环氧乙烷反应器先进控制技术应用

【摘 要】 介绍了Foxboro公司Connoisseur先进控制软件在环氧乙烷装置反应器控制系统中的应用。主要介绍其中的伪随机二进制序列建立过程动态模型技术和多变量预测控制技术。实践证明应用该先进过程控制技术能够达到稳定生产，提高产量，降低能耗，进而提高经济效益的目的。 【关 键 词】 环氧乙烷；反应器；多变量预测控制；伪随机二进制序列；选择性 1装置概述 　　抚顺乙烯化工有限公司EO/EG装置采用SHELL公司专利技术与工艺设计方案,于1992年建成开车。 　　装置设计能力为每年50，000公吨当量环氧乙烷（EO），其操作工况为在每年生产最大30，000公吨高纯环氧乙烷时，其余生产乙二醇；在每年生产最大40，000公吨纤维级MEG时，高纯环氧乙烷产量相应减少，最大操作时间为7，560小时。 　　在SHELL公司EO/EG工艺中，高纯乙烯（99.85%mol）被99.8%mol的氧气催化氧化成环氧乙烷，并依次用水吸收来回收产品，EO水溶液用蒸汽解吸，微量二氧化碳通过进一步解吸浓缩的EO水溶液被除去，水和醛可用巴式蒸馏法除去，巴式切割EO组分和EO釜液作为EG工段进料，在EG工段环氧乙烷经液相热催化转化成乙二醇。乙二醇、二乙二醇、三乙二醇回收和提纯作为最终产品。 2工艺说明与反应机理 　　来自Ｋ２０１的循环气首先与新鲜乙烯和甲烷在管道中混合。此后，气体物流进入氧气混合喷嘴，并导入新鲜氧进料，在加入抑制剂后与ＥＯ产物气体在Ｅ１０１中将混合气体从７７℃预热到１４８℃。 　　预热后，混合气体进入列管式ＥＯ反应器Ｒ１０１，其中乙烯和氧气在银催化剂作用下反应，主要生成环氧乙烷，产品气体在２３４℃下离开反应器。乙烯在温度约２３０℃，银催化剂催化下直接用氧气氧化生成环氧乙烷，反应式如下： C２H２＋1/2O２→C２H４O＋24.7Kcal/g mol 该化学反应的副反应同时进行，反应式如下： C2H4 + 3O2→2CO2+2H2O + 320 Kcal/g mol 副反应生成的二氧化碳用碳酸盐溶液的化学吸收将其从循环气中除去。反应如下： CO2 +K2CO3 + H2O→2KHCO3 + 6.4 Kcal/g mol 　　在上述化学反应过程中，将甲烷作为一种致稳剂加入到循环物流中，可以提高可燃极限以及氧在反应器进料中的允许浓度。此外，为了得到环氧乙烷的最佳收率，二氯乙烷还作为一种抑制剂来抑制乙烯完全氧化为二氧化碳。 工艺流程图如： 3原控制介绍 原控制为单回路控制，如下： 乙烯进料流量控制FRC-105 甲烷进料流量控制FRC-107 抑制剂进料流量控制FRC-112A/B 氧气进料流量控制FIC-101A/B 　　此反应器为列管式并兼做废热锅炉。催化剂装在列管中，混合气流过列管。列管外是锅炉水。反应放热使列管外锅炉水沸腾汽化生成蒸汽。蒸汽被引入汽包进行汽水分离。水返回反应器，而汽包上方引出蒸汽。为了提高提高反应转化率和延长催化剂的使用寿命，控制好反应温度是关键。该反应属放热反应，其反应热，为管外锅炉水所吸收，使水蒸发变成蒸汽。这时只要将蒸汽压力控制在与上述温度对应的饱和蒸汽上来，就能保持管外温度的恒定，从而将反应管内的反应温度控制住。因此通过控制汽包压力就可以间接达到控制反应温度的目的。 　　为了安全及优化操作，反应器系统还配有在线分析仪表。 　　从该反应系统的基础调节系统可以得出以下结论：目前ＥＯ反应器的控制水平比较低，对其中进行的反应完全处于开环状态，如对反应温度没有相应的闭环调节回路，完全靠控制外围的扰动来稳定操作，由此造成操作强度大，产品质量难于保证和很难提高反应的选择性和转化率。 4先进控制系统介绍 　　先进控制系统采用Foxboro I/A系列的Connoisseur先进控制软件包。Connoisseur由离线的工厂分析系统和在线的工厂实时优化控制系统构成。其具有在线自适应（即当装置经过长期运行，工艺特性发生变化后，控制器可以在线自调整以适应过程特性的改变）、多模型切换（控制器包含多个不同过程模型，以达到更精确的预测目的）、模糊控制和神经网络（适用于非线性特征明显的过程）等功能，并提供在线ＰＲＢＳ工厂测试工具（可一次将多个过程变量同时改变进行测试，大大缩短工程时间，减少对操作的影响）、ＬＰ实时在线优化器，ＧＵＩ完整用户界面，ＡＲＥ常规控制与ＡＰＣ安全、无扰动切换接口等系列软件，构成独立完整的系统。 