apc技术在乙烯精馏塔中的应用

apc技术在乙烯精馏塔中的应用

1乙烯精馏塔系统优化上海石化有限公司1#聚氯乙烯装置年占地面积145吨。在涂层中，精吨塔（t-303）的作用是将75%的乙醇、轻、重组（甲烷、乙烷等）的乙醇组分从塔中分离，并将乙烯素组分从塔的顶部侧流出。产品的乙醇浓度应为99.95%。该塔的进料以20t/h左右的流量,从第79块塔板进入,经分离后从塔顶出来的气体经冷凝器E-322,被丙烯冷媒冷凝后,其液相部分进入回流罐V-309,少量未冷凝气体(主要是甲烷、氢气等)由V-309罐顶部排出,冷凝液经泵输送回流到乙烯塔顶部。在塔内部,回流液与塔釜上升的气体在塔板上对流接触,经过热和质的交换,小部分液体作为成品乙烯由第8块塔板侧线出料,大部分液体继续流向塔釜,经塔底再沸器中的丙烯热媒加热又气化上升。塔釜液体中主要成分为乙烷。塔底排出液中要求乙烯含量小于0.5%。另外在第86块塔板处将部分液体抽出,经中间再沸器由丙烯热媒加热气化,再从第87块塔板处返回塔内,其目的是利用丙烯热媒多余热量加热塔中部物料,以减少塔釜的热负荷。原方案带控制点的流程图如图1所示。由图1可见,乙烯精馏塔的控制方案如下。1)回流罐V-309液位LC-333与外回流量FC-33301的串级控制,主要起均匀调节作用,使V-309液位在允许范围内变化,同时使外回流变化缓慢、基本稳定。2)TC-332与塔釜再沸器加热丙烯流量FC-332的串级控制,主要目的是使第93块塔板温度保持恒定,通过该点温度的恒定来保证出料乙烯浓度达到要求值。3)仅仅靠TC-332这点温度恒定还是不能完全确保出料乙烯含量达到99.95%以上的高纯度,故设计了FDC-33302的流量差控制系统,该调节器的设定值由手动设定器HC-33302的值与外回流量FC-33301测量值之差给出。从流程图中可以看出,HC-33302给出的值即外回流FC-33301减去乙烯出料流量FDC-33302后塔出料板以下的内回流量值。当乙烯浓度低于99.95%时,可把手动设定器的值(即出料板以下内回流值)根据经验适当提高一点,这样增加了塔出料板以下内回流,使乙烯浓度提高。4)进料量F-331对外回流量FC-33301的前馈控制,目的是使塔的外回流能随塔的进料量而变化,提前改变回流量大小来适应进料量的改变。上述控制回路控制稳定,过程参数变化比较平稳。但是作为精密精馏,仅用上述控制方案是难以使塔出料的乙烯浓度严格控制在99.95%的高纯度。例如,当塔进料量增加时,由于塔出料板以下的内回流量是固定的,造成塔内汽、液接触不平衡,引起塔釜温度下降。因而在操作上必需提高TC-332控制温度,增加塔釜上升气体量。当发现塔顶乙烯出料中乙烷含量超指标时,还需提高HC-33302的值,使塔出料板以下的内回流量增加,从而保持塔内气、液平衡,以使乙烯浓度恢复到99.95%以上。由于色谱分析仪10min分析一次,有时误差较大,而实验室分析是8h一次,测量滞后较大,造成调节不及时,因此为使产品质量留有变化的余地,以防突然出现的大干扰或因调节不及时而造成产品质量不合格,不得不将出料乙烯浓度控制在99.97%～99.98%的较高纯度范围内。这种过裕度的质量控制造成了能耗增加,也影响了产量。2采用先进过程控制apc技术的控制模式和硬件配置2.1apc系统的组成2.1.1优化卡边控制经过研究,采用如下过程控制摸式(如图2所示)。新的控制回路主要有如下5个。1)塔进料流量对塔内回流量和塔釜加热量的前馈控制;2)塔釜液位对塔釜加热量的前馈控制;3)塔内回流量与塔乙烯出料量的比值R控制;4)用软测量方法预估出料乙烯浓度,并根据预估出料乙烯浓度改变R,即所谓的优化卡边控制;5)R和第93块塔板温度的协调控制。此外,还有比值、塔温、乙烯成分限幅与报警等。2.1.2新测量点及其作用为了实现上述APC和软测量卡边协调优化控制,以及能耗分析等需要,新增加了下述测量点。