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[摘 要]采用先进的控制技术，对乙烯装置乙烯精馏塔的产品质量进行卡边控制，可以提高运行的平稳性，提高产品产量，节约能源，降低消耗，最终达到提高经济效益的目的。
[关键词]乙烯；精馏塔；先进控制
中图分类号：TQ336 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0118-01
1装置和控制现状
乙烯精馏塔是乙烯回收区的重要设备，它将来自乙炔加氢反应器的物流作分离，得到质量符合要求的最终乙烯产品。
乙烯精馏塔共有127层层双溢流形式的浮阀塔盘，乙烯精馏塔有两个底部再沸器和两个側线再沸器；一个用于回收不凝气中乙烯的冷凝器和两个塔顶冷凝器。在来自乙烯蒸馏塔顶部的气体被冷凝器冷凝后，液相用作回流，少量不可冷凝的气体返回裂解气压缩机。从乙烯精馏塔的第九塔板中抽出液体乙烯产物，并从乙烯精馏塔的塔底抽出乙烷。
产品质量控制采用灵敏板控制方式，第115块塔板的在线分析控制器通过与塔底再沸器（EA403AB）的丙烯冷剂的流量控制器构成串级控制来实现产品的质量控制；为了防止乙烯产品的过量采出，塔顶回流量与侧线产品采出量采用比值控制（比例一般设为4∶1）；回流罐液位与回流量构成串级控制，PIC-403控制进入回流冷凝器的冷剂量，PIC-404控制回流罐不凝气体的放空；侧线再沸器（EA603）的流量控制与再沸器的液位控制器进行低选，来控制进入换热器壳层的乙烯流量。
乙烯精馏塔的操作和控制水平与乙烯产物的质量，产率和能量消耗直接相关。通常需要增加乙烯产量，减少乙烯损失和塔底部的能量消耗，同时确保塔顶部的乙烯产物被控制到指定的纯度。传统控制难以实现上述目标，因此必须采取先进控制。
2乙烯精馏塔先进控制方案
2.1控制目标
该控制将达到以下目标：
（1）实现侧线乙烯产品采出质量卡边控制，提高乙烯收率、降低冷量损失、节约能源，降低消耗。
（2）区域控制从塔底排出的再循环乙烷中的乙烯含量，以减少乙烯损失。
（3）增强控制系统的稳定性，提高抗干扰能力。
为了实现上述目标，设计了塔顶乙烯产品纯度及塔底乙烯浓度计算的软仪表及多变量协调预估控制器。
2.2塔顶乙烯产品纯度的实时计算及在线校正
由于塔顶在线分析仪对产品中的杂质进行分析，滞后时间超过20分钟。这不利于实时控制，但仅在灵敏板温度的基础上进行操作有一定程度的盲目性。由于塔顶部的乙烯产品的纯度作为先进控制的控制变量，因此有必要建立一个软仪表，用于塔顶乙烯产物的纯度。同时，在线计算和显示乙烯产品的纯度（每10秒1组数据）为操作员增加了一个可观察的参数，更便于监测。软仪表的计算采用过程工艺分析方法建立计算关系考虑到工艺过程的动态响应特性，根据历史数据引入了预测计算。同时，使用在线分析仪表的测量数据定期在线校正软仪表，以提高其准确性。
2.3塔底排出的循环乙烷中乙烯产品含量的实时计算及离线校正
由于塔底仅进行离线分析，滞后时间很长，操作员必须支付塔底乙烯产品的损失，以免污染产品。软仪表投入正常使用后，操作人员可以观测塔底乙烯产品的含量和变化趋势，适当调整操作，减少乙烯损失。为了提高软仪表的精度，使用离线分析数据定期校正。
2.4多变量预测控制器
乙烯精馏塔的进料有五种馏分：氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔。其中乙烯及乙烷占99.5%以上，因此可视为二元精馏塔。根据实际情况，考虑到仪表的位置及数量将塔分成三个塔段，并为每个塔架区段建立机理模型。
