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    摘要：甲醇裝置包含著復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理分離過程，并且裝置的能耗較高；提升裝置自動(dòng)化水平、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗減排是裝置運(yùn)行中的重點(diǎn)工作，也是裝置提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的重要途徑。本文針對(duì)甲醇裝置精餾單元的工藝特點(diǎn)，采用高級(jí)多變量魯棒預(yù)測(cè)控制軟件APC-Adcon設(shè)計(jì)了集預(yù)測(cè)控制思想和現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)為一體的先進(jìn)控制器，工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明：先進(jìn)控制可明顯提高過程的平穩(wěn)性，可帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

    關(guān)鍵詞：先進(jìn)控制；預(yù)測(cè)控制；甲醇裝置；精餾過程

    1 引 言

    甲醇不僅是重要的有機(jī)化工原料，還是性能優(yōu)良的能源和車用燃料。生產(chǎn)甲醇的原料有煤、天然氣、焦炭、石油液態(tài)
烴（石腦油、減壓渣油）等。近年來，隨著國際原油價(jià)格的不斷上揚(yáng)，結(jié)合國內(nèi)的資源特點(diǎn)，以煤、天然氣為原料合成甲醇的工藝路線顯得越來越重要。近年來，甲醇生產(chǎn)裝置正朝著大型化、單系列、低壓法方向發(fā)展。面對(duì)日益嚴(yán)峻的節(jié)能、降耗、增效和減排形勢(shì)的挑戰(zhàn)，如何保證整個(gè)甲醇裝置在更高的水平上實(shí)現(xiàn)“安穩(wěn)長滿優(yōu)”運(yùn)行，直接關(guān)系到大型甲醇生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

    先進(jìn)控制技術(shù)是流程工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，通常在DCS、FCS等系統(tǒng)已有常規(guī)控制的基礎(chǔ)上，采用
多變量預(yù)測(cè)控制、智能軟測(cè)量等策略實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：提高復(fù)雜工業(yè)過程的控制品質(zhì)，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力和魯棒性，進(jìn)而提高企業(yè)的綜合效益和競爭力。目前，全球流程工業(yè)應(yīng)用的先進(jìn)控制系統(tǒng)已超過8000套，通過提高裝置操作穩(wěn)定性，優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)“卡邊”操作，可平均降低能耗和物耗2%以上，平均降低生產(chǎn)成本5%以上，項(xiàng)目投資回收期通常在6～10個(gè)月。因此，先進(jìn)控制已被視為一種投資少效益高的高新技術(shù)，是流程工業(yè)企業(yè)提升綜合自動(dòng)化水平，節(jié)能、降耗和減排，持續(xù)改善經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益的重要手段。

    本文以某大型甲醇裝置精餾單元為重點(diǎn)，介紹了甲醇裝置先進(jìn)控制整體解決方案及其工業(yè)應(yīng)用。工業(yè)應(yīng)用效果表明：
實(shí)施先進(jìn)控制和優(yōu)化操作是保證甲醇裝置平穩(wěn)運(yùn)行和節(jié)能降耗、增加經(jīng)濟(jì)效益的有效手段。

    2工藝流程描述合成甲醇通常包括4個(gè)步驟：（1）煤、焦炭或天然氣等含碳原料造合成氣；（2）合成氣凈化；（3）甲醇合成；（4）甲醇精餾。具體工藝流程因原料不同雖有差異，但是造氣、合成和精餾是其中重要的生產(chǎn)過程。

    某廠以天然氣為原料的10萬噸/年甲醇裝置，采用蒸汽轉(zhuǎn)化、低壓合成、三塔精餾生產(chǎn)工藝流程。原料天然氣經(jīng)過脫
硫、蒸汽轉(zhuǎn)化和甲醇低壓合成等工藝單元制備成粗甲醇后進(jìn)入甲醇精餾工藝單元。因合成得到的粗甲醇除含水外，還含有不同數(shù)量的多種雜質(zhì)，必須將這些雜質(zhì)除去，才能獲得符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求的甲醇產(chǎn)品。

    甲醇精餾單元就是同時(shí)并且多次的運(yùn)用汽化和部分冷凝的方法，以達(dá)到完全分離混和液中各組分的連續(xù)操作過程。本
裝置采用三塔精餾流程，在脫醚塔中除去粗甲醇中的溶解性氣體和低沸點(diǎn)雜質(zhì)，在加壓塔和常壓塔中除去水及重組分，從而得到精甲醇產(chǎn)品。圖1給出了甲醇精餾單元流程示意圖。

