1. 服務(wù)對(duì)象
儀征化纖股份有限公司PTA裝置溶劑脫水塔項(xiàng)目
2. 工藝簡(jiǎn)介
APC-Adcon
PTA裝置是將原料對(duì)二甲苯（PX）、溶劑醋酸（HAc）、催化劑醋酸鈷和醋酸錳（Co-Mn）、助催化劑或稱促進(jìn)劑溴化氫（HBr）以及空氣連續(xù)送入氧化反應(yīng)器，反應(yīng)在一定壓力和溫度的條件下，經(jīng)過一步氧化生成粗對(duì)苯二甲酸（CTA），然后經(jīng)過結(jié)晶、催化加氫除去4-CBA等雜質(zhì)，得到純度99.9%以上的精制對(duì)苯二甲酸（PTA）。因此PTA裝置分氧化和精制兩個(gè)單元。其中，溶劑脫水塔是氧化單元的一個(gè)重要組成部分。圖1是PTA裝置溶劑
脫水塔流程示意圖。
圖1 PTA裝置溶劑脫水塔示意圖
3. 原操作情況及存在問題
PTA裝置產(chǎn)量由25萬(wàn)噸/年擴(kuò)容到32.5萬(wàn)噸/年，改造后的溶劑脫水塔T-403的負(fù)荷增加到原來(lái)的130%，塔內(nèi)壓力和溫度有所下降。在2000年下半年，該塔脫水后溶劑中水含量控制在6%到8%之間，塔頂含醋酸量的平均值在3.0%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)指標(biāo)。當(dāng)時(shí)常規(guī)控制存在的主要問題是：塔的操作彈性較小；在高負(fù)荷情況下塔的分離效果達(dá)不到原設(shè)計(jì)指標(biāo)，即塔頂醋酸含量在0.8%以下。在常規(guī)控制調(diào)節(jié)下，回流量超過42噸，就很容易產(chǎn)生液泛情況。2001年上半年，塔的填料和篩板構(gòu)造經(jīng)過了改造，儀表也重新進(jìn)行了調(diào)校。塔釜壓力進(jìn)一步降低，整個(gè)塔段的壓差由原先的20kpa左右下降到10kpa左右，此時(shí)即使回流量的顯示值穩(wěn)定在38500kg/hr時(shí)，塔的操作運(yùn)行就處在液泛的邊緣。
由于精餾過程具有滯后大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、非線性嚴(yán)重、控制回路關(guān)聯(lián)性強(qiáng)等特點(diǎn)，操作難度很大。常規(guī)控制靠人工調(diào)整塔釜溫度或回流量的設(shè)定值，甚至直接調(diào)節(jié)閥位的開度，這些都是間斷性的而且執(zhí)行起來(lái)具有隨機(jī)性?？刂葡到y(tǒng)的運(yùn)行好壞因操作人員的技術(shù)水平、習(xí)慣和錯(cuò)覺而異，裝置的性能也因盡量不干預(yù)而處于漂移之中。雖然可能在較短時(shí)間內(nèi)可以較平穩(wěn)的運(yùn)行，但是未能達(dá)到較優(yōu)化的操作區(qū)域，這對(duì)于減少醋酸損耗穩(wěn)定塔釜水濃度等都是不利的。
4. 控制目標(biāo)
溶劑脫水塔先進(jìn)控制系統(tǒng)采用多變量預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：在2000年上半年，在塔還有一定的操作裕度時(shí)，將常規(guī)PID無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制的大滯后大慣性的塔頂電導(dǎo)率進(jìn)行直接控制；通過設(shè)定塔頂電導(dǎo)率的設(shè)定值，就可以平穩(wěn)搜索到當(dāng)前負(fù)荷工況下，塔頂酸含量最小化的極限，及這時(shí)所需要的回流量；使塔底溫度克服各種干擾因素的影響，控制得更加平穩(wěn)，使先控可以在較高的回流量上平穩(wěn)運(yùn)行，這樣長(zhǎng)期運(yùn)行可以在總體上降低塔頂酸含量。在2001年，在塔經(jīng)常運(yùn)行在液泛的邊緣時(shí)，實(shí)現(xiàn)常規(guī)PID無(wú)法實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制，盡量保證塔不進(jìn)入液泛的工況，從而在總體上降低塔頂酸含量，并同時(shí)降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
5. 先進(jìn)控制方案
溶劑脫水塔過程先進(jìn)控制系統(tǒng)項(xiàng)目的第一步是通過合理有效的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到真實(shí)有效的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，再利用APC-Adcon預(yù)測(cè)控制軟件包中的辨識(shí)軟件包HIDENT進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并辨識(shí)得到對(duì)象的脈沖響應(yīng)矩陣形式的數(shù)學(xué)模型。
在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上，可以辨識(shí)得到溶劑脫水塔系統(tǒng)先進(jìn)控制APC-Adcon多變量預(yù)測(cè)控制器的各I/O變量之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，為后面的控制器進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)。
根據(jù)辨識(shí)出的數(shù)學(xué)模型建立APC-Adcon預(yù)測(cè)控制軟件包所需的內(nèi)部模型，并根據(jù)實(shí)際工藝特點(diǎn)和要求選取合理的參考軌跡、調(diào)節(jié)變量約束、被控變量約束、控制結(jié)構(gòu)以得到APC-Adcon預(yù)測(cè)控制器。首先應(yīng)用此控制器控制與內(nèi)部模型相同的仿真對(duì)象進(jìn)行仿真分析和研究；然后應(yīng)用此控制器控制與內(nèi)部模型存在一定差異的仿真對(duì)象（模型不匹配情形）進(jìn)行仿真分析和研究，以檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的抗不確定和干擾能力，接著把所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)引入Honeywell DCS集散控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真研究和分析。
