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25萬噸/年擴(kuò)容到32.5萬噸/年，改造后的溶劑脫水塔T-403的負(fù)荷增加到原來的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??；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)行起來具有隨機(jī)性。控制系統(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)測試，得到真實(shí)有效的實(shí)測數(shù)據(jù)，再利用APC-Adcon預(yù)測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)場調(diào)查研究、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；
現(xiàn)場第一次實(shí)驗(yàn)測試、過程模型建立；
現(xiàn)場第二次實(shí)驗(yàn)測試、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)場第一次調(diào)試投運(yùn)；
現(xiàn)場第二次調(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，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，年創(chuàng)利 46.8 萬元，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 * 0.1萬元/t = 46.8 萬元
二、間接經(jīng)濟(jì)效益
保證裝置的“安穩(wěn)長滿優(yōu)”生產(chǎn)。
AEG Digitale Backup Steuerung DBS 001 6390-042.211897
AEG Digitale Backup Steuerung DBS 001 6390-042.211897
AEG Digitale Backup Steuerung KPS-600/20-ESC DBS 001 6390-042.211897
AEG Modicon B827 AS-B827-032 24VDC b
AEG Modicon B875 -002 AS-B875-002 analog b 4-20mA
B500 Video Interface A500 Modicon VCU851 239035
B500 Memory Interface A500 KPS-600/20-ESC Modicon MEA842 233499
B500 Video Prozessor A500 Modicon VPU852 239668
AEG ADU116 Modicon ANALOG 16 INPUT 277508.05 11bit
AEG DAP112 Modicon output 32 24VDC 233442.75
AEG DKV023 Modicon PEAB coupl. KPS-600/20-ESC transmitter 192997
AEG MBB Gelmo Panel STSD102 TAS 357G-20-GC
AEG MBB Gelmo Panel STSD102 TAS 357G-20-GC
AEG MBB Gelmo Panel STSD102 TAS 357G-20-GC
AEG Modicon A020 020 Extension 110/220V 200594.09
AEG Logistat A020 020 SPS KPS-600/20-ESC 110/220V 200568.08
AEG Logistat A020 020 SPS 24V 200596.08
AEG Logistat A020 020 Extension 24V 200593.06
AEG Servoregler AC Servo Thyro-A 2A 400-130 H
AEG Thyristorsbler Thyro-S S400-30H 763-724-11.21
AEG Thyristorsbler KPS-600/20-ESC Thyro-S S400-30H 763-724-11.21
AEG Thyristorsbler Thyro-S S400-30H 763-724-11.21
AEG Thyristorsbler Thyro-S S400-30H 763-724-11.21
AEG ALU 201 Modicon CPU 12k 6728-042.244694 ALU201
AEG A500 Modicon Power Supply DNP025 199809 220VAC