14越南式碳寒冷媒体流量F-414,F-425。其作用是显示丙烯用量情况,为节能降耗提供重要计算参数。2t-33发展P-33310,PD-33203;第35块塔板温度:T-33310。其作用是充分了解塔内温度和压力的分布及关联情况,提供精馏过程中分离情况的重要实时数据,为软测量建模提供辅助变量,并为实施先进控制提供必要数据。3软测量建模检测点布置F-33210;塔中部回流加热器出口温度:T-33211。其作用是检测塔中部再沸器对乙烯精馏塔内各参数及产品成分的影响情况,为软测量建模提供辅助变量。新增各检测点在流程图中的分布情况如图2所示。图中带方块的位号即为新增的现场智能化仪表,从本质安全考虑,每台变送器均配置了GS8041-Ex隔离式安全栅。2.2用于控制的硬件和软件2.2.1硬件环境和前馈控制本系统除了使用智能仪表外,还设计了一套国产SUPMAX-500DCS和网桥,在SUPMAX-500的操作站和控制站上可运行仪表管理软件及先进控制软件,可进行各种测量点的监测、回路的组态、仪表的管理、先进控制的开发等。所有先进控制技术实施的硬件环境集中在SUPMAX-500操作环境中。新增检测点的数据通过网桥系统由SUPMAX-500直接采集,其他检测点的数据仍在原有装置DCS上采集,通过RS-485标准串行接口送入SUPMAX-500中,输送的采样周期是2s。基本单回路仍由YS-80系列单回路数字调节器控制,优化控制计算结果由上位机DCS通过输出卡送到YS-80作为外部设定值进行控制。先进控制中的前馈控制由于结构简单,可直接在SUPMAX-500控制站中执行,考虑到软件测量和专家系统程序运算量大,占用较多内存,因此在上位机VC++环境中运行该程序。另外还可以进行人机界面、历史趋势、流程图的显示。上位计算机——CPU:PⅡ300;主频:100MHz;内存:64M;操作系统:WindowsNT;光驱:40倍速;硬盘:6.4G。2.2.2软件系统由于VC++运算能力强、功能丰富,因此软测量模型和专家系统均采用VC++程序编写。先进控制软件包各功能模块及其作用说明如下。1通信模块完成SUPMAX-500和CENTUM-XL之间的通讯联系,采样周期2s。2数据处理模块对通讯来的数据进行类型转换、误差判断剔除、数据滤波和数据归一化处理。31软测量模型模块经过预处理后的输入数据通过软测量模型算出产品乙烯中的主要杂质浓度。4短期校正模块每隔一定时间,按照相应时刻的软测量值与实验室分析值之间的差值,自动对软测量模型进行校正。52专业系统模块根据软测量预估值实现调节回流比和灵敏板温度设定值的功能。6计算ral循环的模块根据采集的塔顶温度,外回流温度和外回流量来计算塔的内回流量。72输出模型根据塔回流比R和塔内回流量,计算出出料乙烯流量调节器的设定值,并将运算结果输出到出料乙烯流量调节器的外设定中。8神经网络训练经过一段时间,搜集到足够的样本数后,重新对神经网络进行训练,以便提高软测量精度。历史趋势、报警参数修改等显示直接在SUPMAX-500中在线执行。2.3新控制方案的分析2.3.1r控制方案缺陷当塔进料量发生变化时,与之对应的塔出料板以下的内回流应发生相应的变化,才能保证塔内部气液接触平衡。但原控制方案是塔出料板以下的内回流是固定的,即使外回流量随进料流量而变化,但由于外回流量与出料乙烯流量差值(即出料塔板以下的内回流)是恒定的,故出料塔板以下的内回流不能随进料流量而变化,不能较好适应这一要求。针对原方案不足,为了尽量保持气液平衡,改为R保持不变的控制方案,使塔出料板以下的内回流量能随进料量的变化而变化。采用R控制,其塔顶内回流Li由下式求出:式中Cp——比热;λ——气化潜热;FC-33301.PV——外回流;TI-33301.PV——塔顶温度;TI-33302.PV——外回流液温度。内回流量Li除R作为出料乙烯流量调节器FDC-33302的外给定值SP,即静态时有:R=Li/FDC-33302.PV(2)实现了塔内回流量与出料乙烯流量FDC-33302的比值控制后。