李 文
（国家能源集团宁夏煤业公司烯烃一分公司）
国家能源集团宁夏煤业公司烯烃一分公司某甲醇制烯烃装置（简称MTP装置）采用德国鲁奇工艺技术，以甲醇为原料，在催化剂的作用下经过反应、 压缩及精馏等工段将丙烯分离提纯出来，最终实现年产丙烯50万吨［1～3］。
近几年随着国家供给侧结构改革和高质量发展要求， 特别是“碳达峰、碳中和”目标的提出，公司积极响应国家号召，提出“节能降耗、提质增效”战略定位，从装置异常报警治理和清洁文明生产两方面为抓手，提高装置运行稳定性和产品收率。
笔者作为仪表技术人员积极行动， 摸排分析MTP装置报警多的原因， 最终确定精馏塔因采用传统单回路PID控制时滞性大而引起参数报警， 此类报警占总报警数的75%。因此，分析解决精馏塔温度波动报警多和采取有效控制措施降低报警以提高精馏塔稳定性是十分必要的。
精甲醇先进入离子交换器缓存后与工艺蒸汽、循环烃混合进入MTP反应器，在沸石催化剂的作用下生成以丙烯为主的低碳烃类混合物，该类混合物经分离压缩后生成C2～C8组分的气态烃，通过脱乙烷塔、脱丙烷塔、脱丁烷塔及脱己烷塔等8个精馏工段将丙烯分离提纯出来， 同时副产出一定量的混合芳烃、乙烯及液化石油气产品。
图1是MTP装置8个精馏塔之一的脱己烷塔工艺流程，该塔为板式精馏塔，自上而下由40层塔板构成，来自分离压缩工段的C5及更重的C6、C7、C8组分气态烃进入精馏塔，通过塔底中压蒸汽调节阀TV4101控制进入再沸器的蒸汽量，进而调节塔内气态烃温度进行气液分离，发生精馏作用后重组分产品从塔底外送罐区储存，温度TT4101是塔底重组分监控的关键参数；
气态轻组分C5/C6从塔顶经空冷器降温进入回流罐，回流罐出口一部分轻组分经回流调节阀FV4171控制返回精馏塔调节塔顶温度，孔板流量计FT4171监控回流量大小， 温度TT4112是塔顶轻组分监控的主要参数，TT4113是环境温度。
图1 精馏塔工艺流程
精馏塔是精馏装置的核心设备，它控制得稳定与否，不仅影响自身产品质量和产量，还将直接影响下游精馏塔的控制。
现代化工装置控制系统多采用经典单回路PID控制器，其算法简单、稳定性好且可靠性高。
该方法是根据设定值r（t）和实际测量值c（t）构成控制偏差e（t），即e（t）=r（t）-c（t），将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制变量。
PID控制算法流程如图2所示。
图2 PID控制算法流程
其中，Kp为比例系数，Ti为积分时间，Td为微分时间常数，Ki=Kp/Ti为积分系数，Kd=KpTd为微分系数。
图1精馏塔塔顶压力和塔底液位采用经典单回路PID控制方案，PIC4101和LIC4111分别将塔压控制在 （0.31±0.05） MPa， 液位控制在30%～60%。
精馏塔塔顶轻组分降温一般采用循环水冷凝器和空冷器方式，精馏塔塔顶轻组分气态烃冷却采用6台380 V（AC）电机驱动6台定速风机组成空冷器降温，如图3所示，电机除了能耗高，启停瞬间还会引起精馏塔塔顶温度波动报警，当塔顶温度升高启动风机瞬间温度会有不同程度的下降过程，反之当塔顶温度下降停止风机时会有不同程度的上升现象，启停风机瞬间引起温度波动报警问题长期困扰精馏岗位操作人员。
为此，将风机定速控制改造为变频调速控制方案是提高精馏塔工作效率、降低能耗和实现精确自动化控制的最佳选择。
图3 空冷器组成结构
将图3空冷器中的1号和2号定速风机通过增加变频器改为变频调速控制， 变频器输出0%～100%模拟信号调节电机转速，可解决定功率风机启停过程对精馏塔塔顶温度的扰动问题。
综合考虑变频改造投资成本和精馏塔负荷等因素，其他4台风机保持原来的定速控制。
变频风机控制原理如图4所示。
图4 变频风机控制原理
艾默生DCS控制器的接口AO卡输出4～20 mA信号对应变频器频率0～f1（f1一般为工频50 Hz）。根据下式可以计算出电机转速，进而控制风机转动速度达到调节精馏塔温度的目的：
其中，x是DCS输出的4～20 mA电流信号，f1是变频器最高频率，f是变频器调速输出频率，n是电机同步转速，s是电机的转差率（s的范围为0～1），n1是风机运行转速，p是极对数。
影响精馏塔稳定控制的因素有进料组分、进料量、塔压、温度以及回流量等相关参数。
由于进料组分实时变化，目前还没有精准的检测设备进行组分测量分析，一般在塔压控制稳定的条件下将精馏塔灵敏板温度作为被控变量与加热蒸汽调节阀构成常规PID控制回路进行塔温调节［4］。王春艳和王孝红将专家PID算法在VC++环境编程通过OPC通信实现精馏塔温调节［5］；
杨敏华提出一种间歇减压精馏的自动控制装置，但所采用的塔顶压力单回路PID控制存在大滞后现象， 无法应用于大型连续精馏煤化工生产装置［6］；
