揚子環丁砜抽提先進控制解決方案

1. 服務對象

揚子石油化工股份有限公司芳烴廠環丁砜抽提裝置

2. 工藝簡介

芳烴抽提裝置是以環丁砜為溶劑，根據芳烴、非芳烴在溶劑中的溶解度的不同，達到芳烴和非芳烴分離的目的。裝置中的抽提單元包含了一個由抽提塔，汽提塔，溶劑回收塔等塔組成的抽提塔系。抽提塔系的簡要流程如下圖1所示。

圖1 環丁砜抽提裝置流程圖

3. 原操作情況及存在問題

抽提塔作為芳烴抽提裝置的關鍵設備，它的穩定操作，對下游各塔的穩定控制有至關重要的作用。按原來的常規控制方案，抽提塔的塔底、塔頂界面都通過與采出量串級來控制，但是，該塔受到眾多的不可測量的干擾因素影響，塔頂、塔底界面波動都很大，如果塔底界面采用串級控制，塔底采出量將波動很大，可能導致下游汽提塔進入非正常工況。

為了避免串級控制帶來大波動，該塔的塔底界面實際控制方式一直為手動。但手動控制的不及時和人為因素的干擾，使該塔的界面波動很大，經常接近報警的區域，影響了工況的穩定。

汽提塔原來通過蒸汽來控制其壓力，但如果該塔的塔釜溫度太高，會導致該塔進入非正常工況，所以該塔由原來的串級控制改為手動控制，通過蒸汽來穩定塔釜溫度，且保證壓力在一定范圍內。但是，當進料溫度和蒸汽熱值改變時，會引起塔釜溫度和壓力的超出指標范圍。

回收塔原來的控制方案是由加熱蒸汽來控制組分控制，因為組分控制器由于部分儀表已經無法使用，所以該塔控制目標改為塔釜溫度，控制方式也改為手動。

苯塔原來是通過串級來控制塔的進料溫度和苯塔的側線產品質量，由于工藝改變，該塔串級無法使用，控制方式改為手動。因為該塔的滯后很大，經常過渡采出和不完全采出，控制效果很不理想。

4. 控制目標

預計芳烴抽提裝置先進控制系統投運后，整個塔系將具有更好的抗干擾性，能綜合協調各個過程的控制變量，使生產過程更加平穩，減輕操作工勞動強度，降低操作成本。同時實現下列控制目標：

以平穩操作、節能降耗為主要目標，當先進控制系統投用后，抽提塔界面、汽提塔壓力、回收塔溫度等過程控制變量的均方差減小50%以上；

使抽提系統各參數協調操作，減少裝置影響產品達8個小時以上的波動次數，將抽提塔系的年波動次數降低到每年2次以下；

同時與常規控制相比，在同等溶劑消耗條件下，使回收塔塔頂回流比降低5%以上，能耗降低2%以上；

能有效的解決回收塔、汽提塔、抽提塔及苯塔的關聯，優化回路塔、汽提塔、抽提塔和苯塔的操作，降低溶劑的含水量和烴含量，進而將芳烴收率由目前的97.5％提高到99.0％；

在裝置的條件改善的基礎上，進一步提高芳烴收率和降低溶劑消耗，溶劑消耗降低5%。

從而，最大限度的保證系統的穩定性和安全性，優化過程工作點，有效地提高生產率、降低能耗，為企業帶來最佳的經濟效益。

5. 先進控制方案

在橫河CS3000集散控制系統良好運行的基礎上, 通過合理有效的實驗設計和實驗測試，得到真實有效的實測數據，利用APC-Adcon預測控制軟件包中的辨識軟件包進行數據處理并辨識得到對象的脈沖響應矩陣形式的數學模型。根據辨識出的數學模型建立APC-Adcon預測控制軟件包所需的內部模型，并根據實際工藝特點和要求選取合理的參考軌跡、調節變量約束、被控變量約束、控制結構，以得到APC-Adcon預測控制器。

首先應用此控制器控制與內部模型相同的仿真對象進行仿真分析和研究；然后應用此控制器控制與內部模型存在一定差異的仿真對象（模型不匹配情形）進行仿真分析和研究，以檢驗控制系統的抗不確定和干擾能力，接著把所設計的控制系統引入CS3000集散控制系統進行實時仿真研究和分析。在大量仿真和實驗分析與研究的基礎上，投運多變量預測控制系統。

6. 先進控制系統軟硬件連接

采用OPC技術實現了先進控制上位機與DCS系統的雙向數據通訊。

7. 先進控制系統實施步驟

建立DCS與先進控制的通訊：該裝置原有常規控制建立在日本橫河公司的集散控制系統CENTUM-CS3000系統上，先進控制系統新增一臺工控機作為先控操作站，該操作站通過OPC標準接口與DCS上的數據實現通訊；

功能分析：主要對芳烴抽提各塔過程工藝和常規控制狀況深入了解，合理選擇MV（操作變量）, CV（受控變量）和DV（干擾變量）；

常規控制回路改造：調校流量計和閥門；

過程實驗：測試信號應用于過程操作變量以便得到估計模型參數所必需的數據。一般做實驗時為得到有效的數據，需連續加數個階躍信號，以實現充分激勵；

過程模型辨識：將由過程實驗得到的數據通過APC-Adcon軟件包的HIDENT多變量模型辨識軟件預處理，辨識得到芳烴抽提400#的多變量過程模型；

控制結構設計：根據用戶指標和要求，在控制器結構中定義控制目標、變量約束和動態最優化；

離線仿真：仿真測試所設計的控制器，離線測試使得在實際過程應用更容易和安全；

在線仿真：將設計好的芳烴抽提控制器轉到先控上位機，進行實時在線仿真；

先控與常規控制的切換：在DCS上通過編程實現先進控制和常規控制的靈活和簡便的切換；

現場投運及調整：在不同運行條件下檢測控制結構，將實現的控制器應用到過程中，對生產過程進行在線實時控制。

8. 先進控制效果

先控系統投運后，其效果很明顯，下面對常規控制和先進控制作一個比較：

（1） 溶劑回收塔塔底溫度比較如圖2：

圖2 溶劑回收塔塔底溫度比較圖

（2） 抽提塔塔底界面、塔頂界面控制比較如圖3：

圖3 抽提塔塔底界面、塔頂界面控制比較圖