轻烃分馏装置操作优化方案

郑 凯

（大庆油田化工有限公司庆升化工厂，黑龙江大庆 163000）

以我国中型轻烃分馏生产企业的处理能力为例，轻烃分馏装置每年可以处理三十万吨物料，操作时长超过7500h。生产反应装置顺序连续精馏运行，产出物应用广泛，包括民用液化气，车用液化气，溶剂油，燃料气等。所有产物均具有易燃易爆特性。轻烃分馏的工序较为复杂，装置操作较为精密，经过原材料预热、产品冷却、脱丁烷塔、脱戊烷塔、脱己烷塔、脱正己烷塔、分馏等工序完成生产。轻烃分馏装置作为典型的精细化工精馏塔体系完成物理分馏，生产过程较长，干扰因素较多。亟待技术工艺改进，优化装置操作，以达到提高生产最终高价值产品生产率，降低原材料和产品损失，提高资源利用率的目的。

1 轻烃分馏装置操作存在的问题

1.1 精馏塔不易控制

轻烃分馏整个反应过程须使物料顺序经过不同的精馏塔，这一过程遇到较多变量，是非线性强耦合控制对象。而当前的控制系统化仅可控制单一变量，就很难满足精细化生产需求。需要对装置操作进行优化，控制多个变量，确保生产稳定进行。

1.2 反应干扰因素较多

当前轻烃分馏装置操作过程存在各种干扰因素，频繁干扰物料和能耗投入、物料投入装置的量、物料成分变化、精馏塔顶和精馏塔底的温度变化，以及装置中的环境变化等，这些因素都会影响整个装置操作的稳定性，并对最终产物的质量产生影响。特别是精馏过程物料组成如果发生变化，精馏塔顶和塔底温度发生细微改变，都会给反应带来干扰，属于要精确控制的指标。

1.3 生产工艺有待改进

当前生产企业使用的主流轻烃分馏装置为多个精馏塔顺序串联运行的工艺技术。各个精馏塔之间属于上游、下游工艺的关系。上游的精馏塔工况和状态直接影响下游精馏塔的生产情况。如果在生产过程中最初的精馏塔发生不良情况却未被发现或者未得到及时整改，则后续的装置操作都容易被误导，生产全过程均受到影响。

1.4 自动化程度有待提高

当前的分布式计算机控制系统的自动化能力还有待提高，需要有经验的工作人员根据生产过程进行人工操作调整，但是人工操作存在操作习惯不同导致的结果不同，以及操作时间点滞后等问题，仍然会给精馏过程带来影响。

2 轻烃分馏装置操作优化目标

轻烃分馏装置操作需要进行多变量的控制，对非线性、强耦合的精馏过程进行精细调整操作，特别是精馏塔系列存在的顺序精馏过程，装置操作需要考虑精馏塔之间的强耦合性。在轻烃分馏装置操作过程中，要考虑到轻烃分馏塔各个参数变量的关联性，同时也要考虑精馏塔上下游环节之间的关联性。上游精馏塔的工况会直接影响下游精馏塔的工况，参数与变量的扰动必然在全体分馏塔系中传递扩散。因此必须对轻烃分馏装置操作进行优化，控制多个变量，减少扰动问题。通过对轻烃分馏过程的精细化控制，可以克服轻烃分馏预处理装置中物料和能耗带来的两类扰动，确保整个轻烃分馏过程的稳定性。在此基础上，提高最终产品的获取率，提高生产经济效益。结合轻烃分馏装置操作的特点，本研究针对轻烃分馏装置中一系列精馏塔和液化气分馏塔等进行装置控制优化，以多变量控制、非线性控制和鲁棒预测控制为基本思想，解决轻烃分馏装置控制遇到的各类问题。总的来说，装置操作优化除了可以实现对轻烃分馏生产过程进行自动化控制，还能够根据生产的不同需求和装置操作变化进行最终生产情况预测。利用局部优化的装置操作优化策略控制装置回路参数，降低各个关键环节相关参数变量的偏差，实现质量卡边控制，提高产品质量，让装置平稳运行，给定装置合理的生产约束，最终降低生产成本，高效利用物料和能耗。