李万清等提出一种精馏塔温度调控装置，将蒸汽自动调节阀改为手动闸阀并控制冷凝液缓冲罐内蒸汽冷凝液液位［7］，这种方法需要装置停车方可更换，因此经济、人力成本投资较高。
笔者设计了一种基于艾默生DeltaV系统的多重控制系统， 该多重控制系统由一个前馈-串级控制与分程控制组成，如图5所示，具体包括塔顶温度主控制器、塔底灵敏板温度副控制器和环境温度前馈控制器3个控制器，塔顶温度TT4112、塔底灵敏板温度TT4101、 环境温度TT4113这3个被控变量，回流阀FV4171、蒸汽调节阀TV4101、变频风机1～2、 定速风机3～6共计8个执行器和被控对象精馏塔。
图5 多重控制系统结构框图
由图5可知， 操作人员在艾默生DeltaV系统DCS画面设定精馏塔塔顶期望的温度值70 ℃，当塔顶温度测量值PV与设定值SP的偏差超过某个范围（PV-SP>5 ℃）时，偏差经过塔顶主温度控制器PID运算输出启动一台定速风机进行粗调，同时开大回流阀 （FV4171为气关阀，FIC4171控制回路为正作用），阀门开大回流冷量增加，塔顶温度会降低，如果启动一台定速风机满负荷运行时塔顶温度测量值仍大于设定值5 ℃以上，则继续启动第2台定速风机。
当温度偏差在2～5 ℃时启动变频风机进行精调，如果启动一台变频风机温度降不下来就再启动一台变频风机。当两台变频风机都启动还无法降低温度时，则关小蒸汽进料调节阀TV4101 （TV4101为气开阀，TIC4101控制回路为正作用）。
关小蒸汽进料后可能影响塔底灵敏板温度TT4101，当温度测量值低于设定值时要开大蒸汽调节阀， 同时还要调小塔顶回流量，确保塔顶、 塔底温度达到期望值兼顾两相流平衡。
图6是多重控制系统程序流程。
相反，塔顶温度降低时，主控制器输出停定速风机、关小回流阀FV4171，阀门关小冷量减少，塔顶温度升高。主控制器根据温度降低情况会自动停止定速风机，定速风机启停瞬间引起的温度变化由变频风机调速补偿，避免引起大幅波动。
特别是环境温度TT4113变化较大时，通过前馈控制提前反馈给主控制器及时调节变频风机消除环境温度变化引起的扰动。
图6 多重控制系统程序流程
现场生产使用艾默生DeltaV系统， 该系统由工作站、控制器、集线器及I/O卡件等组成，各控制器与工作站之间用以太网连接， 每块DeltaV控制器最多带64块输入输出卡件。
利用2021年装置停车大检修机会实施了多重控制系统方案，改造优化后精馏塔塔顶温度较改造前波动减小明显，波动范围降至±1.5 ℃，满足公司精馏塔精馏段温度波动±3 ℃的操作规程要求。图7是改造前、后的精馏塔塔顶温度历史趋势。
图7 使用多重控制系统前、后精馏塔塔顶温度变化趋势
通过变频改造并实施多重控制优化方案，除了降低塔顶温度波动外，冬季还减少了一台定速风机的运行，其电机功率为37 kW，根据宁夏气候温度变化特点，当年10月到次年5月（共计243天）气温较低， 即可节能：37×24×243=215784 kW·h。根据国家有关部门公布的数据可知，火电厂平均1 kW·h 耗煤约0.32 kg， 则一年减少燃煤约：215784×0.32/1000=69.05 t，与此同时可减少二氧化碳、二氧化硫及氮氧化合物等有害物质对大气和环境的污染。
精馏塔是一个非常复杂的多变量耦合系统，混合物中各组分挥发度不同，其控制方式也不一样。
笔者就混合气态烃在板式精馏塔进行气液组分分离控制展开讨论， 针对定速风机能耗高、扰动大和常规PID控制滞后等缺陷， 提出先将精馏塔塔顶空冷器定速风机改造为变频调速控制，再将原来的单控制回路优化为前馈-串级控制+分程控制的多重控制系统方案。
应用结果表明该控制方案能够实现精馏塔温度精确控制，提高产品收率，降低能耗，优化后综合效益显著。
猜你喜欢 精馏塔冷器塔顶 一起精馏塔自燃事故的原因分析及防范措施的改进江苏安全生产(2022年5期)2022-06-16下期要目化工设计(2020年1期)2020-01-13空调表冷器的研究现状与发展趋势制冷(2019年2期)2019-12-09通过实验探索表冷器经验公式的适用性制冷(2019年2期)2019-12-09青蛙爬塔红领巾·萌芽(2019年3期)2019-04-18青蛙爬塔红领巾·萌芽(2019年2期)2019-04-18氨水吸收式制冷系统中精馏塔性能模拟与分析制冷技术(2016年4期)2016-08-21青蛙爬塔的启示中学数学杂志(2016年1期)2016-02-16铝合金空-空中冷器符合翘片管材料选择与结构匹配汽车零部件(2014年11期)2014-09-18集成水空中冷器的进气模块汽车与新动力(2012年1期)2012-03-25