CN101590331A - 乙烯精馏塔灵敏板温度控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一类乙烯装置中乙烯精馏塔系统及其控制方法。本发明结合乙烯精馏生产过程的工艺操作特点，综合应用化学工程和自动控制科学中的最新技术，采用非线性控制理论设计了灵敏板温度控制系统及其控制方法，通过添加了温度均衡控制回路对2个再沸器出口物料的温度偏差进行均衡控制、在线调节进入两个再沸器的加热介质流量和负荷分配比例，确保乙烯精馏塔塔内气相和液相负荷的平稳，稳定控制灵敏板温度和出口物料温度，克服加热介质的温度和压力变化引起的外部扰动，为整个精馏塔的稳定操作和产品质量的“卡边”操作奠定坚实的基础，充分发挥乙烯装置中DCS和操作设备的潜力，有效地利用原料和能源。

Description

乙烯精馏塔灵敏板温度控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一类乙烯装置中乙烯精馏塔系统及其控制方法，特别是带有双再沸器的乙烯精馏塔灵敏板温度均衡调节系统及其控制方法。

背景技术

在乙烯生产过程中，乙烯精馏塔是生产装置的重要设备，它操作平稳与否，不仅影响整个乙烯精馏塔的产品质量和产量，而且还将直接影响下游生产装置(如聚乙烯、醋酸、乙二醇、聚氯乙烯等装置)的平稳操作。

目前国内所有乙烯装置都采用集散控制系统(Distributed ControlSystems，DCS)的基本控制功能对生产过程进行监控，这些基础控制系统保障了乙烯精馏塔的安全运行，但是由于塔釜再沸器加热量不能有效控制，塔内的气相和液相负荷波动大，作为塔釜组分含量标志的灵敏板温度波动较大，极大的影响了乙烯精馏塔的稳定操作。

乙烯精馏塔是一个很复杂的精密精馏过程；此系统的工艺操作和自动控制难度较大，其平稳控制一直是国内外乙烯生产过程有待解决的难题之一，尤其是对于具有2个再沸器的精馏塔，由于2个再沸器特性不完全一致，致使二者的加热负荷很难匹配和控制，灵敏板温度波动较大，严重影响了精馏塔的稳定运行，这也成为精馏塔稳定控制的难点。

发明内容

为克服具有常规控制器控制双再沸器的乙烯精馏塔中存在的难以稳定运行的缺点，本发明基于现有的DCS系统采用非线性控制理论设计了灵敏板温度控制系统及其控制方法，通过添加了温度均衡控制回路在线调节进入两个再沸器的加热介质流量和负荷分配比例，稳定控制灵敏板温度和出口物料温度，克服加热介质的温度和压力变化引起的外部扰动。

一种乙烯精馏塔灵敏板温度控制系统，包括一灵敏板温度控制器、再沸器1流量控制回路、再沸器2流量控制回路、一个精馏塔对象，灵敏板温度控制器根据输入的灵敏板温度设定值和精馏塔对象灵敏板温度测量值，计算出流量设定值输出，输出端连接至1个再沸器流量控制回路输入端和一个加热负荷比例计算模块，两个再沸器流量控制回路并联于灵敏板温度控制器和精馏塔对象之间，两控制回路输出端连接精馏塔对象输入端，精馏塔对象通过两控制回路输入的流量设定值控制各自的加热介质流量，为精馏塔塔釜再沸器提供热源，精馏塔对象通过对灵敏板温度测量输出灵敏板温度，输出端连接到灵敏板控制器反馈输入端，其特征在于：灵敏板温度控制器输出端同再沸器2控制回路输入端之间串联负荷分配控制回路，输出到复合控制器(作为再沸器2的流量设定1)；两再沸器出口温度测量值输出至温度均衡控制回路作为输入端，该温度均衡控制回路输出到复合控制器(作为再沸器2的流量设定2)；复合控制器输出端连接到再沸器2流量控制回路输入端。