3 轻烃分馏装置操作优化策略

对轻烃分馏装置进行优化，首先要改进装置控制系统的硬件部分。因当前大部分精馏装置仍然以分布式计算机控制系统为基础，该系统可以兼容先进的控制系统，通过控制系统上位机运行实现高效通讯，让数据得以双向交换，提高装置数据传输效率，并且数据传输稳定性好，安全性高。

轻烃分馏装置包含成系列的精馏塔，各个精馏塔之间关系密切，彼此串联，互相影响。要优化装置操作，必须将一系列精馏塔作为一个整体来看待，进行整体控制。为提高控制精确性，所有精馏塔中都要具备各自的控制系统。采用模型识别系统能够对所有精馏塔进行识别，并获取精馏塔的操作参数，包括塔顶温度、塔底温度、回流量、蒸汽流量等，这些参数、变量会影响整个精馏过程，其中的联系可用于构建内部操作模型。根据采用的工艺和实际生产状况选取合理的参数轨迹，对不同类型的变量加以约束，对所有精馏塔目标进行精确控制[1]。

3.1 脱丁烷塔操作优化

对脱丁烷塔进行优化方案的设计，针对该分馏塔的各个变量的情况对具体数值范围进行控制。如果变量再沸器的返塔温度、塔顶温度、塔底温度、物料进料的预热温度等全部处于合格范围内，变动量在误差范围内，则装置控制器要借助再沸器的蒸汽阀位、预热器的蒸汽阀位来确保塔顶温度处于正常运行范围内，实现对回流量的控制。如果再沸器的蒸汽阀位、预热器的蒸汽阀位已经达到装置操作要求的极限，那么塔顶温度可能无法保持或者很快就无法维持下去了。再沸器的蒸汽阀位、预热器的蒸汽阀位也会很快突破极限数值。要确保对脱丁烷塔进行装置优化操作，要为控制过程设计合理的模型，经过模型计算，对回流量、再沸器的蒸汽阀位、预热器的蒸汽阀位等数值进行调整，确保这些数值都能够处于系统要求的合理范围之内[2]。根据最终产物需求，这些数值要和目标值温和，确保塔顶温度、塔底温度得到稳定保障。在这样的情况下，再沸器的返塔温度、塔顶温度，都能够处于合理范围内。如果参数有偏差，则可以调节回流量达到最大值，用以调整脱丁烷塔的操作参数。

3.2 脱戊烷塔操作优化

脱戊烷塔操作过程中，如果变量再沸器返塔温度、塔顶温度、塔底温度和物料预热温度都处于系统要求的范围内，则控制器维持塔顶温度，让回流量稳定变化。操作优化方案要运用再沸器蒸汽阀位以及预热器蒸汽阀位完成系统调节。预热器和再沸器的蒸汽阀位都处在系统要求的数值范围内，但是出现了塔顶温度难以维持的问题时，要调节塔内的回流量，让塔顶的温度保持不变。如果塔顶温度处于设定数值的上限位置，脱戊烷塔操作控制优化方案要根据有关模型进行计算，采取一系列调节措施，确保物料回流返塔温度，例如，降低物料预热温度、调节再沸器蒸汽阀位、降低物料回流量等。经过这些措施，塔顶温度和返塔温度仍然无法达到系统要求的数值，则借助操作优化方案调节控制器，让回流量达到最小。如果塔顶温度下限高于再沸器返塔温度时，设定的数值要低于塔顶温度变量。为了有效保障塔顶温度，如果再沸器塔顶温度与物料返塔温度相差较大时，可以控制回流量以稳定系统，一般会将回流量调节到最大值。

3.3 脱己烷塔操作优化

作为承上启下的分馏塔，常规装置操作方案对工艺设备和生产过程中的塔内各部分温度、物料流量、物料液位、压力等分别进行控制，构成各个独立的控制回路。该分馏塔中，设法调整回流量，降低之前分馏塔带来的影响，同时稳定塔内压力，确保组分正常，减少对下个分馏塔的影响。