在实际操作中，主要通过调节塔底的第一再沸器的加热量和塔顶的流量来控制。选择塔顶乙烯产品的纯度作为主要控制变量，并将乙烯的纯度控制在99.85%或更高的规定值；选择塔底循环乙烷中的乙烯浓度作为主要控制区域变量，采用多变量区协调预测控制算法对给定区域进行控制。同时，为了确保塔的物料平衡，保留了原有的回流罐液位和塔底液位的常规控制。选取塔底再沸器的返塔蒸汽量和塔顶回流量作为操纵变量。
由上述选定的状态变量、操纵变量，根据物料平衡和能量来建立各塔段的动态数学模型。对动态数学模型进行线形化，推导出数学模型，实施多变量协调预估控制。液相物料在每层塔板有滞留时间，其温度变化存在着滞后，塔及回流罐的液位也有滞后，因此，在建模型时将滞后因素考虑进来。由此，得出的多变量预估控制模型可有效地估计未来时刻乙烯产品的纯度和塔底循环乙烷中乙烯含量的变化，采取适当的提前控制来保持整个塔的平稳操作，并根据操作员的操作指令，参照前面的两个软仪表的计算数据协调控制塔底再沸器的蒸汽量及塔顶回流量，控制整个塔操作平稳。
根据上面选择的状态变量和操纵变量，基于物质平衡和能量建立每个塔段的动态数学模型。动态数学模型线性化，推导出数学模型，实现变量协调预测控制。液相物料在每层塔板中具有滞留时间，并且其温度变化具有滞后，塔及回流罐的液位也滞后，因此在构建模型时要考虑滞后因素。
3先进控制的实施
3.1先进控制的运行环境和系统组成
ABB的DCS提供了一种控制语言（TCL），它具有强大的处理能力并具有备份功能，因此先进的控制软件可在DCS系统上运行。为了使该先进控制的使用灵活、可靠，并保持原常规控制器可用，先进的控制器和原常规控制器采用串级形式（即先进控制器的输出是常规控制器的给定值），操作员可以使用操作环境中提供的选择开关在先控制和常规控制之间切换。整个先进的控制系统包括先进的控制器，数据处理，安全逻辑，软测量仪表，先进控制和常规的控制接口和操作界面六个部分。
3.2数据处理
数据处理包括数据的有效性检查及输入数据的预处理：
数据有效性检查首先确定输入数据是否为真，即仪表发送的信号是否为假数据。这可以通过检查DCS数据质量判断来完成（例如，当仪表断开时，数据质量显示“坏”值）。其次，判断输入数据是否在有效范围内，即在工艺人员给出的上限和下限内。再次判断数据的变化率是否超过给定值。如软仪表的计算值等变化率过大则认为该数据无效。由于现场仪器数据中的噪声，必须先对其进行处理，然后才能用于计算或先进控制器。DCS提供的软件功能块用于计算输入数据的移动平均值，并结合一阶滤波消除噪声以获得可用的有效信号。DCS中的一阶滤波算法为：
其中：T-该回路的处理速率，一般为1秒；L-滞后时间，单位为分钟；Input-输入数据；Pre-前一时刻的输出值，即Result（n-1）。
由此可见，选择适当的L值可以消除信号中的噪声
3.3输出结果校验
3.3.1软仪表输出结果校验
利用在线分析仪表的实测值与软仪表计算值的偏差进行校正。当前实测值为AI（k），软仪表计算值为x（k），则纯度的校正计算公式为：
x（k）=x（k-1）+α×[AI（k）-x（k-1）]
其中：α-纯度校正系数，该值可根据实际情况改变。
3.3.2控制输出结果校验
为了使操作平稳和安全，预测控制器的输出应限制在操作员给出的范围内。这需要限制输出的上限和下限，当输出超出该限定范围时，取限定值作为输出值。同时，有必要检查输出的变化率，当变化过快时，取变化率的限定值作输出。对输出结果的整定可表述为：
4结束语
乙烯精馏塔先进控制从连续投用的效果看，改善了乙烯精馏塔的先进控制，提高了精馏塔的运行稳定性和乙烯收率。该技术可进一步应用于乙烯装置的其他蒸馏塔，如果推广到国内其它同类装置，将会取得更大的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]郭林，等.复杂控制中设定点跟踪功能的实现基础自动化，1998
