基于均匀控制的精馏控制系统

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【摘 要】石油化工生产过程是一个连续生产过程，随着生产的进一步强化，使得前后生产过程的关系更加紧密，往往出现前一设备的出料直接作为后一设备的进料，而后者的出料又连续输送给其他设备作为进料[1]，但生产过程中每个设备都希望维持自身平衡，这就必须打破前一设备或后一设备的平衡，以至整个多塔系统不能保持稳定。为解决这一矛盾，以往靠增加缓冲罐的办法来解决，通过缓冲物料累积量的变化，以达到两塔或多塔操作平稳。从控制方案上看，为解决这些矛盾，使生产过程统筹兼顾，我们在精馏控制系统中引入均匀控制，该控制方案能有效解决以上矛盾，表现出了很好的控制效果。
【关键词】均匀控制；精馏；单回路；串级；双冲量
1.精馏系统概述
在典型的有机硅精馏系统中，高沸物裂解产品将被通过精馏的方法，将其中的一甲基二氯氢硅烷、三甲基一氯硅烷、一甲基三氯硅烷和二甲基二氯硅烷单独分离出来[2]。
系统一般主要包括脱低塔、一甲塔、二甲塔和脱高塔等几个串联塔和一个间歇精馏塔[3]。主要分离过程为：高沸物裂解产物由泵送入脱低塔，在该塔完成低沸点组分（包括三甲基氯硅烷及沸点比三甲基氯硅烷低的组分）与沸点较高的组分（包括一甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷及高沸物）的分离。在该塔的进料口以上设置有两个侧线采出口，第一侧线采出口采出一甲含氢产品，其纯度在99%以上，第二侧线采出口采出粗三甲馏分，粗三甲馏分进入间歇精馏塔，回收少量的三甲基一氯硅烷。脱低塔塔顶气相为以氯甲烷为主的轻组分，可以过进一步用冷冻盐水冷凝回收少量的四甲基硅烷、三氯氢硅和二甲基一氯氢硅。沸点更低的氯甲烷排放进入吸收系统，脱低后的塔釜产品进入一甲塔。一甲塔塔顶采出合格的一甲基三氯硅烷产品，其纯度大于99%，塔釜产物进入二甲塔。二甲塔塔釜产品进入脱高塔，二甲塔塔顶产品返回一甲塔。脱高塔主要完成二甲基二氯硅烷与高沸物的分离，塔顶采出合格的二甲基二氯硅烷产品，纯度在99%以上，塔釜为高沸物产品[4]。
对于精馏系统，可采用具有较强的模拟量处理能力和回路控制功能、又兼具快速逻辑控制功能及系统实时性相对较好的常规DCS系统作为其控制系统[5]。
2.均匀控制的引入
在实际应用时，由于生产过程有连续性和稳定性的要求，这就造成了供求矛盾[6]，在双塔系统中，甲塔的液位需要稳定，乙塔的进料亦需要稳定，这两个要求是相互矛盾的。甲塔的液位控制系统，用来稳定甲塔的液位，其调节参数是甲塔的底部出料，显然，稳定了甲塔液位，甲塔底部出料必然要波动。但甲塔底部出料又是乙塔的进料，乙搭进料流量的控制系统，为了稳定进料流量，需要经常改变阀门的开度，使流量保持不变。因此，要使这两个控制系统正常工作是不可能的。
要彻底解决这个矛盾，只有在甲、乙两个塔之间增加一个中间储罐。但增加设备就增加了流程的复杂性，加大了投资。另外，有些生产过程连续性要求高，不宜增设中间储罐。在理想状态不能实现的情况下，只有冲突的双方各自降低要求，以求共存。均匀控制思想就是在这样的应用背景下提出来的。通过分析，可以看到这类系统的液位和流量都允许按要求在一定范围内波动，这也是可以采用均匀控制的前提条件，即控制目标发生了变化。
在精馏控制系统中，存在以下供求矛盾：
（1）前一精馏塔物料增多，为维护本塔平稳操作，需将多余物料排出。
（2）后一精馏塔为维护平稳操作，并不需要过多的物料。
（3）相互串联的精馏塔数量可能较多。
（4）为提高效益，需加快物料在塔之间的流动速度，但这不利于为维护精馏塔的稳定，且最终影响产品质量。