3.4 脱正己烷塔操作优化

作为系列分馏塔的下游塔，脱正己烷塔受前端塔的工况影响较大。为了维持产品组分，前面的几个分馏塔一直以塔顶温度为组分测量的关键值。塔内温度受到压力影响也非常明显，即使是同样组分的产品，在不同的塔内压力下，也会出现不同的温度。因此在脱正己烷塔中，将压力对温度的影响考虑进去，消除压力对温度产生的不良影响，确保产品质量。

消除压力波动对塔顶温度带来的影响，可通过压力补偿温度的操作方式来实现。通过计算模型来呈现压力与温度之间的关系，将某个标准压力值和温度值作为目标基准值。在该基准之下，产品处在标准温度，则该塔内生产情况是合格的。装置实际温度及实际压力，通过压力补偿，转化为标准值，装置操作优化方案不断调节再沸器的蒸汽量，让补偿后的温度一步步趋向标准温度。

3.5 基础回路整改

为了实施轻烃分馏装置操作优化设计，必须重视基础回路整改工作，增加自动检测仪表和自动调节装置，组建有效的基础控制回路，增加调节手段。基础自动化水平和先进控制水平互相适应，就能够充分发挥自动化控制策略的效能，提升装置效率。

原本的系统回路中，分馏塔采用双端组分控制模式，调节蒸汽量和加热温度，以回流量变化来调节塔顶温度，从而控制塔顶产品组分含量。常规控制回路如下：塔底温度和蒸汽量构成的控制，塔顶温度和回流量构成的控制，塔底液位和塔底处出力量构成的控制，回流罐液位和塔顶出力量构成的控制。实际操作过程中，因各种因素影响，很难达到预想的控制效果，塔底的液位和塔底的出力量虽然可以正常工作，但是流量波动较大，对系列分馏塔中的下个塔操作影响较大，或者调节滞后问题较为严重。以上问题主要在于流量测量回路测量的噪声过大，与PID参数整合不科学导致的。在流量测量回路上增加了滤波器，增大流量测量设备的阻尼系数，重新设定PID参数，改善了系列分馏塔各个回路的控制效果，让控制波动更加及时，幅度降低，变化趋势变换。

4 轻烃分馏装置操作优化效果

4.1 应用效果对比

对系列分馏塔的装置优化效果加以对比。经过操作优化的塔顶温度稳定性如表1～表4所示。分别对各个分馏塔的塔顶温度的平均值、极值、标准方差、标准方差变化率加以分析。

表1 脱丁烷塔塔顶温度运行稳定性比较

表2 脱戊烷塔塔顶温度运行稳定性比较

表3 脱己烷塔塔顶温度运行稳定性比较

表4 脱正己烷塔塔顶温度运行稳定性比较

由以上数据可知，精馏塔系列在采用了装置操作优化方案之后，塔顶温度的波动幅度得以降低。并且在最大值、最小值比较上，也有明显改善。采用装置操作优化方案之后，塔顶温度的标准方差减小，整个装置的参数波动更小，有效改善了装置操作的滞后性及强耦合问题，与之相关的是，塔底再沸器蒸汽阀的周期性波动幅度也得以降低，体现了装置优化方案的控制效果。

4.2 能耗效果对比

将轻烃分馏装置操作优化前后的蒸汽用量进行对比，结果如表5所示。

表5 轻烃分馏装置操作优化前后的蒸汽用量对比

根据以上数据可知，装置操作优化之后，蒸汽消耗有所降低，单耗有所降低，为企业减少生产成本。

由系列精馏塔的运行稳定性以及能源消耗量可知，轻烃分馏装置操作优化改进之后，可有效改善系统参数波动较大的问题，让整个生产过程更加稳定，与此同时，操作强度降低，资源利用率得以提高。

5 结语

轻烃分馏是石油化工行业的重要生产领域之一。对轻烃分馏的工艺过程进行有效控制，可以提升最终产品的质量。研究了轻烃分馏装置操作优化方案，借助先进的控制思想和技术，让整个轻烃分馏装置平稳运行，改善原本的参数波动问题，增加装置稳定性，降低操作人员操作强度，提高装置自动化水平，所得产品的产率提高，物料和能耗资源利用率更高，为企业带来了更好的经济效益。