摘要：甲醇裝置包含著(zhù)復雜的化學(xué)反應和物理分離過(guò)程，并且裝置的能耗較高；提升裝置自動(dòng)化水平、實(shí)現節能降耗減排是裝置運行中的重點(diǎn)工作，也是裝置提高經(jīng)濟效益和社會(huì )效益的重要途徑。本文針對甲醇裝置精餾單元的工藝特點(diǎn)，采用高級多變量魯棒預測控制軟件APC-Adcon設計了集預測控制思想和現場(chǎng)操作經(jīng)驗為一體的先進(jìn)控制器，工業(yè)應用結果表明：先進(jìn)控制可明顯提高過(guò)程的平穩性，可帶來(lái)顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。

    關(guān)鍵詞：先進(jìn)控制；預測控制；甲醇裝置；精餾過(guò)程

    1 引 言

    甲醇不僅是重要的有機化工原料，還是性能優(yōu)良的能源和車(chē)用燃料。生產(chǎn)甲醇的原料有煤、天然氣、焦炭、石油液態(tài)
烴（石腦油、減壓渣油）等。近年來(lái)，隨著(zhù)國際原油價(jià)格的不斷上揚，結合國內的資源特點(diǎn)，以煤、天然氣為原料合成甲醇的工藝路線(xiàn)顯得越來(lái)越重要。近年來(lái)，甲醇生產(chǎn)裝置正朝著(zhù)大型化、單系列、低壓法方向發(fā)展。面對日益嚴峻的節能、降耗、增效和減排形勢的挑戰，如何保證整個(gè)甲醇裝置在更高的水平上實(shí)現“安穩長(cháng)滿(mǎn)優(yōu)”運行，直接關(guān)系到大型甲醇生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

    先進(jìn)控制技術(shù)是流程工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統的核心技術(shù)之一，通常在DCS、FCS等系統已有常規控制的基礎上，采用
多變量預測控制、智能軟測量等策略實(shí)現以下目標：提高復雜工業(yè)過(guò)程的控制品質(zhì)，增強系統的抗干擾能力和魯棒性，進(jìn)而提高企業(yè)的綜合效益和競爭力。目前，全球流程工業(yè)應用的先進(jìn)控制系統已超過(guò)8000套，通過(guò)提高裝置操作穩定性，優(yōu)化工藝參數，實(shí)現“卡邊”操作，可平均降低能耗和物耗2%以上，平均降低生產(chǎn)成本5%以上，項目投資回收期通常在6～10個(gè)月。因此，先進(jìn)控制已被視為一種投資少效益高的高新技術(shù)，是流程工業(yè)企業(yè)提升綜合自動(dòng)化水平，節能、降耗和減排，持續改善經(jīng)濟與社會(huì )效益的重要手段。

    本文以某大型甲醇裝置精餾單元為重點(diǎn)，介紹了甲醇裝置先進(jìn)控制整體解決方案及其工業(yè)應用。工業(yè)應用效果表明：
實(shí)施先進(jìn)控制和優(yōu)化操作是保證甲醇裝置平穩運行和節能降耗、增加經(jīng)濟效益的有效手段。

    2工藝流程描述合成甲醇通常包括4個(gè)步驟：（1）煤、焦炭或天然氣等含碳原料造合成氣；（2）合成氣凈化；（3）甲醇合成；（4）甲醇精餾。具體工藝流程因原料不同雖有差異，但是造氣、合成和精餾是其中重要的生產(chǎn)過(guò)程。

    某廠(chǎng)以天然氣為原料的10萬(wàn)噸/年甲醇裝置，采用蒸汽轉化、低壓合成、三塔精餾生產(chǎn)工藝流程。原料天然氣經(jīng)過(guò)脫
硫、蒸汽轉化和甲醇低壓合成等工藝單元制備成粗甲醇后進(jìn)入甲醇精餾工藝單元。因合成得到的粗甲醇除含水外，還含有不同數量的多種雜質(zhì)，必須將這些雜質(zhì)除去，才能獲得符合產(chǎn)品標準要求的甲醇產(chǎn)品。