6. 先進(jìn)控制系統(tǒng)軟硬件連接
為了使先進(jìn)控制系統(tǒng)應(yīng)用于DCS系統(tǒng)，必須提供現(xiàn)有DCS LCN網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通道。原DCS系統(tǒng)已配置PCNM數(shù)據(jù)服務(wù)器，從系統(tǒng)的可擴(kuò)充性、數(shù)據(jù)通信效率等方面綜合考慮，采用PCNM 通信方式可完全滿足先進(jìn)控制系統(tǒng)的要求。Honeywell PCNM是基于Windows NT的文件與數(shù)據(jù)服務(wù)器，能以設(shè)定的周期與LCN網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。先進(jìn)控制操作站與PCNM數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的通信通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。APC-Adcon先進(jìn)控制軟件具有DDE接口，可與DDE服務(wù)器直接交換數(shù)據(jù)。
7. 先進(jìn)控制系統(tǒng)實(shí)施步驟
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；
現(xiàn)場(chǎng)第一次實(shí)驗(yàn)測(cè)試、過程模型建立；
現(xiàn)場(chǎng)第二次實(shí)驗(yàn)測(cè)試、過程模型檢驗(yàn)和控制器設(shè)計(jì)；
先進(jìn)控制系統(tǒng)培訓(xùn)；
現(xiàn)場(chǎng)第一次調(diào)試投運(yùn)；
現(xiàn)場(chǎng)第二次調(diào)試投運(yùn)；
系統(tǒng)正式運(yùn)行；
系統(tǒng)重新投運(yùn)；
塔的再沸器蒸汽流量問題的研究；
系統(tǒng)重新調(diào)整運(yùn)行；
系統(tǒng)維護(hù)；
系統(tǒng)運(yùn)行。
8. 先進(jìn)控制效果
溶劑脫水塔(簡(jiǎn)稱T-403塔)的先進(jìn)控制系統(tǒng)的工作主要分2000年的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行和2001年的系統(tǒng)維護(hù)、調(diào)整及運(yùn)行。
T-403塔的先進(jìn)控制系統(tǒng)自2000年8月調(diào)試完畢后，9月該廠實(shí)施人員對(duì)控制參數(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)一步調(diào)優(yōu)，并對(duì)每個(gè)操作班組進(jìn)行了培訓(xùn),使操作人員學(xué)會(huì)了操作和參數(shù)調(diào)整。10月操作人員開始自覺投運(yùn)該系統(tǒng),，從2000年10月至2000年12月三個(gè)月系統(tǒng)基本連續(xù)運(yùn)行。但是由于氧化干燥機(jī)每周需要定期作業(yè)，所以該系統(tǒng)每周也切停一次。 針對(duì)此種情況，我們于2000年11月20日在DCS中編制了一個(gè)監(jiān)督程序來(lái)統(tǒng)計(jì)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和監(jiān)督程序運(yùn)行情況，這樣使程序更加完善。
2001年上半年，T-403塔由于工藝狀況發(fā)生較大的改變及儀表調(diào)整的原因，先進(jìn)控制系統(tǒng)暫時(shí)停止運(yùn)行了一段時(shí)間。從2001年5月開始到10月，先進(jìn)控制系統(tǒng)經(jīng)過了多次調(diào)整、投運(yùn)和再調(diào)整的過程。其中實(shí)現(xiàn)了塔釜溫度和塔釜壓力的溫壓補(bǔ)償和某些操作經(jīng)驗(yàn)的專家規(guī)則控制。由于塔的壓差、溫度和液位極不穩(wěn)定，很難實(shí)現(xiàn)常規(guī)的塔釜溫度和蒸汽流量的串級(jí)，操作人員更愿意投運(yùn)先進(jìn)控制系統(tǒng)，由先控來(lái)克服各種干擾因素的影響。在先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，初步穩(wěn)定了塔釜溫度，降低了塔釜水含量的波動(dòng)。圖2和圖3分別是脫烷烴塔先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)前后的控制效果。
圖2 投運(yùn)前控制效果
圖3 投運(yùn)后控制效果
9. 經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益分析
PTA生產(chǎn)裝置溶劑脫水塔先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，年創(chuàng)利 46.8 萬(wàn)元，主要由直接經(jīng)濟(jì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益兩部分組成。
一、直接經(jīng)濟(jì)效益
在溶劑脫水塔先進(jìn)控制系統(tǒng)運(yùn)行下，溶劑脫水塔塔頂醋酸含量在130%滿負(fù)荷下，由原來(lái)的平均值3.1%，降低到2.6%。由物料衡算得到的塔頂采出量在13t/hr，則一年可以減少醋酸損耗為：
13t/hr * 0.5% * 7200hr = 468t
產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益：
468t * 0.1萬(wàn)元/t = 46.8 萬(wàn)元
二、間接經(jīng)濟(jì)效益
保證裝置的“安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)”生產(chǎn)。
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