所述温度均衡控制回路由温度偏差计算模块、加热负荷比例控制器、复合控制器和温度均衡控制器组成，温度偏差计算模块根据输入的再沸器对象1和再沸器对象2的温度测量值计算得两个再沸器的温度差输出，输出端连接至温度均衡控制器的反馈输入端，温度均衡控制器根据反馈输入的温度差和温度偏差设定值计算出再沸器2的流量设定值，输出至复合控制器；加热负荷比例控制器根据灵敏板温度控制器输出的再沸器1的流量设定值和两再沸器加热负荷比例设定值，进行计算输出再沸器2的流量设定值，输出端连接至复合控制器的输入端；复合控制器根据加热负荷比例控制器及温度均衡控制器的输出计算出最终再沸器2的流量设定值进行输出，输出端连接至再沸器2流量控制回路的输入端。

所述温度均衡控制器是以温度偏差设定值为目标、两个再沸器出口物料的温度差作为控制器的反馈输入，通过比例-积分-微分运算，计算出再沸器2的流量设定值。

所述复合控制器为一个非线性增量控制器，根据加热负荷比例控制器的输出和温度均衡控制器的输出，进行增量递加运算，输出量经过工程单位转换后，得到再沸器2流量控制器的流量设定值。

所述温度均衡控制回路还包括一加热负荷比例计算模块，串联于灵敏板温度控制器输出端和加热负荷比例控制器输入端之间，复合控制器输出端是该加热负荷比例计算模块的另一输入端，该加热负荷比例计算模块根据输入进行计算并显示当前负荷的实际比例。

所述再沸器流量控制回路由再沸器流量控制器、调节阀和流量对象连接而成，加热介质流量值由流量计测量得到，作为反馈输入连接至再沸器控制器输入端。

所述精馏塔对象通过对灵敏板温度测量后，还通过一灵敏板温度的压力校正模块对温度测量值进行校正，校正后的测量值作为输入反馈到该模块输入为精馏塔对象测量仪表所得灵敏板温度和精馏塔压力，通过非线性校正，得到校正后灵敏板温度输出，输出端连接至灵敏板控制器反馈输入端。

所述压力校正模块采用的为非线性校正，其数学表达式为T′＝F(T，P，P₀)＝T+a₀×(P-P₀)+a₁×(P-P₀)²+....；其中，P₀为校正的基准压力，由稳态模拟获得；P为精馏塔操作压力；T为灵敏板温度测量值；T’为校正后的灵敏板温度；a₀、a₁根据基准电压P₀和对应的基准温度，利用最小二乘算法，拟合出校正系数a₀和a₁。

所述灵敏板温度控制器和再沸器流量控制器采用串级、自动或手动控制模式，温度均衡控制器和加热复负荷比例控制器采用自动或手动控制模式，复合控制器采用串级控制模式。

所述系统基于DCS系统的现有模块开发。

一种乙烯装置中乙烯精馏塔控制方法，基于权利要求1所述系统进行控制，其特征在于：该方法包括以下步骤：

①当精馏塔压力发生变化时，压力校正模块对精馏塔的灵敏板温度进行非线性在线校正；

②灵敏板温度控制器采用压力校正后的灵敏板温度作为反馈输入，设定再沸器1的流量设定值；

③选择2个再沸器被加热物料的温度偏差作为反馈值，作为温度均衡控制器的输入；

④再沸器加热负荷比例控制器和温度均衡控制器通过复合控制器联合作用，调整再沸器2的流量设定值；

⑤重复步骤②、③、④直至两个再沸器加热量相匹配。

本发明的有益效果是：

结合乙烯精馏生产过程的工艺操作特点，综合应用化学工程和自动控制科学中的最新技术，通过温度均衡控制回路和加热负荷比例分配控制回路对塔釜再沸器加热量进行有效调节，控制灵敏板温度，对2个再沸器出口物料的温度偏差进行均衡控制，确保乙烯精馏塔塔内气相和液相负荷的平稳，为整个精馏塔的稳定操作和产品质量的“卡边”操作奠定坚实的基础，充分发挥乙烯装置中DCS和操作设备的潜力，有效地利用原料和能源。