    甲醇精餾單元就是同時(shí)并且多次的運用汽化和部分冷凝的方法，以達到完全分離混和液中各組分的連續操作過(guò)程。本
裝置采用三塔精餾流程，在脫醚塔中除去粗甲醇中的溶解性氣體和低沸點(diǎn)雜質(zhì)，在加壓塔和常壓塔中除去水及重組分，從而得到精甲醇產(chǎn)品。圖1給出了甲醇精餾單元流程示意圖。

圖1 甲醇精餾單元流程示意圖

    本裝置已采用集散控制系統，并對多數控制回路采用PID控制，對工藝設備和生產(chǎn)過(guò)程的各種參數（如：溫度、壓力、流量、液位等）分別加以控制，構成一個(gè)個(gè)相互獨立的控制回路。在實(shí)際運行中，這些控制系統主要實(shí)現了基礎層監控作用，為生產(chǎn)裝置平穩操作起到必要的支撐作用。另一方面，這些基礎回路正常工作也為實(shí)施整個(gè)裝置的先進(jìn)控制奠定了基礎。

    本裝置精餾單元是一個(gè)由3座塔組成的精餾塔系，不僅包含相對復雜的進(jìn)出料關(guān)系，而且各塔之間存在熱量集成的情況，因此，該精餾單元是典型的多變量、有約束和強耦合的復雜工業(yè)過(guò)程。此外，裝置還受到生產(chǎn)負荷、進(jìn)料條件和塔釜重沸器加熱蒸汽量和溫度變化等擾動(dòng)的影響。這樣，常規單輸入單輸出控制系統的單變量反饋的控制思想已難以解決這種過(guò)程的整體控制和優(yōu)化的問(wèn)題。

    為此，有必要采用以多變量預測控制技術(shù)為核心的先進(jìn)控制策略，統籌考慮該裝置精餾單元的控制需求，重點(diǎn)抑制裝置
能量流和物料流的波動(dòng)，消除控制器之間的相互耦合，以降低主要工藝參數的波動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現提高收率和節能降耗等目標。

    3 先進(jìn)控制方案

    針對上述這些問(wèn)題，甲醇裝置先進(jìn)控制系統的主要需求是：通過(guò)采用先進(jìn)控制系統，根據甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量要求和過(guò)程
變量的各項約束，充分考慮變量之間的耦合特性，采用魯棒多變量預測控制技術(shù)、智能控制技術(shù)和工藝計算與軟測量技術(shù)等優(yōu)化計算出控制值，減小裝置主要工藝參數平均穩態(tài)偏差，提高裝置生產(chǎn)平穩度，改善甲醇產(chǎn)品質(zhì)量。在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，通過(guò)提高裝置處理量和關(guān)鍵工藝指標的卡邊操作，優(yōu)化生產(chǎn)負荷，提高裝置產(chǎn)能，降低裝置能耗。從而增強企業(yè)的產(chǎn)品競爭力。先進(jìn)控制系統整體架構如圖2所示。

圖2 先進(jìn)控制系統整體架構圖

    甲醇裝置精餾單元先進(jìn)控制器采用一個(gè)大APC-Adcon控制器，其中包括脫醚塔子控制器、加壓塔子控制器、常壓塔子控制器，子控制器的內部模型由各精餾塔實(shí)驗測試、數據采集、模型辨識和驗證等環(huán)節獲得，控制器設計則根據各精餾塔的特點(diǎn)及工藝要求，考慮各種約束條件來(lái)選擇被控變量、操縱變量和擾動(dòng)變量的相關(guān)控制結構與參數，并通過(guò)大量閉環(huán)仿真的檢驗。各子控制器之間的聯(lián)系由物料、能量的關(guān)系來(lái)體現，而關(guān)鍵被控變量目標值是建立在操作經(jīng)驗和流程模擬優(yōu)化相結合的基礎之上的。

    4 工業(yè)應用效果

    甲醇精餾單元先進(jìn)控制系統投運后效果顯著(zhù)，主要表現在如下幾個(gè)方面：

    先進(jìn)控制系統大大提高了生產(chǎn)過(guò)程主要工藝參數的平穩性，標準差平均降低50%以上，統一了操作方法，降低了操作
人員的勞動(dòng)強度，大大減少了人工調節時(shí)的不及時(shí)和不一致.