动态响应过程。

图5 塔顶抽出量在12.75～14.75 t/h范围变化对丙烯、丙烷产品纯度的影响

图6 塔釜抽出量在4.25～5.25 t/h范围变化对丙烯、丙烷产品纯度的影响

图7 热水流量在320～350 t/h范围变化对丙烯、丙烷产品纯度的影响

对上述丙烯塔Hysys动态模型进行阶跃测试产生的数据，利用Aspen APC模型辨识工具DMC Plus Model进行过程模型辨识，获取的模型如图8所示。

图8 利用Aspen Hysys获取丙烯精制塔APC控制器动态模型

4 APC投用效果

脱丙烷塔以进料量主控缓冲罐液位，允许液位在一定范围内波动，优先保证进料量的稳定；以空气冷却器变频控制塔顶压力；以回流量控制回流比及塔釜温度；以塔釜蒸汽量控制塔压和灵敏板温度，且将灵敏板温度推至下限，节省蒸汽用量；以塔顶抽出量协调脱丙烷塔回流罐液位和脱乙烷塔釜液位。

脱乙烷塔以水冷量控制塔压和回流罐液位；以塔釜出料量控制塔釜液位，保证物料平衡；以塔釜热源平衡回流罐液位及塔釜液位，稳定全塔操作。

丙烯塔T203A、B以塔顶空气冷却器控制冷后温度及塔顶压力；以塔釜热水量控制丙烯、丙烷产品纯度，同时平衡塔釜及回流罐液位；再以丙烯产品质量及回流罐液位指示丙烯外送量调整；以丙烷产品质量指示丙烷外送量调整。

以上控制结构可以实现脱丙烷塔自动提降量，保证塔进料平稳；优化脱丙烷塔操作，稳定塔顶、塔底温度，节省蒸汽消耗量；优化脱乙烷塔操作，稳定塔顶温度、压力，塔底温度，在保证碳二脱除效果的情况下，减少丙烯排放量；有效控制丙烯塔的丙烯、丙烷产品组成稳定，降低丙烯产品质量过剩的同时降低操作人员的劳动强度，具体控制效果参见图9～图11。