仪征化纤PTA装置溶剂脱水塔先进控制解决方案

1. 服务对象

仪征化纤股份有限公司PTA装置溶剂脱水塔

2. 工艺简介

APC-Adcon

PTA装置是将原料对二甲苯（PX）、溶剂醋酸（HAc）、催化剂醋酸钴和醋酸锰（Co-Mn）、助催化剂或称促进剂溴化氢（HBr）以及空气连续送入氧化反应器，反应在一定压力和温度的条件下，经过一步氧化生成粗对苯二甲酸（CTA），然后经过结晶、催化加氢除去4-CBA等杂质，得到纯度99.9%以上的精制对苯二甲酸（PTA）。因此PTA装置分氧化和精制两个单元。其中，溶剂脱水塔是氧化单元的一个重要组成部分。图1是PTA装置溶剂脱水塔流程示意图。
　

图1 PTA装置溶剂脱水塔示意图



3. 原操作情况及存在问题

PTA装置产量由25万吨/年扩容到32.5万吨/年，改造后的溶剂脱水塔T-403的负荷增加到原来的130%，塔内压力和温度有所下降。在2000年下半年，该塔脱水后溶剂中水含量控制在6%到8%之间，塔顶含醋酸量的平均值在3.0%以上，远远超过设计指标。当时常规控制存在的主要问题是：塔的操作弹性较小；在高负荷情况下塔的分离效果达不到原设计指标，即塔顶醋酸含量在0.8%以下。在常规控制调节下，回流量超过42吨，就很容易产生液泛情况。2001年上半年，塔的填料和筛板构造经过了改造，仪表也重新进行了调校。塔釜压力进一步降低，整个塔段的压差由原先的20kpa左右下降到10kpa左右，此时即使回流量的显示值稳定在38500kg/hr时，塔的操作运行就处在液泛的边缘。

由于精馏过程具有滞后大、动态响应慢、非线性严重、控制回路关联性强等特点，操作难度很大。常规控制靠人工调整塔釜温度或回流量的设定值，甚至直接调节阀位的开度，这些都是间断性的而且执行起来具有随机性。控制系统的运行好坏因操作人员的技术水平、习惯和错觉而异，装置的性能也因尽量不干预而处于漂移之中。虽然可能在较短时间内可以较平稳的运行，但是未能达到较优化的操作区域，这对于减少醋酸损耗稳定塔釜水浓度等都是不利的。


4. 控制目标

溶剂脱水塔先进控制系统采用多变量预测控制实现以下目标：在2000年上半年，在塔还有一定的操作裕度时，将常规PID无法实现控制的大滞后大惯性的塔顶电导率进行直接控制；通过设定塔顶电导率的设定值，就可以平稳搜索到当前负荷工况下，塔顶酸含量最小化的极限，及这时所需要的回流量；使塔底温度克服各种干扰因素的影响，控制得更加平稳，使先控可以在较高的回流量上平稳运行，这样长期运行可以在总体上降低塔顶酸含量。在2001年，在塔经常运行在液泛的边缘时，实现常规PID无法实现的自动控制，尽量保证塔不进入液泛的工况，从而在总体上降低塔顶酸含量，并同时降低操作人员的劳动强度。

5. 先进控制方案

溶剂脱水塔过程先进控制系统项目的第一步是通过合理有效的实验设计和实验测试，得到真实有效的实测数据，再利用APC-Adcon预测控制软件包中的辨识软件包HIDENT进行数据处理并辨识得到对象的脉冲响应矩阵形式的数学模型。

在实验测试的基础上，可以辨识得到溶剂脱水塔系统先进控制APC-Adcon多变量预测控制器的各I/O变量之间相互关系的数学模型，为后面的控制器进一步设计提供可靠的基础。

根据辨识出的数学模型建立APC-Adcon预测控制软件包所需的内部模型，并根据实际工艺特点和要求选取合理的参考轨迹、调节变量约束、被控变量约束、控制结构以得到APC-Adcon预测控制器。首先应用此控制器控制与内部模型相同的仿真对象进行仿真分析和研究；然后应用此控制器控制与内部模型存在一定差异的仿真对象（模型不匹配情形）进行仿真分析和研究，以检验控制系统的抗不确定和干扰能力，接着把所设计的控制系统引入Honeywell TDC3000集散控制系统进行实时仿真研究和分析。

6. 先进控制系统软硬件连接

为了使先进控制系统应用于TDC3000系统，必须提供现有TDC3000 LCN网络和先进控制系统之间的数据通道。原TDC3000系统已配置PCNM数据服务器，从系统的可扩充性、数据通信效率等方面综合考虑，采用PCNM 通信方式可完全满足先进控制系统的要求。Honeywell PCNM是基于Windows NT的文件与数据服务器，能以设定的周期与LCN网络交换数据。先进控制操作站与PCNM数据服务器之间的通信通过以太网实现。APC-Adcon先进控制软件具有DDE接口，可与DDE服务器直接交换数据。


7. 先进控制系统实施步骤

现场调查研究、系统方案设计；

现场第一次实验测试、过程模型建立；

现场第二次实验测试、过程模型检验和控制器设计；

控制系统集成；

先进控制系统培训；

现场第一次调试投运；

现场第二次调试投运；

系统正式运行；

系统重新投运；

塔的再沸器蒸汽流量问题的研究；

系统重新调整运行；

系统维护；

系统运行。


8. 先进控制效果

溶剂脱水塔(简称T-403塔)的先进控制系统的工作主要分2000年的系统设计、调试、运行和2001年的系统维护、调整及运行。

T-403塔的先进控制系统自2000年8月调试完毕后，9月该厂实施人员对控制参数和工艺参数进一步调优，并对每个操作班组进行了培训,使操作人员学会了操作和参数调整。10月操作人员开始自觉投运该系统,，从2000年10月至2000年12月三个月系统基本连续运行。但是由于氧化干燥机每周需要定期作业，所以该系统每周也切停一次。 针对此种情况，我们于2000年11月20日在DCS中编制了一个监督程序来统计累计运行时间和监督程序运行情况，这样使程序更加完善。

2001年上半年，T-403塔由于工艺状况发生较大的改变及仪表调整的原因，先进控制系统暂时停止运行了一段时间。从2001年5月开始到10月，先进控制系统经过了多次调整、投运和再调整的过程。其中实现了塔釜温度和塔釜压力的温压补偿和某些操作经验的专家规则控制。由于塔的压差、温度和液位极不稳定，很难实现常规的塔釜温度和蒸汽流量的串级，操作人员更愿意投运先进控制系统，由先控来克服各种干扰因素的影响。在先进控制系统投运时，初步稳定了塔釜温度，降低了塔釜水含量的波动。图2和图3分别是脱烷烃塔先进控制系统投运前后的控制效果。


图2 投运前控制效果



图3 投运后控制效果



9. 经济效益及社会效益分析

PTA生产装置溶剂脱水塔先进控制系统投运以来，取得了显著的经济效益，年创利 46.8 万元，主要由直接经济效益和间接经济效益两部分组成。

一、直接经济效益

在溶剂脱水塔先进控制系统运行下，溶剂脱水塔塔顶醋酸含量在130%满负荷下，由原来的平均值3.1%，降低到2.6%。由物料衡算得到的塔顶采出量在13t/hr，则一年可以减少醋酸损耗为：

13t/hr * 0.5% * 7200hr = 468t

产生经济效益：

468t * 0.1万元/t = 46.8 万元

二、间接经济效益

保证装置的“安稳长满优”生产。




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