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    摘要：甲醇裝置包含著復雜的化學反應和物理分離過程，并且裝置的能耗較高；提升裝置自動化水平、實現(xiàn)節(jié)能降耗減排是裝置運行中的重點工作，也是裝置提高經濟效益和社會效益的重要途徑。本文針對甲醇裝置精餾單元的工藝特點，采用高級多變量魯棒預測控制軟件APC-Adcon設計了集預測控制思想和現(xiàn)場操作經驗為一體的先進控制器，工業(yè)應用結果表明：先進控制可明顯提高過程的平穩(wěn)性，可帶來顯著的經濟效益。

    關鍵詞：先進控制；預測控制；甲醇裝置；精餾過程

    1 引 言

    甲醇不僅是重要的有機化工原料，還是性能優(yōu)良的能源和車用燃料。生產甲醇的原料有煤、天然氣、焦炭、石油液態(tài)
烴（石腦油、減壓渣油）等。近年來，隨著國際原油價格的不斷上揚，結合國內的資源特點，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，甲醇生產裝置正朝著大型化、單系列、低壓法方向發(fā)展。面對日益嚴峻的節(jié)能、降耗、增效和減排形勢的挑戰(zhàn)，如何保證整個甲醇裝置在更高的水平上實現(xiàn)“安穩(wěn)長滿優(yōu)”運行，直接關系到大型甲醇生產企業(yè)的生產效率、經濟效益和社會效益。

    先進控制技術是流程工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的核心技術之一，通常在DCS、FCS等系統(tǒng)已有常規(guī)控制的基礎上，采用
多變量預測控制、智能軟測量等策略實現(xiàn)以下目標：提高復雜工業(yè)過程的控制品質，增強系統(tǒng)的抗干擾能力和魯棒性，進而提高企業(yè)的綜合效益和競爭力。目前，全球流程工業(yè)應用的先進控制系統(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，平均降低生產成本5%以上，項目投資回收期通常在6～10個月。因此，先進控制已被視為一種投資少效益高的高新技術，是流程工業(yè)企業(yè)提升綜合自動化水平，節(jié)能、降耗和減排，持續(xù)改善經濟與社會效益的重要手段。

    本文以某大型甲醇裝置精餾單元為重點，介紹了甲醇裝置先進控制整體解決方案及其工業(yè)應用。工業(yè)應用效果表明：
實施先進控制和優(yōu)化操作是保證甲醇裝置平穩(wěn)運行和節(jié)能降耗、增加經濟效益的有效手段。

    2工藝流程描述合成甲醇通常包括4個步驟：（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，采用蒸汽轉化、低壓合成、三塔精餾生產工藝流程。原料天然氣經過脫
硫、蒸汽轉化和甲醇低壓合成等工藝單元制備成粗甲醇后進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，必須將這些雜質除去，才能獲得符合產品標準要求的甲醇產品。

    甲醇精餾單元就是同時并且多次的運用汽化和部分冷凝的方法，以達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雜質，在加壓塔和常壓塔中除去水及重組分，從而得到精甲醇產品。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)，并對多數(shù)控制回路采用PID控制，對工藝設備和生產過程的各種參數(shù)（如：溫度、壓力、流量、液位等）分別加以控制，構成一個個相互獨立的控制回路。在實際運行中，這些控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)了基礎層監(jiān)控作用，為生產裝置平穩(wěn)操作起到必要的支撐作用。另一方面，這些基礎回路正常工作也為實施整個裝置的先進控制奠定了基礎。

    本裝置精餾單元是一個由3座塔組成的精餾塔系，不僅包含相對復雜的進出料關系，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、有約束和強耦合的復雜工業(yè)過程。此外，裝置還受到生產負荷、進料條件和塔釜重沸器加熱蒸汽量和溫度變化等擾動的影響。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測控制技術為核心的先進控制策略，統(tǒng)籌考慮該裝置精餾單元的控制需求，重點抑制裝置
能量流和物料流的波動，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，進而實現(xiàn)提高收率和節(jié)能降耗等目標。

    3 先進控制方案

    針對上述這些問題，甲醇裝置先進控制系統(tǒng)的主要需求是：通過采用先進控制系統(tǒng)，根據(jù)甲醇產品的質量要求和過程
變量的各項約束，充分考慮變量之間的耦合特性，采用魯棒多變量預測控制技術、智能控制技術和工藝計算與軟測量技術等優(yōu)化計算出控制值，減小裝置主要工藝參數(shù)平均穩(wěn)態(tài)偏差，提高裝置生產平穩(wěn)度，改善甲醇產品質量。在保證產品質量合格的前提下，通過提高裝置處理量和關鍵工藝指標的卡邊操作，優(yōu)化生產負荷，提高裝置產能，降低裝置能耗。從而增強企業(yè)的產品競爭力。先進控制系統(tǒng)整體架構如圖2所示。

圖2 先進控制系統(tǒng)整體架構圖

    甲醇裝置精餾單元先進控制器采用一個大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，子控制器的內部模型由各精餾塔實驗測試、數(shù)據(jù)采集、模型辨識和驗證等環(huán)節(jié)獲得，控制器設計則根據(jù)各精餾塔的特點及工藝要求，考慮各種約束條件來選擇被控變量、操縱變量和擾動變量的相關控制結構與參數(shù)，并通過大量閉環(huán)仿真的檢驗。各子控制器之間的聯(lián)系由物料、能量的關系來體現(xiàn)，而關鍵被控變量目標值是建立在操作經驗和流程模擬優(yōu)化相結合的基礎之上的。

    4 工業(yè)應用效果

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

    先進控制系統(tǒng)大大提高了生產過程主要工藝參數(shù)的平穩(wěn)性，標準差平均降低50%以上，統(tǒng)一了操作方法，降低了操作
人員的勞動強度，大大減少了人工調節(jié)時的不及時和不一致.