圖1 甲醇精餾單元流程示意圖

    本裝置已采用集散控制系統(tǒng)，并對(duì)多數(shù)控制回路采用PID控制，對(duì)工藝設(shè)備和生產(chǎn)過程的各種參數(shù)（如：溫度、壓力、流量、液位等）分別加以控制，構(gòu)成一個(gè)個(gè)相互獨(dú)立的控制回路。在實(shí)際運(yùn)行中，這些控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)層監(jiān)控作用，為生產(chǎn)裝置平穩(wěn)操作起到必要的支撐作用。另一方面，這些基礎(chǔ)回路正常工作也為實(shí)施整個(gè)裝置的先進(jìn)控制奠定了基礎(chǔ)。

    本裝置精餾單元是一個(gè)由3座塔組成的精餾塔系，不僅包含相對(duì)復(fù)雜的進(jìn)出料關(guān)系，而且各塔之間存在熱量集成的情況，因此，該精餾單元是典型的多變量、有約束和強(qiáng)耦合的復(fù)雜工業(yè)過程。此外，裝置還受到生產(chǎn)負(fù)荷、進(jìn)料條件和塔釜重沸器加熱蒸汽量和溫度變化等擾動(dòng)的影響。這樣，常規(guī)單輸入單輸出控制系統(tǒng)的單變量反饋的控制思想已難以解決這種過程的整體控制和優(yōu)化的問題。

    為此，有必要采用以多變量預(yù)測(cè)控制技術(shù)為核心的先進(jìn)控制策略，統(tǒng)籌考慮該裝置精餾單元的控制需求，重點(diǎn)抑制裝置
能量流和物料流的波動(dòng)，消除控制器之間的相互耦合，以降低主要工藝參數(shù)的波動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高收率和節(jié)能降耗等目標(biāo)。

    3 先進(jìn)控制方案

    針對(duì)上述這些問題，甲醇裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)的主要需求是：通過采用先進(jìn)控制系統(tǒng)，根據(jù)甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量要求和過程
變量的各項(xiàng)約束，充分考慮變量之間的耦合特性，采用魯棒多變量預(yù)測(cè)控制技術(shù)、智能控制技術(shù)和工藝計(jì)算與軟測(cè)量技術(shù)等優(yōu)化計(jì)算出控制值，減小裝置主要工藝參數(shù)平均穩(wěn)態(tài)偏差，提高裝置生產(chǎn)平穩(wěn)度，改善甲醇產(chǎn)品質(zhì)量。在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，通過提高裝置處理量和關(guān)鍵工藝指標(biāo)的卡邊操作，優(yōu)化生產(chǎn)負(fù)荷，提高裝置產(chǎn)能，降低裝置能耗。從而增強(qiáng)企業(yè)的產(chǎn)品競爭力。先進(jìn)控制系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 先進(jìn)控制系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

    甲醇裝置精餾單元先進(jìn)控制器采用一個(gè)大APC-Adcon控制器，其中包括脫醚塔子控制器、加壓塔子控制器、常壓塔子控制器，子控制器的內(nèi)部模型由各精餾塔實(shí)驗(yàn)測(cè)試、數(shù)據(jù)采集、模型辨識(shí)和驗(yàn)證等環(huán)節(jié)獲得，控制器設(shè)計(jì)則根據(jù)各精餾塔的特點(diǎn)及工藝要求，考慮各種約束條件來選擇被控變量、操縱變量和擾動(dòng)變量的相關(guān)控制結(jié)構(gòu)與參數(shù)，并通過大量閉環(huán)仿真的檢驗(yàn)。各子控制器之間的聯(lián)系由物料、能量的關(guān)系來體現(xiàn)，而關(guān)鍵被控變量目標(biāo)值是建立在操作經(jīng)驗(yàn)和流程模擬優(yōu)化相結(jié)合的基礎(chǔ)之上的。

    4 工業(yè)應(yīng)用效果

    甲醇精餾單元先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)后效果顯著，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

    先進(jìn)控制系統(tǒng)大大提高了生產(chǎn)過程主要工藝參數(shù)的平穩(wěn)性，標(biāo)準(zhǔn)差平均降低50%以上，統(tǒng)一了操作方法，降低了操作
人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大減少了人工調(diào)節(jié)時(shí)的不及時(shí)和不一致.