PDF《开发及应用》

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8 年 8月 石油炼制与化工PETROL E UM P R OC E S S I NG A ND P E TR OC HE MI C AL S 第39卷第 8期对二甲苯 装置二甲苯 精馏单元 先进控制系统 的 开发 及应用施大鹏 ,黄德先 ,张菁(1.

清华 信息科学与技术 国家实验室 ( 筹)清华大学 自动化 系,北京

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2 . 中 国石 化洛阳石 油化工工程公司)摘要 针对对二 甲苯装置二 甲苯精 馏单元在操作和控制 中存在 的问题 , 从机理出发 , 建立该 单元二甲苯精馏塔及其重沸炉 的状 态空间模型 , 基于 多变量预 测控制技 术开发 了该 单元先进 控制 系统.先 进控制系统 的应用提高 了装 置 自动控制水平 , 使装置运行 平稳性得 到显著改善 , 促进 了装 置 的节能减排 .经72h验 收标 定,先进 控制系 统投 用后塔 顶压 力均 方差较 常规 控制 降低 了7O以上,每生产

1 t P X产 品重沸 炉能耗降低

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5 MJ , 每年可 降低成本

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0 万元 . 关键词 : 对 二甲苯装置 二 甲苯精馏塔 先进控制 状 态方程 应用

1 前言随着石 油化工过程生产装置向大型化、集成化、复杂化发 展,企业 对生 产过 程 的控制 、 调 度和 优化等提 出 了越 来越高的要求.基 于工业过程 的新 需求 , 以预测 控制 为代 表 的先进 控制 策略 得 到了广 泛应 用 .先进 控制 技术在石油化工过程中的应 用可以提 高生产 装置 的平 稳率,达到 卡边 控制,从而保 证产 品质 量、提高 产率 、 降低 能耗 、 减 少事 故以避免 停工 损失 , 经济 效益明显 _

1 ] . 二 甲苯 精馏是对二甲苯(PX) 装置的重 要单元,它的核 心是 二 甲苯精 馏塔.某 石化 公司PX装 置二 甲苯 精馏塔的进 料为含少量重组分的c.芳 烃,通过精 馏作用将C.芳 烃与C.以上 重芳烃分离,塔顶的 气相 c .组分 为吸附分 离单元各精馏塔重沸器 提供 热源,冷凝后作为吸附分离单元的原料.二 甲苯 精馏 塔 的塔 顶 压力 不仅影响本单元的分离效 果,也影响吸附 分离 单元 的操 作 .其塔 底两 个 并联 的重 沸炉的能 耗 为每 吨产 品1l300MJ , 每年能耗超 过5*1

0 . MJ , 是 装置 的耗 能 大户 .为了增强装置 控制 系统 的稳 定性 , 克服干扰 , 降低 能耗 , 本课 题建 立 了基 于机理 分析 的状 态 空间模 型,在此 基础 上开 发 了二 甲苯精 馏单 元先 进控 制 系统 , 对整 个单 元进行 多 变量 协调 预测控 制.2装置概 况 和存在 的 问题

2 .

1 装置概况某石化 公司PX装 置包括二甲苯 精馏 单元 、 吸 附分 离 单元 和异 构化单元,年产对二甲苯

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0 k t . 二 甲苯精馏 塔的主要 工艺 和控 制 流程 见图1,其中主要 控制 回路 中灵敏 板 温差 控制回路 ( T D I C

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5 7 ) 是通过 串级 回路调 节塔顶产 品抽 出量控 制塔 的灵敏 板温差 以保 证产品质 量;

塔顶压力控制回路 ( P I @

4 7

1 6 ) 是通过 串级调 节 塔顶 气相 去 吸附单 元抽出液 塔重沸器 的流量控 制二甲苯精 馏塔 塔 顶压 力;

重沸炉出口气 化率控制回路 ( P D I C -

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0 7 , P D I C -

4 6

0 8 ) 是通 过调 节二 甲苯精 馏塔塔底两台重 沸炉的燃 料 油和 燃料 气压 力控 制塔 底气 化率 , 从而 保证 全塔 热 平衡 ;

进料 流量 控制回路 ( F I C

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0 7 ) 是 由异 构化单元脱 庚烷 塔塔 底液 位 串级 回路 调 节塔底 产品(作为二甲苯精馏 塔 进料 ) 抽 出量 , 以控制 进料 流量 .

2 .

2 常规 控 制存在 的 问题 二 甲苯精 馏塔塔顶压 力控制回路 和吸附分 离单元抽 出液 塔重 沸器热流流量 控制回路 构成 串级 回路 , 吸 附分 离单元为保证 P X产 品质 量合格,要求抽 出液塔操 作 稳定 , 因此 抽 出液塔 重沸 器热 流流 量控 制 回路无 法投串级 , 塔 顶压 力控 制 回路一 直是 通过 人 工调 节加 热 炉燃 料压力使塔顶压力 保持稳定的.由于操 作滞 后 和人工 判断 偏差 , 经 常造成 塔 收稿 日期:

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修改稿 收到 日期 :

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0 4 . 作者简介 : 施大鹏 , 高级工程师 ,

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0 4年毕业于华东理工大学 , 获博士学位 .现为清华大学 自动化 系博 士后.主要从事 流程 工业建模、仿真及先进控制技术研究 工作.基金项目:973项 目子 课题(2002CB

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0 0 ) . http://www.paper.edu.cn 中国科技论文在线