4.1先进控制系统的硬件构成 　　先进控制系统运行于专门的PC工作站上,通过乙太网接口和DCS的AW51B通讯.先进控制的操作画面在DCS操作站上实现,操作员可以直接在DCS操作站上进行先进控制的操作. 4.2ＭＰＣ技术介绍 　　ＭＰＣ多变量预测控制是一种多变量的先进过程控制技术，它可以通过使用一个表述过程动态特性的数学模型来预测受控过程的未来变化。通过这个预测模型，控制器有能力计算出最优的的执行器输出值，以确保控制系统在不违反设备约束条件下，最小化过程工艺值与设定值之间的偏差。此外，模型还可用于优化操作点的计算，来实现装置的优化操作。模型预测控制通常适用于那些存在大滞后或多变量耦合的复杂过程特性。当这些情况交织在一起的时候，传统的ＰＩＤ调节方法往往难以发挥作用。常见的现象是，一些常规控制策略经常被放在手动方式，或者被迫降低其调节性能来面对复杂的工艺过程。 4.3ＭＰＣ控制器结构 ＭＰＣ控制器结构如图所示，其中包括： 控制变量（ＣＶ） 该变量是系统的控制目标。可以是设定值控制或者是区域控制。通过调整其他回路或者调节阀来使其稳定在设定值或者控制区域内。 操作变量MV 是主要的调节手段，主要是调节回路的设定值。 前馈变量FV 是对系统的控制有影响，但是又没有调节手段的变量 其中选择性和转化率由计算得出： 4.4控制目标 　　转化率和选择性为设定值控制，而反应温度、反应器入口出口氧含量、进料进料乙烯浓度、进料二氧化碳浓度为约束控制。 即在保障装置安全生产的基础上，使反应器的转化率和选择性保持恒定，与此同时其它的控制变量（如反应器温度、反应器入口氧含量、反应器出口氧含量、进料乙烯浓度、进料二氧化碳浓度）保持在相对安全的范围进行约束控制，从而延长反应器的运行寿命，增加正反应的数量，减少副反应的发生，提高产品产量，降低能耗，进而达到优化生产的目的。 4.5ＰＲＢＳ测试 　　建立MPC控制器必须得到控制变量与操纵变量之间的动态相应关系，进而建立反应器的过程模型。通常建立过程模型使用阶跃测试。但是使用阶跃测试有以下缺点：加到操纵变量上的阶跃信号必须足够大，太小将无法反应控制变量与操纵变量之间的关系，但太大将导致装置生产波动，破坏装置平衡，甚至引发生产事故；另外，通常的阶跃测试只能得到单个控制变量与操纵变量之间的关系，如果对于多输入输出的控制器来说，阶跃测试将耗费大量的工程时间。ＰＲＢＳ为伪随机二进制序列的缩写。它是一种在保证对装置干扰最小的前提下，得到过程动态响应的有效的方法。它使得操纵变量以两个指定的值变化，在每个值上停留的时间为一个随机间隔的随机数倍。这样，ＰＲＢＳ测试就能带给装置最小的扰动，并且多个控制变量与操纵变量可以同时进行，节约大量的工程时间。示意图如下： 4.6控制器的设计与投运 　　经过了ＰＲＢＳ测试，Connoisseur将产生过程动态模型。工程师将控制变量、操纵变量、前馈变量输入到ＭＰＣ控制器组态参数中，并对控制变量的定值控制或约束控制进行相应的组态,就可以得到控制器了。控制器经过模拟、仿真，就可以准备投用了。 　　Connoisseur能够自动在ＤＣＳ上生成用户操作界面。操作员可以从ＤＣＳ上看到控制器的当前状态，以及ＤＣＳ与上位机通讯是否正常。 　　当控制器激活后，ＭＰＣ以开环方式运行。当操作员确认控制器及通讯正常后，便可以在ＤＣＳ界面上将ＭＰＣ投入闭环，从而使生产过程由常规控制切换到先进控制。 5性能评估 　　在正常生产条件下，对该控制系统进行长期的观察得出以下结论。 　　该控制器可以在各个控制变量的约束范围内，有效控制选择性和转化率的波动。 　　通过先进控制使选择性提高０.２％，产率提高０.５％。 6结束语 　　先进控制的投用提高了产量，延长了反应器的运行周期，并降低了能耗，减少了生产的波动，减少了操作人员的劳动强度。它已经越来越多被更多的装置所采用，并成为不对装置进行扩容改造的前提下，提高产量，降低能耗的主要手段。 作者简介： 王立忠（1974～），男，工程师，辽宁抚顺人，1997年毕业于辽宁石油化工大学计算机工程系，主要研究方向先进控制 参考文献 [1]<> Foxboro Company [2]<> Foxboro Company [3]<<环氧装置操作规程>> 中国石油抚顺石化公司 投诉建议