附图说明

图1是灵敏板温度非线性在线校正环节示意图。

图2是灵敏板温度控制方法系统结构图。

图3是乙烯精馏塔流程的组态图。

附图符号说明

图1中，P0为校正的基准压力；P为精馏塔实际操作压力；T为灵敏板温度测量值；校正函数F(·)为非线性函数，其形式为T’＝F(T，P，P0)＝T+a0×(P-P0)+a1×(P-P0)²+…；T’为校正后的灵敏板温度。

图2为该控制方法实现的控制流程图，图中“流量对象1”和“流量对象2”分别指2个再沸器的加热介质的流量特征函数；“再沸器对象1”和“再沸器对象2”分别指两个再沸器传热特征函数；“精馏塔对象”是指与灵敏板温度控制特征相关的精馏塔特征模型。

图3中，PDI表示塔顶与塔釜的压力差；TU399为塔顶温度；EA401A/B为塔顶冷凝器；EA/B为精馏塔的中沸器；EA400A/B为精馏塔的2个底沸器；TU1/2为底沸器加热后物料的温度；TI为灵敏板温度测量值；PI为塔釜压力测量值；TU为进入底沸器物料的温度；FC或FIC为流量控制器简称；TC为温度控制器简称；LC为液位控制器简称；GA400A/B/C为物料由回流罐返回塔内时的泵；FA00为乙烯压缩机二段吸入罐，FA01为乙烯冷剂用户；EA/B为精馏塔的2个中沸器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本实施例的基于DCS系统的乙烯精馏塔灵敏板温度控制系统如图2所示，包括一灵敏板温度控制器、再沸器1流量控制回路、再沸器2流量控制回路、一个精馏塔对象，灵敏板控制器输出端连接至两个再沸器流量控制回路输入端，两个再沸器流量控制回路并联于灵敏板控制器和精馏塔对象之间，两控制回路输出端连接精馏塔对象输入端，精馏塔对象通过两控制回路输入的流量设定值控制各自的加热介质流量，为精馏塔塔釜再沸器提供热源，精馏塔对象通过对灵敏板温度测量输出灵敏板温度，输出端连接到灵敏板控制器反馈输入端。灵敏板温度控制器输出端同再沸器2控制回路输入端之间串联一个温度均衡控制回路，且两再沸器控制回路输出各自测量温度到该温度均衡控制回路作为输入端，该温度均衡控制回路输出端连接到再沸器2流量控制回路输入端。

其中，温度均衡控制回路由温度偏差计算模块、加热负荷比例控制器、复合控制器和温度均衡控制器组成，再沸器1、再沸器2的温度测量输入端连接至温度偏差计算模块的输入端，温度偏差计算模块输出端连接至温度均衡控制器的反馈输入端，温度均衡控制器输出端连接至复合控制器输入端；灵敏板温度控制器的输出端和两个再沸器加热负荷比例设定值输出端连接加热负荷比例控制器加热段，加热负荷比例控制器输出端连接至复合控制器的输入端；复合控制器根据加热负荷比例控制器及温度均衡控制器的输出计算出最终再沸器2的流量设定值进行输出，输出端连接至再沸器2流量控制回路的输入端。

本实施例中，控制系统应用于2个再沸器的乙烯精馏塔，具体控制方法包括以下步骤：

①当精馏塔压力发生变化时，对灵敏板温度进行非线性在线校正：如图1所示的灵敏板温度的压力校正模块，首先建立乙烯精馏塔的模型，获得灵敏板温度T与塔釜乙烯浓度对应关系，然后改变操作压力值P，得到操作参数集合，用非线性拟合方法，基于公式T′＝F(T，P，P₀)＝T+a₀×(P-P₀)+a₁×(P-P₀)²+....，拟合出基准压力P₀和校正系数a₀、a₁等，获得上述参数后，进行DCS系统的AM或HPM模块编程，校正和计算操作将在DCS系统中实现；