如增加进料,由于塔进料前馈的作用使塔外回流量也增加;又通过比值调节使出料FDC-33302也按比例增加,结果使塔出料板以下的内回流量也按比例增加,使得塔出料板以下部分液体能够与塔釜上升气体保持较好的气液平衡,出料中乙烯浓度可以维持不变。由图3可知,R可由专家协调控制系统根据乙烯成分预估值进行修正,当出料乙烯中乙烯浓度过高时,协调系统令R减小,即增加出料乙烯量,塔出料板以下的内回流量减小,使乙烯浓度回到正常值。这样,使乙烯质量指标不会过剩。2.3.2塔从塔从内回回收放的控制在原方案的塔釜温度TC-332控制中,进料量和塔釜液位变化对TC-332温度影响较大,造成温度波动较大,控制精度低,应尽量减小其变化。由于塔釜液排出量仅占上升蒸气量的10%左右,因此塔釜液位变化反映了塔内部的气液不平衡情况和塔温变化趋势。引入进料量F-331和塔釜液位LC-330对塔釜加热丙烯流量FC-332的前馈控制后,可以减小塔釜温度TC-332的波动,提高塔釜温度TC-332的控制精度,有利于塔的精馏作用。为简单起见,前馈采用静态模型,其放大系数K,K2,也是根据特性曲线算出,再在实际使用中加以调整,其控制框图如图4所示。由图4可知,协调控制系统可根据出料乙烯浓度来修正TC-332的外设定值,达到节能目的,同时减少塔内回流与塔釜温度之间的相互关联。2.3.3原前馈模型控制框图原系统已有F-331对FC-33301的前馈控制系统,考虑到内回流更能适应气液平衡和内回流与外回流之间的关系,故仅对原前馈模型的系数作相应的调整,其控制框图如图5所示。2.4t-33乙烯浓度的测量模型该项目要达到规定的要求,最为关键的问题是解决乙烯浓度的软测量。这里考虑采用神经网络、主元分析等方法,对乙烯浓度进行软测量预估。它必须从生产操作的内在机理出发。基于乙烯精馏单元工艺机理数学模型和工业装置的实时操作数据,对乙烯精馏过程作定性与定量分析,找出T-303产品乙烯浓度与有关工艺操作参数的内在关系,并建立软测量模型。为此,采用了人工智能建模方法,应用近年来国内外研究较热门的神经网络技术,来建立T-303乙烯浓度的软测量模型。针对石油化工生产过程中各种不确定干扰因素多,以及工艺机理十分复杂等特点,一种基于人工智能和专家系统思想的过程模型化方法越来越受到人们的重视,特别是近年来新崛起的神经网络理论与技术更受到人们的普遍关注。这里我们应用神经网络方法,采用径向基函数RBF(RadialBasicFunction)神经网络,建立乙烯浓度神经网络软测量模型。2.4.1t-33工艺流程影响T-303塔顶乙烯浓度操作特性的因素很多,根据工艺操作变量和实际变化情况分析以及乙烯精馏系统工艺机理数学模型仿真研究,在此选择塔进料流量F-331,第93块塔灵敏板温度TC-332,塔釜加热流量FC-332和综合变量塔中段温度加热量Q,塔内回流比R,作为影响乙烯浓度(主导变量)并有密切关系的主要操作变量(二次变量)。应用上述方法获得神经网络软测量模型的训练样本模式集。定义影响T-303塔顶乙烯浓度操作变量数据样本集(即样本矩阵)为式中x1(i)-x5(i)——分别表示T-303在第i组操作工况下,塔进料流量、中间再沸器加热量、塔釜加热量、内回流比R,第93块塔板温度的工艺操作数据。y(i)——T-303在第i组操作工况下,塔顶乙烯浓度值。具体建模过程分两部分描述如下。1量提出和降维根据主元分析技术,首先对乙烯精馏塔乙烯浓度操作变量的样本矩阵进行数据压缩和特征操作变量提取,以达到对样本矩阵进行正交化和降维目的。定义经过主元分析后的新特征样本矩阵为Z=f(X)(7)其中Ζ=[z1(1)⋯zm(1)⋮⋱⋮z1(n)⋯zm(n)]m＜6(8)zk(i)表示第k个特征操作变量在乙烯精馏塔第ij组操作工况下的值。