6 4 石油炼制与化工2008年 第39卷 抽 出液塔重沸器 图1二甲苯 精馏单元工艺 及控制流程示意压频 繁波 动而且振幅较大,曾造 成塔顶安全阀起 跳,进而造成 各塔 板气液平 衡点变化 , 各塔板温度也随之 波动 .常 规控制 情况下 , 某 日二 甲苯 精馏塔 塔顶 压力 和塔底 温度 的变化 见图2和 图3.从 图2和图3可见 , 常规控 制情况 下压力和温度波动较 大.{曼5按赠按图2常规控制下二 甲苯塔塔顶压力变化情况 图3常规控制下二 甲苯塔塔 底温度变化情况 两 台重沸炉 出 口气 化率控制 回路分 别串级控 制重 沸炉 A 和重 沸炉 B的燃料 油压 力及燃 料 气压 力,根据燃料 调度 情况 由开关 切换选择 燃料油 或燃 料气 控制方 案 .该 设计 方案存 在缺 陷,当气化 率偏 低时,控制 回路调 高燃料油或 燃料 气 压力 , 初期气化率 上升 , 而塔压 也随之升高 , 导 致塔 底 重组 分增加,气化 率又随之 下降,无法达到 控制 目标 .同时 气化 率检测信 号存 在 漂移现象 , 导致气 化率控 制回路无 法投 串级 , 目前操作 人员 根据塔 的操作状 况调 节燃 料油或 燃料 气 压力 , 调节 时间、调整 幅度 均靠操作 人员凭 经验 确定 , 波动较 大.二甲苯精 馏塔进料 流 量波 动 大且 存在 不 可测 干扰 .二 甲苯精 馏塔有 两股进 料,一股 进料为 脱庚 烷塔塔 底抽 出量 , 受脱庚烷塔 塔底液位 串级 控制,波动较 大 .另一股 进料 来 自其 它装置 , 此进料 在该 装置 D C S上 无显示 , 且 波动频 繁,对二甲苯 精 馏塔 干扰 严重 .

3 先进控 制 系统 的设 计3.1先进 控制 方案的 初步确 定 塔压是影 响二 甲苯 精馏 塔运 行 的重要 因素 , 是 本单元控制 的瓶 颈 .在设计先进控制 系统时 以控 制 塔压平稳为 主要 目标 .因为塔顶压力控 制 回路 的压 力测量值单位 为MP a , 量 纲较 大,而测量数 值较 小,易受测量误差 干扰 .通过对装置长期运 行数据进行 分析 , 发现塔釜及各塔板 温度变化与塔 压方 向一 致,同时考虑到 塔釜距 离 重沸 炉较 近,滞后 不 明显 .因 此决定将塔 釜温度 作为先进控制 系统 的被控变量 . 两 台重沸炉之 间燃料 油压力的差值及燃料气 压力的差值被要 求 限制 在一定 范围内, 因此设 置燃 料 油压力差控 制 回路 和燃 料气 压力 差控 制 回路 , 以两 台重沸炉燃 料油 压力 差和燃 料 气压力 差(软测量 计 算结果 ) 作 为被控 变量 , 保 证在一 台重沸 炉燃料压 力 调节 或变化 时,另一 台重沸炉 的燃料压力跟踪调 节. 重 沸炉 加 热量 是影 响塔 压和 塔 底温 度 的重要 参数 , 在设 计 方案时避 开存 在测量误 差 的气化率 回路,以两 台重 沸炉 的四个燃 料压力 控制 回路给定 值作为操作 变量 . 根 据燃料 市场情 况,目前两 台重沸 炉通过调 节燃料油 压力控 制塔 和炉子 的工 艺,燃料 气压力保 持恒定.以后可 能改 为调 节燃 料 气压力 , 而燃料油 压 力保持 恒定 . 因此本 方案设 置燃 料油 、 燃 料气两 套控制方 案,可以灵 活切换 . 塔顶回流温 度 和塔 进料 量 对二 甲苯精 馏塔 的运行有 明显 的影 响,因此将其作 为干扰 变量 . 第 8期 施大鹏等.对二 甲苯装置二 甲苯精馏单 元先进控制系统 的开发及应 用65二甲苯精 馏塔进料 组成变化 对塔的操 作有一定的影 响,但该数 据无法实时测 量;

另外由于 有外装置 来料,也无法实施软测量.但 该变量波动不大,而且 预测 控 制算 法克服不可测干扰的能 力较强,因此对 控制 不会 产生 较大 的影 响.3.2先进控 制方 案的调 整按初步 确定的控 制方案开 发 的先进 控制系统 投用 初期 效果很 好,但该方 案建立的前提 是:二甲苯精馏 塔塔顶、塔底和各塔板气液相均为混合组分,相邻塔 板参 数差异很 小,各塔板的温 度 和压 力 变化方 向一 致 .但 在某操 作日8:30左右 发生 塔顶 压力与塔板 温度 变化方向一 致而与塔釜温度 呈反向变化 的情 况(见图4),第二天又出现一 次 .用 气液平衡 机理难 以解 释塔 釜温度相对于塔 压和其它塔板温 度反 向变 化 的现象 , 在装 置数 年操作 历史 中也未出现过 这种 情况 , 据分 析可 能是设 备或 塔釜 温度检测 仪表方 面 出现 了 问题 .如 果先 进控制维持原方案 , 有 可能 造成压力 失控.因此 , 决 定改 用塔顶压 力作 为被 控变 量,采用塔 顶压 力 的另一 个测量 点 的测量 值(压力测量 值单位为kPa)作为对应 的 状态 变量 , 虽然 该点测量的绝 对值有偏差,但变化 方 向和相 对变 化量 与塔 顶压力 控制回路 相同.出按图4二甲苯 精馏塔压力和温度的变化趋势a~塔顶压力;

b塔底温度3.3先进控制算法根据装 置 特点 , 确定 采用基 于状 态反 馈 的单值 预测 控制算 法 .该 算法可以充 分利用被控过程 的 可测信 息,具有结构灵 活、........