为解决这些矛盾，使生产过程统筹兼顾，我们在精馏控制系统中引入均匀控制的思想。所谓均匀控制是就一种控制方案所起的作用而言的，因为从方案的结构看，有时象一个简单液位（或压力）定值控制系统，有时又象一个液位与流量（或压力与流量）的串级控制系统，所以其唯一的识别方法就在于它是否起均匀控制的作用。
3.均匀控制的原理
均匀控制系统，在结构上类似于单回路、串级及双冲量控制系统，因此可分为简单均匀控制、串级均匀控制和双冲量均匀控制等。
3.1简单均匀控制
简单均匀控制系统方案结构简单，但它对于克服阀前后压力变化的影响及液位贮罐自衡作用的影响效果较差。简单均匀控制系统适用于：进料量为主干扰，流量波动大，自衡能力弱的对象。
3.2串级均匀控制
蒸馏塔塔底液位与采出流量的串级均匀控制，从外貌看与典型的串级控制系统完全一样，但他的目的是实现均匀控制，增加一个副环流量控制系统的目的是为了消除阀前后压力干扰及自衡作用对流量的影响。因此副环与串级控制中的副环一样，副控制器参数整定的要求与串级控制对副环的要求相同。而主控制器（即液位控制器）则与简单均匀控制的情况作相同处理。
3.3双冲量均匀控制
双冲量均匀控制是以液位和流量两信号之差（或和）为被控变量来达到均匀控制目的的系统。一般以塔底液位与采出流量两个信号之差（若流量为进料时，则取两信号之和）为被控变量，通过控制，使两者都能按均匀控制的要求变化。
4.均匀控制在精馏控制系统中的应用
根据精馏控制系统的特点，多采用双冲量均匀控制，其简要结构中：
（1）Pi为设定值，Po=Pl-Pq+Pi。
（2）冲量：指引入控制系统中的测量信号而言。
（3）由两个参数之差为被控变量组成均匀系统。
（4）与串级控制系统相比，用一个加法器代替辅控制器。
具体动作过程：
（1）加法器运算：Po=Pl-Pq+Pi。
（2）稳态时：Po=定值，阀门有一个开度，使液位和流量同时保持相对稳定。
（3）调节过程：若某一时刻，液位因干扰而升高，则加法器输出Po增加，控制器接受这个偏置信号后进行控制，发出命令去开大阀门，引起流量增加和液位下降，当两个测量信号之差逐渐接近到某一数值时，加法器输出随之改变，系统又趋于稳定，调节阀停留在新的开度上，液位的平衡数值比原来有所升高，流量的平衡数值也比原来有所增加，从而达到了均匀控制的目的。
5.均匀控制的特点与意义
（1）表征前后供求矛盾。
（2）前后相互联系，相互矛盾的两个参数保持在允许波动范围内。
（3）使生产过程保持连续性和稳定性。
（4）均衡生产效益与产品质量，使其达到最优。
6.结束语
通过现场测试及数据分析，均匀控制表现出了较好的控制效果。本控制算法针对工业应用作了全面考虑，能在编程环境中很容易的根据算法直接编写实际的控制器。而且，本控制算法简单而高效，参数的物理意义清楚且易于调整，现场实施简单易行，是一个值得推广的好算法。
【参考文献】
[1]王骥程.化工过程控制工程[M].北京：化学工业出版社，1981.
[2]董碧军，王煤，罗橙.热泵精馏在气体分馏装置丙烯塔中的应用分析[R].成都：四川大学化学工程学院，2008.
[3]王为国，王存文，吴元欣，曾真.二元常规间歇精馏的最小汽化总量[R].武汉：武汉工程大学化工与制药学院，2006.
[4]刘宗宽，顾兆林，贺延龄.燃料乙醇热泵恒沸精馏新工艺的研究[J].化工进展，2003，22（11）：1147-1148.
[5]何衍庆，俞金寿.集散控制系统的原理与应用[M].北京：化学工业出版社，2002.
[6]刘保柱，章渊昶，陈平.节能型甲醇精馏工艺研究[J].化工进展，2007，26（5）：739-740.