2乙烯浓度神经网络软测量模型的开发将经主元分析后的特征操作变量zk(i)作为神经网络的输入,y(i)(乙烯浓度)作为神经网络的输出,采用上述特征操作变量数据集Z作为神经网络训练的样本数据集,应用前述神经建模技术,选择1个三层RBF神经网络,经过神经网络的学习,建立了乙烯精馏塔顶乙烯浓度的神经网络软测量模型。根据乙烯精镏过程的工艺机理数学模型,在工业装置“操作点”周围进行“大区域”的正交模拟仿真试验,产生了22组操作范围变化较大的乙烯精馏生产过程操作信息。将这些样本数据与生产现场采集到的150组实时数据结合,用主元分析技术对上述乙烯浓度操作变量的样本矩阵进行数据压缩和特征操作变量提取,最后得到172组操作工况下3个特征变量组(共172组×3个特征变量组)的新特征操作变量数据集;选择1个3×8×1结构的RBF神经网络,其输入节点对应上述经过主元分析后的特征操作变量,而输出节点对应(乙烷+甲烷)浓度(μL/L);应用主元分析后的特征操作变量数据集,对此神经网络模型应用上述的学习算法进行训练,最终得到了乙烯浓度神经网络软测量预估模型。以下是应用该软测量模型预测生产装置实时运行中乙烯精馏塔塔顶乙烯浓度的结果。图6为乙烯浓度神经网络软测量模型的结构。图7、图8分别显示了应用乙烯浓度神经网络软测量模型预测的2000年5月8—23日和2000年7月10—20日产品乙烯中杂质浓度结果(开环预测,未进行模型校正)。明显可见,本项目开发的乙烯浓度神经网络软测量模型是切实可行的;虽然预测结果存在一定的偏差,但如应用软测量模型校正技术后,将很大程度地克服这样的偏差。2.4.2次自动校正技术将上述建立的T-303塔乙烯浓度神经网络软测量模型直接应用于工业装置的实时预测,不可避免地要产生一定的偏差。在实际生产过程中,乙烯精馏单元的操作工况,诸如塔进料组分、进料量、再沸器加热温度以及塔压和塔板分离效率等生产工况和参数,不同程度地发生变化,都会造成软测量模型的预测偏差,因此必须对上述所建的软测量模型进行在线校正,使其适应过程操作特性的变化和生产工况变迁。虽然T-303塔顶装有一台在线杂质甲烷、乙烷浓度分析色谱仪,但该色谱仪的分析周期为10min,尤其是在线色谱仪的分析值与实验室分析数据具有一定的偏差。因此,我们对T-303塔顶乙烯浓度软测量模型采用了二次自动校正技术。第一次校正是,实验室分析值对在线乙烯浓度色谱分析仪输出值的校正,校正周期是8h,校正模块的计算公式是:式中ˆA334——经过实验室分析值校正后的在线色谱分析仪测量输出值;A334——乙烯精馏塔塔顶乙烷、甲烷浓度在线色谱分析仪输出值;S310——T-303塔顶乙烯、甲烷浓度实验室分析值;t0——采样时间0∶00,8∶00,16∶00;k1,k2——校正系数;v——t0前后10min的平均值。第二次校正,是在实验室分析值对在线乙烯浓度色谱分析仪输出值进行校正后,用其结果再对软测量模型计算值进行校正,校正周期是10min,校正模块的计算公式是:ˆy(t)=y(t)+k3[ˆA334(t-t1)-y(t-t1)](10)式中y——塔顶乙烷、甲烷浓度神经网络软测量模型乙烯精馏塔输出值;ˆy——经过在线色谱分析仪校正值ˆA334校正后的软测量模型计算的输出值;t1——在线色谱分析仪的分析滞后时间,t1=8min;k3——校正系数。2.5专家协调控制系统根据软测量获得的乙烯预估值与期望值相比较,改变R(即改变出料乙烯FDC-33302),实现直接优化目标控制。考虑到模型偏差和实际干扰情况,实际乙烯浓度期望值略高于规定的99.95%的工艺指标。同时为了最大限度地节能,考虑R和TC-332两者关联,在保证产品乙烯合格和底部乙烯损失不大于规定值的条件下,根据塔的操作工况、乙烯预估值、操作工多年的经验以及智能控制和过程控制理论,设定了由50多条约束规则组成的专家协调控制系统,控制流程图如图9所示。调节规则分为以下4个区。