[2]高峰，等.乙烯裂解炉先进控制系统开发与应用抚顺石油学院学报，1999
作者简介
闫佳宁（1989—），男，在大庆石化公司化工一厂从事操作工作，化工工程与工艺专业。
[关键词]乙烯；精馏塔；先进控制
中图分类号：TQ336 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0118-01
1装置和控制现状
乙烯精馏塔是乙烯回收区的重要设备，它将来自乙炔加氢反应器的物流作分离，得到质量符合要求的最终乙烯产品。
乙烯精馏塔共有127层层双溢流形式的浮阀塔盘，乙烯精馏塔有两个底部再沸器和两个側线再沸器；一个用于回收不凝气中乙烯的冷凝器和两个塔顶冷凝器。在来自乙烯蒸馏塔顶部的气体被冷凝器冷凝后，液相用作回流，少量不可冷凝的气体返回裂解气压缩机。从乙烯精馏塔的第九塔板中抽出液体乙烯产物，并从乙烯精馏塔的塔底抽出乙烷。
产品质量控制采用灵敏板控制方式，第115块塔板的在线分析控制器通过与塔底再沸器（EA403AB）的丙烯冷剂的流量控制器构成串级控制来实现产品的质量控制；为了防止乙烯产品的过量采出，塔顶回流量与侧线产品采出量采用比值控制（比例一般设为4∶1）；回流罐液位与回流量构成串级控制，PIC-403控制进入回流冷凝器的冷剂量，PIC-404控制回流罐不凝气体的放空；侧线再沸器（EA603）的流量控制与再沸器的液位控制器进行低选，来控制进入换热器壳层的乙烯流量。
乙烯精馏塔的操作和控制水平与乙烯产物的质量，产率和能量消耗直接相关。通常需要增加乙烯产量，减少乙烯损失和塔底部的能量消耗，同时确保塔顶部的乙烯产物被控制到指定的纯度。传统控制难以实现上述目标，因此必须采取先进控制。
2乙烯精馏塔先进控制方案
2.1控制目标
该控制将达到以下目标：
（1）实现侧线乙烯产品采出质量卡边控制，提高乙烯收率、降低冷量损失、节约能源，降低消耗。
（2）区域控制从塔底排出的再循环乙烷中的乙烯含量，以减少乙烯损失。
（3）增强控制系统的稳定性，提高抗干扰能力。
为了实现上述目标，设计了塔顶乙烯产品纯度及塔底乙烯浓度计算的软仪表及多变量协调预估控制器。
2.2塔顶乙烯产品纯度的实时计算及在线校正
由于塔顶在线分析仪对产品中的杂质进行分析，滞后时间超过20分钟。这不利于实时控制，但仅在灵敏板温度的基础上进行操作有一定程度的盲目性。由于塔顶部的乙烯产品的纯度作为先进控制的控制变量，因此有必要建立一个软仪表，用于塔顶乙烯产物的纯度。同时，在线计算和显示乙烯产品的纯度（每10秒1组数据）为操作员增加了一个可观察的参数，更便于监测。软仪表的计算采用过程工艺分析方法建立计算关系考虑到工艺过程的动态响应特性，根据历史数据引入了预测计算。同时，使用在线分析仪表的测量数据定期在线校正软仪表，以提高其准确性。
2.3塔底排出的循环乙烷中乙烯产品含量的实时计算及离线校正
由于塔底仅进行离线分析，滞后时间很长，操作员必须支付塔底乙烯产品的损失，以免污染产品。软仪表投入正常使用后，操作人员可以观测塔底乙烯产品的含量和变化趋势，适当调整操作，减少乙烯损失。为了提高软仪表的精度，使用离线分析数据定期校正。
2.4多变量预测控制器
乙烯精馏塔的进料有五种馏分：氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔。其中乙烯及乙烷占99.5%以上，因此可视为二元精馏塔。根据实际情况，考虑到仪表的位置及数量将塔分成三个塔段，并为每个塔架区段建立机理模型。
在实际操作中，主要通过调节塔底的第一再沸器的加热量和塔顶的流量来控制。选择塔顶乙烯产品的纯度作为主要控制变量，并将乙烯的纯度控制在99.85%或更高的规定值；选择塔底循环乙烷中的乙烯浓度作为主要控制区域变量，采用多变量区协调预测控制算法对给定区域进行控制。同时，为了确保塔的物料平衡，保留了原有的回流罐液位和塔底液位的常规控制。选取塔底再沸器的返塔蒸汽量和塔顶回流量作为操纵变量。
