儀征化纖PTA裝置溶劑脫水塔先進控制解決方案

1. 服務對象

儀征化纖股份有限公司PTA裝置溶劑脫水塔

2. 工藝簡介

APC-Adcon

PTA裝置是將原料對二甲苯（PX）、溶劑醋酸（HAc）、催化劑醋酸鈷和醋酸錳（Co-Mn）、助催化劑或稱促進劑溴化氫（HBr）以及空氣連續送入氧化反應器，反應在一定壓力和溫度的條件下，經過一步氧化生成粗對苯二甲酸（CTA），然后經過結晶、催化加氫除去4-CBA等雜質，得到純度99.9%以上的精制對苯二甲酸（PTA）。因此PTA裝置分氧化和精制兩個單元。其中，溶劑脫水塔是氧化單元的一個重要組成部分。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裝置產量由25萬噸/年擴容到32.5萬噸/年，改造后的溶劑脫水塔T-403的負荷增加到原來的130%，塔內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，遠遠超過設計指標。當時常規控制存在的主要問題是：塔的操作彈性較小；在高負荷情況下塔的分離效果達不到原設計指標，即塔頂醋酸含量在0.8%以下。在常規控制調節下，回流量超過42噸，就很容易產生液泛情況。2001年上半年，塔的填料和篩板構造經過了改造，儀表也重新進行了調校。塔釜壓力進一步降低，整個塔段的壓差由原先的20kpa左右下降到10kpa左右，此時即使回流量的顯示值穩定在38500kg/hr時，塔的操作運行就處在液泛的邊緣。

由于精餾過程具有滯后大、動態響應慢、非線性嚴重、控制回路關聯性強等特點，操作難度很大。常規控制靠人工調整塔釜溫度或回流量的設定值，甚至直接調節閥位的開度，這些都是間斷性的而且執行起來具有隨機性。控制系統的運行好壞因操作人員的技術水平、習慣和錯覺而異，裝置的性能也因盡量不干預而處于漂移之中。雖然可能在較短時間內可以較平穩的運行，但是未能達到較優化的操作區域，這對于減少醋酸損耗穩定塔釜水濃度等都是不利的。


4. 控制目標

溶劑脫水塔先進控制系統采用多變量預測控制實現以下目標：在2000年上半年，在塔還有一定的操作裕度時，將常規PID無法實現控制的大滯后大慣性的塔頂電導率進行直接控制；通過設定塔頂電導率的設定值，就可以平穩搜索到當前負荷工況下，塔頂酸含量最小化的極限，及這時所需要的回流量；使塔底溫度克服各種干擾因素的影響，控制得更加平穩，使先控可以在較高的回流量上平穩運行，這樣長期運行可以在總體上降低塔頂酸含量。在2001年，在塔經常運行在液泛的邊緣時，實現常規PID無法實現的自動控制，盡量保證塔不進入液泛的工況，從而在總體上降低塔頂酸含量，并同時降低操作人員的勞動強度。

5. 先進控制方案

溶劑脫水塔過程先進控制系統項目的第一步是通過合理有效的實驗設計和實驗測試，得到真實有效的實測數據，再利用APC-Adcon預測控制軟件包中的辨識軟件包HIDENT進行數據處理并辨識得到對象的脈沖響應矩陣形式的數學模型。

在實驗測試的基礎上，可以辨識得到溶劑脫水塔系統先進控制APC-Adcon多變量預測控制器的各I/O變量之間相互關系的數學模型，為后面的控制器進一步設計提供可靠的基礎。

根據辨識出的數學模型建立APC-Adcon預測控制軟件包所需的內部模型，并根據實際工藝特點和要求選取合理的參考軌跡、調節變量約束、被控變量約束、控制結構以得到APC-Adcon預測控制器。首先應用此控制器控制與內部模型相同的仿真對象進行仿真分析和研究；然后應用此控制器控制與內部模型存在一定差異的仿真對象（模型不匹配情形）進行仿真分析和研究，以檢驗控制系統的抗不確定和干擾能力，接著把所設計的控制系統引入Honeywell TDC3000集散控制系統進行實時仿真研究和分析。

6. 先進控制系統軟硬件連接

為了使先進控制系統應用于TDC3000系統，必須提供現有TDC3000 LCN網絡和先進控制系統之間的數據通道。原TDC3000系統已配置PCNM數據服務器，從系統的可擴充性、數據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控制系統的要求。Honeywell PCNM是基于Windows NT的文件與數據服務器，能以設定的周期與LCN網絡交換數據。先進控制操作站與PCNM數據服務器之間的通信通過以太網實現。APC-Adcon先進控制軟件具有DDE接口，可與DDE服務器直接交換數據。


7. 先進控制系統實施步驟

現場調查研究、系統方案設計；

現場第一次實驗測試、過程模型建立；

現場第二次實驗測試、過程模型檢驗和控制器設計；

控制系統集成；

先進控制系統培訓；

現場第一次調試投運；

現場第二次調試投運；

系統正式運行；

系統重新投運；

塔的再沸器蒸汽流量問題的研究；

系統重新調整運行；

系統維護；

系統運行。


8. 先進控制效果

溶劑脫水塔(簡稱T-403塔)的先進控制系統的工作主要分2000年的系統設計、調試、運行和2001年的系統維護、調整及運行。

T-403塔的先進控制系統自2000年8月調試完畢后，9月該廠實施人員對控制參數和工藝參數進一步調優，并對每個操作班組進行了培訓,使操作人員學會了操作和參數調整。10月操作人員開始自覺投運該系統,，從2000年10月至2000年12月三個月系統基本連續運行。但是由于氧化干燥機每周需要定期作業，所以該系統每周也切停一次。 針對此種情況，我們于2000年11月20日在DCS中編制了一個監督程序來統計累計運行時間和監督程序運行情況，這樣使程序更加完善。

2001年上半年，T-403塔由于工藝狀況發生較大的改變及儀表調整的原因，先進控制系統暫時停止運行了一段時間。從2001年5月開始到10月，先進控制系統經過了多次調整、投運和再調整的過程。其中實現了塔釜溫度和塔釜壓力的溫壓補償和某些操作經驗的專家規則控制。由于塔的壓差、溫度和液位極不穩定，很難實現常規的塔釜溫度和蒸汽流量的串級，操作人員更愿意投運先進控制系統，由先控來克服各種干擾因素的影響。在先進控制系統投運時，初步穩定了塔釜溫度，降低了塔釜水含量的波動。圖2和圖3分別是脫烷烴塔先進控制系統投運前后的控制效果。


圖2 投運前控制效果



圖3 投運后控制效果



9. 經濟效益及社會效益分析

PTA生產裝置溶劑脫水塔先進控制系統投運以來，取得了顯著的經濟效益，年創利 46.8 萬元，主要由直接經濟效益和間接經濟效益兩部分組成。

一、直接經濟效益

在溶劑脫水塔先進控制系統運行下，溶劑脫水塔塔頂醋酸含量在130%滿負荷下，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

產生經濟效益：

468t * 0.1萬元/t = 46.8 萬元

二、間接經濟效益

保證裝置的“安穩長滿優”生產。




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