1调度计算及频率当塔顶产品质量(杂质浓度)的期望值AHg大于其模型预估值AHk,塔底出料质量(乙烯浓度)的期望值ALg大于其模型预估值ALk时,表示乙烯产品质量(杂质浓度)和塔底出料中含乙烯浓度的预估值小于期望值,且有一定的质量余度。调节方向是可适当减小灵敏塔板温度设定值TC-332.SP和R值,即处于下调区。考虑到两者的协调性,两者调节的频率受定时器控制,并设置调节幅度和上下限控制。计算公式如下。如ALg>ALk和AHg>AHk,修正系数为a1。设TIMER为T1,则R计算为R(n)=R(n-1)+a1(AHk-AHg)设TIMER为T2,修正系数为a2,则TC-332.SP的外给定值计算为TC-332.SP(n)=TC-332.SP(n-1)+a2(ALk-ALg)2底出料调节方向当AHk>AHg,ALk>ALg时,表示乙烯产品质量(杂质浓度)和塔底出料中含乙烯浓度的预估值大于期望值,且超质量指标。调节方向是可适当上调TC-332.SP和R值,即处于上调区。考虑到两者的协调性,两者调节的频率受定时器控制,并设置调节幅度和上下限控制。计算同下调区情况。3塔底出料不合格指当ALg>ALk和AHg>AHk两者之一不满足时,即塔顶或塔底出料中质量指标有一个超指标。调节方向是TC-332.SP和R中可适当调节一个,稳定另一个。a)如AHg>AHk和ALg<ALk,即塔顶出料质量合格而塔底出料质量不合格。修正系数为a3。设TIMER为T1,则R计算为R(n)=R(n-1)+a3(AHk-AHg)即R值下调。设TIMER为T2,则TC-332.SP(n)=TC-332.SP(n-1),即塔釜温度调节保持不变。b)如果AHg<AHk和ALg>ALk,即塔顶出料质量不合格而塔底出料质量合格。设TIMER为T1,则R计算为:R(n)=R(n-1),即内回流比调节保持不变。设TIMER为T2,修正系数为a4,则TC-332.SP的外给定值计算为:TC-332.SP(n)=TC-332SP(n-1)+a4(ALk-ALg),即下调。4质浓度vd当AHk接近AHg,ALk接近Alg时,表示乙烯产品质量(杂质浓度)和塔底出料中含乙烯浓度的预估值接近期望值并且在允许的范围内时,TC-332.SP和R保持相对稳定。TC-332.SP(n)=TC-332.SP(n-1)R(n)=R(n-1)3先进过程控制的特点和运营后的影响整个系统经过将近一年多时间的试运行,取得了较好效果。该项目已通过了上海石化股份公司和国家有关部门的鉴定验收。3.1乙烯产量检测1)该系统采用了协调控制器,在保证乙烯产品质量的前提下减少了塔釜出料中的乙烯含量,增加了塔顶乙烯出料,从而增加了乙烯产量。同时通过控制,减少了塔釜加热量和塔顶气体冷凝用丙烯量,从而节省了丙烯能源。2)该系统采用了产品成分软仪表测量,为质量控制提供了好的测量方法,为卡边控制创造了条件。通过产品浓度控制,防止质量过剩,从而增加了乙烯产量。3)该系统采用了国产化DCS作为上位机,并将国产化的先进控制软件成功地应用到大型乙烯装置中,是值得推广的。3.2塔进料下降时,内回流比r.1)在乙烯精馏塔正常运行情况下,先进控制方案的自控投运率达90%以上,塔釜液位更趋稳定,塔温(TC-332)在给定值不变情况下,其波动减小,各项指标都有改善。2)由于保持塔出料板以下的内回流比R不变,因此当塔进料发生变化时,使塔出料板以下的内回流能够适应塔进料流量的变化,保证了良好的分离效果。3)出料乙烯浓度发生变化(通过软测量获得)时,通过内调节R,保证乙烯浓度处于较佳的卡边状态。既保证了塔出料中乙烯浓度合格,又由于比人工操作时乙烯浓度自动下降一点,相应地增加了乙烯的产量。4)在调节R的同时,通过专家协调系统对塔釜温度也进行调节,使系统加热、冷却用丙烯冷媒量减少,节约了能量。4精馏塔的稳定控制自乙烯精馏塔先进控制和优化控制投运以来,进一步稳定了精馏塔的操作。在保证符合出料乙烯浓度和塔底排出液中乙烯含量的情况下,增加了乙烯产量,降低了丙烯能耗,初步