由上述选定的状态变量、操纵变量，根据物料平衡和能量来建立各塔段的动态数学模型。对动态数学模型进行线形化，推导出数学模型，实施多变量协调预估控制。液相物料在每层塔板有滞留时间，其温度变化存在着滞后，塔及回流罐的液位也有滞后，因此，在建模型时将滞后因素考虑进来。由此，得出的多变量预估控制模型可有效地估计未来时刻乙烯产品的纯度和塔底循环乙烷中乙烯含量的变化，采取适当的提前控制来保持整个塔的平稳操作，并根据操作员的操作指令，参照前面的两个软仪表的计算数据协调控制塔底再沸器的蒸汽量及塔顶回流量，控制整个塔操作平稳。
根据上面选择的状态变量和操纵变量，基于物质平衡和能量建立每个塔段的动态数学模型。动态数学模型线性化，推导出数学模型，实现变量协调预测控制。液相物料在每层塔板中具有滞留时间，并且其温度变化具有滞后，塔及回流罐的液位也滞后，因此在构建模型时要考虑滞后因素。
3先进控制的实施
3.1先进控制的运行环境和系统组成
ABB的DCS提供了一种控制语言（TCL），它具有强大的处理能力并具有备份功能，因此先进的控制软件可在DCS系统上运行。为了使该先进控制的使用灵活、可靠，并保持原常规控制器可用，先进的控制器和原常规控制器采用串级形式（即先进控制器的输出是常规控制器的给定值），操作员可以使用操作环境中提供的选择开关在先控制和常规控制之间切换。整个先进的控制系统包括先进的控制器，数据处理，安全逻辑，软测量仪表，先进控制和常规的控制接口和操作界面六个部分。
3.2数据处理
数据处理包括数据的有效性检查及输入数据的预处理：
数据有效性检查首先确定输入数据是否为真，即仪表发送的信号是否为假数据。这可以通过检查DCS数据质量判断来完成（例如，当仪表断开时，数据质量显示“坏”值）。其次，判断输入数据是否在有效范围内，即在工艺人员给出的上限和下限内。再次判断数据的变化率是否超过给定值。如软仪表的计算值等变化率过大则认为该数据无效。由于现场仪器数据中的噪声，必须先对其进行处理，然后才能用于计算或先进控制器。DCS提供的软件功能块用于计算输入数据的移动平均值，并结合一阶滤波消除噪声以获得可用的有效信号。DCS中的一阶滤波算法为：
其中：T-该回路的处理速率，一般为1秒；L-滞后时间，单位为分钟；Input-输入数据；Pre-前一时刻的输出值，即Result（n-1）。
由此可见，选择适当的L值可以消除信号中的噪声
3.3输出结果校验
3.3.1软仪表输出结果校验
利用在线分析仪表的实测值与软仪表计算值的偏差进行校正。当前实测值为AI（k），软仪表计算值为x（k），则纯度的校正计算公式为：
x（k）=x（k-1）+α×[AI（k）-x（k-1）]
其中：α-纯度校正系数，该值可根据实际情况改变。
3.3.2控制输出结果校验
为了使操作平稳和安全，预测控制器的输出应限制在操作员给出的范围内。这需要限制输出的上限和下限，当输出超出该限定范围时，取限定值作为输出值。同时，有必要检查输出的变化率，当变化过快时，取变化率的限定值作输出。对输出结果的整定可表述为：
4结束语
乙烯精馏塔先进控制从连续投用的效果看，改善了乙烯精馏塔的先进控制，提高了精馏塔的运行稳定性和乙烯收率。该技术可进一步应用于乙烯装置的其他蒸馏塔，如果推广到国内其它同类装置，将会取得更大的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]郭林，等.复杂控制中设定点跟踪功能的实现基础自动化，1998
[2]高峰，等.乙烯裂解炉先进控制系统开发与应用抚顺石油学院学报，1999
作者简介
闫佳宁（1989—），男，在大庆石化公司化工一厂从事操作工作，化工工程与工艺专业。