②采用压力校正后的灵敏板温度作为灵敏板温度控制器的反馈输入，该控制器采用DCS提供的PID算法，如图2所示，输出用来设定再沸器1流量控制器的流量设定值(SP)，控制模式有3种，分别是：当灵敏板温度设定值由上级控制器给定时控制器是串级控制模式，当温度设定值由操作员直接设定时控制器是自动控制模式，当温度设定值直接跟踪反馈输入值时控制器是手动控制模式；

③再沸器流量控制器1采用DCS提供的PID算法，加热介质流量测量值作为PV输入，设定值由灵敏板温度控制器给定，输出到对应的流量控制阀，该控制器的控制模式有3种，分别是：当流量设定值由上级灵敏板温度控制器给定时控制器是串级控制模式，当流量设定值由操作员直接设定时控制器是自动控制模式，当流量设定值直接跟踪反馈输入值时控制器是手动控制模式；

④如图2所示的温度均衡控制器采用DCS自带的PID算法，反馈输入为一再沸器和另一再沸器的出口温度偏差，温度偏差设定值由操作人员给定，输出到复合控制器的一端，控制模式有2种，分别是：当设定值由操作员直接设定时控制器是自动控制模式，当设定值直接跟踪反馈输入时控制器是手动控制模式；

⑤如图2所示的加热负荷比例控制器采用DCS提供的比值控制算法，设定值为两个再沸器的加热负荷的百分比，由操作人员设定，不可控输入为再沸器1流量控制器的流量设定值，输出作为复合控制器的第2路输入，控制模式有2种，分别为：当负荷比例设定值由操作员直接设定时控制器是自动控制模式，当负荷比例设定值直接跟踪反馈输入值时控制器是手动控制模式；

⑥如图2采用的复合控制器采用DCS系统提供的增量控制算法，对来自温度均衡控制器和加热复合比例控制器的2路输入信号进行增量加运算，输出用来设定再沸器2流量控制器的设定值控制模式为串级，即控制器输出信号由2个输入信号经控制器运算后得到；

⑦再沸器2流量控制器采用DCS提供的PID算法，加热介质流量测量值作为PV输入，设定值由复合控制器给定，输出到对应的流量控制阀，控制模式有3种，分别是：当流量设定值由上级灵敏板温度控制器给定时控制器是串级控制模式，当流量设定值由操作员直接设定时控制器是自动控制模式，当流量设定值直接跟踪反馈输入值时控制器是手动控制模式；

⑧重复步骤②～⑦直至灵敏板温度平稳、再沸器加热量相匹配。

如图2所示的控制模块，全部在DCS系统的AM或HPM上实现控制语言的编制、控制逻辑的编制和控制回路的组态和内部连接，按图2的控制框图搭建控制模块，测量模块是现场实时输入的测量信号，控制阀是现场具有的调节设备。图3为本实施例采用的控制系统在现场乙烯精馏塔中的控制组态图。

控制系统构建完成后，需进行工业现场对象操作特性测试、控制系统的工业装置实际投运和动态过程补偿等环节的参数调试，最终实现灵敏板温度稳定控制和温度偏差均衡控制，灵敏板温度波动幅度小于±1.5℃；温度均衡控制保证2个再沸器温度偏差波动范围小于±2℃。

综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (11)

1、一种乙烯精馏塔灵敏板温度控制系统，包括一灵敏板温度控制器、再沸器1流量控制回路、再沸器2流量控制回路、一个精馏塔对象，灵敏板温度控制器根据输入的灵敏板温度设定值和精馏塔对象灵敏板温度测量值，计算出流量设定值输出，输出端连接至1个再沸器流量控制回路输入端和一个加热负荷比例计算模块，两个再沸器流量控制回路并联于灵敏板温度控制器和精馏塔对象之间，两控制回路输出端连接精馏塔对象输入端，精馏塔对象通过两控制回路输入的流量设定值控制各自的加热介质流量，为精馏塔塔釜再沸器提供热源，精馏塔对象通过对灵敏板温度测量输出灵敏板温度，输出端连接到灵敏板控制器反馈输入端，其特征在于：灵敏板温度控制器输出端同再沸器2控制回路输入端之间串联负荷分配控制回路，输出到复合控制器(作为再沸器2的流量设定1)；两再沸器出口温度测量值输出至温度均衡控制回路作为输入端，该温度均衡控制回路输出到复合控制器(作为再沸器2的流量设定2)；复合控制器输出端连接到再沸器2流量控制回路输入端。

2、根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述温度均衡控制回路由温度偏差计算模块、加热负荷比例控制器、复合控制器和温度均衡控制器组成，温度偏差计算模块根据输入的再沸器对象1和再沸器对象2的温度测量值计算得两个再沸器的温度差输出，输出端连接至温度均衡控制器的反馈输入端，温度均衡控制器根据反馈输入的温度差和温度偏差设定值计算出再沸器2的流量设定值，输出至复合控制器；加热负荷比例控制器根据灵敏板温度控制器输出的再沸器1的流量设定值和两再沸器加热负荷比例设定值，进行计算输出再沸器2的流量设定值，输出端连接至复合控制器的输入端；复合控制器根据加热负荷比例控制器及温度均衡控制器的输出计算出最终再沸器2的流量设定值进行输出，输出端连接至再沸器2流量控制回路的输入端。

3、根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于：所述温度均衡控制器是以温度偏差设定值为目标、两个再沸器出口物料的温度差作为控制器的反馈输入，通过比例-积分-微分运算，计算出再沸器2的流量设定值。

4、根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于：所述复合控制器为一个非线性增量控制器，根据加热负荷比例控制器的输出和温度均衡控制器的输出，进行增量递加运算，输出量经过工程单位转换后，得到再沸器2流量控制器的流量设定值。

5、根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于：所述温度均衡控制回路还包括一加热负荷比例计算模块，串联于灵敏板温度控制器输出端和加热负荷比例控制器输入端之间，复合控制器输出端是该加热负荷比例计算模块的另一输入端，该加热负荷比例计算模块根据输入进行计算并显示当前负荷的实际比例。

6、根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述再沸器流量控制回路由再沸器流量控制器、调节阀和流量对象连接而成，加热介质流量值由流量计测量得到，作为反馈输入连接至再沸器控制器输入端。

7、根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述精馏塔对象通过对灵敏板温度测量后，还通过一灵敏板温度的压力校正模块对温度测量值进行校正，校正后的测量值作为输入反馈到该模块输入为精馏塔对象测量仪表所得灵敏板温度和精馏塔压力，通过非线性校正，得到校正后灵敏板温度输出，输出端连接至灵敏板控制器反馈输入端。

8、根据权利要求所述的控制系统，其特征在于：所述压力校正模块采用的为非线性校正，其数学表达式为T′＝F(T，P，P₀)＝T+a₀×(P-P₀)+a₁×(P-P₀)²+....；其中，P₀为校正的基准压力，由稳态模拟获得；P为精馏塔操作压力；T为灵敏板温度测量值；T’为校正后的灵敏板温度；a₀、a₁根据基准电压P₀和对应的基准温度，利用最小二乘算法，拟合出校正系数a₀和a₁。

9、根据权利要求1至8中的任一所述的控制系统，其特征在于：所述灵敏板温度控制器和再沸器流量控制器采用串级、自动或手动控制模式，温度均衡控制器和加热复负荷比例控制器采用自动或手动控制模式，复合控制器采用串级控制模式。

10、根据权利要求1至8中的任一所述的控制系统，其特征在于：基于DCS系统的现有模块开发。

11、一种乙烯装置中乙烯精馏塔控制方法，基于权利要求1所述系统进行控制，其特征在于：该方法包括以下步骤：

①当精馏塔压力发生变化时，压力校正模块对精馏塔的灵敏板温度进行非线性在线校正；

②灵敏板温度控制器采用压力校正后的灵敏板温度作为反馈输入，设定再沸器1的流量设定值；

③选择2个再沸器被加热物料的温度偏差作为反馈值，作为温度均衡控制器的输入；

④再沸器加热负荷比例控制器和温度均衡控制器通过复合控制器联合作用，调整再沸器2的流量设定值；

⑤重复步骤②、③、④直至两个再沸器加热量相匹配。

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