精餾塔塔頂冷量自動控制的方法與流程
2023-04-25 11:04:16
本發明涉及一種精餾塔塔頂冷量自動控制的方法。
背景技術：
精餾塔能耗在化工裝置中佔比較大，尤其對於高等級蒸汽作為熱源的精餾塔，能耗甚至可佔整個工序或裝置的50％以上，因此優化精餾塔的能量控制具有重要意義。
目前大多數精餾塔塔頂均採用回流量定值調節，回流液溫度因受環境溫度影響，變化範圍小則3～7℃，多則20～80℃。根據操作經驗或者理論分析可知，當回流量保持一定時，回流溫度變化，則回流流股攜帶的能量將發生變化，精餾塔塔頂本質上時上升氣相和回流液相的物料和能量平衡過程，當液相攜帶的能量發生改變，塔頂塔盤的氣液分離效果也將發生改變，回流溫度高，意味著回流冷量小，可理解為實際回流比較設計工況小，分離效果不好，產品質量達不到生產要求；回流溫度低，意味著回流冷量大，可理解為實際回流比比設計工況大，輕組分的分離效果更佳，氣相被冷的更多，意味著產量將下降，同時，塔釜熱功率也將增大以達到高分離需求，即產品的單耗將增加。所以，要同時保證能耗較低和滿足產品質量要求，當頂部產品質量進行卡邊控制時，回流液溫度的變化將引起產品質量波動，很可能導致產品質量不合格。採用傳統的回流定值調節不能使進入塔頂的外部幹擾減到最小。
另外，某些精餾塔會採用回流罐液位串級調整回流量的方案，該方案能保證回流罐液位穩定，但外界溫度變化時，回流物流攜帶的能量同樣會發生改變，影響精餾塔的氣液平衡；或者某些塔採用靈敏板溫度串級調整回流量的方案，一方面，靈敏板溫度響應可能存在較大滯後，或者溫度梯度分布不明顯，從自控角度而言，即被控變量的純滯後時間過長或者操縱變量對被控變量的增益太小，都很難通過常規的pid迴路進行調整，另一方面，回流溫度變化後，塔內溫度的變化要逐漸傳遞給靈敏板，靈敏板響應變化後才能去調整回流量，同樣存在不可避免的過程滯後，而採用回流量自適應控制是在入塔之前提前調整回流量，類似於前饋控制的思路，控制更及時有效；或者某些塔採用控制第一層塔盤下液量的方式對回流閥門進行調整，此控制方式中不同工況下的塔盤下液量較難確定，操作人員不能根據工況變化較合理的給定塔盤下液量的設定值，不適合操作人員進行控制。
因此，考慮採用回流量自適應調節方案對塔內塔盤下降液量進行有效控制，該方案較傳統的回流定值調節方案具有減少塔釜蒸汽、液位波動，降低操作人員工作負荷和穩定產品質量的優勢。
技術實現要素：
本發明的目的在於穩定精餾塔塔頂回流的冷量，通過數學模型實現精餾塔塔頂回流量自適應調節，主要用於避免水冷器循環水或空冷器空氣溫度變化造成的回流液溫度變化對精餾塔塔頂產品質量和塔釜蒸汽用量產生的影響，同時，由於回流量自動調節，裝置自控率得到提高，降低了操作強度。
根據本發明，提供一種精餾塔塔頂冷量自動控制的方法，該方法包括以下步驟：
1)數據採集：確定滿足精餾塔分離要求的參考工況，確定與參考工況對應的參考工況下塔頂回流量re和參考工況下塔頂回流液溫度td；採集包括精餾塔塔頂的實測回流液溫度te、實測塔頂壓力p和塔頂回流液組成x在內的參數；
2)模擬計算：以包括實測回流液溫度te、實測塔頂壓力p和塔頂回流液組成x在內的參數為基礎，利用化工流程模擬軟體aspen計算得到回流液汽化熱hv和塔頂回流液熱容cp；
3)建立模型：建立以下公式(1)作為數學模型：
re』＝需要控制的實際回流量；
re＝參考工況下塔頂回流量；
hv＝塔頂回流液汽化熱；
cp＝塔頂回流液熱容；
td＝參考工況下塔頂回流液溫度；
te＝實測回流液溫度；
4)在dcs上通過該數學模型計算需要控制的實際回流量re』。
優選的是，步驟4)是如下進行的：
首先，dcs後臺組態公式(1)的計算功能塊，將hv、cp和td輸入計算功能塊並由操作員在dcs畫面上寫入參數re的數值，然後將通過在線溫度計實時測量的te輸入計算功能塊來進行計算，從而通過計算確定re』的值。
在上述方法中，優選，re』在dcs上是一個流量控制迴路的設定值，從而實現回流量的自動控制。
一般，在步驟1)中，根據設計文件和實際運行數據確定滿足精餾塔分離要求的參考工況，確定參考工況對應的塔頂回流量re和塔頂回流液溫度td，並利用工具採集精餾塔塔頂回流液溫度te，塔頂壓力p和塔頂回流液組成x等參數。
一般，在步驟3)中，基於精餾塔原理，通過理論推導建立滿足分離要求時，需要控制的實際回流量re』和實際回流液溫度te之間的數學關係。
一般來說，步驟4)為：
4)dcs組態：dcs後臺組態公式(1)的計算功能塊，進入功能塊的te需要通過在線溫度計實時測量，hv、cp、td均為根據設計文件和模擬計算確定的參數，re是dcs畫面上操作員可寫值的參數，計算功能塊通過計算確定re』的值；re』在dcs上是一個流量控制迴路的設定值，以實現回流量的自動控制。
簡單來說，本發明提供一種精餾塔塔頂冷量自動控制的方法，該方法包括以下步驟：確定滿足精餾塔分離要求的參考工況，確定參考工況對應的塔頂回流量re和塔頂回流液溫度td，並利用工具採集精餾塔塔頂回流液溫度te，塔頂壓力p和塔頂回流液組成x參數，基於採集的數據利用化工流程軟體aspen計算回流液汽化熱hv和塔頂回流液熱容cp，然後建立維持塔頂冷量一定時，回流液溫度te和回流量re』的數學模型，並在dcs上通過該數學模型計算控制回流液量re』。
進一步地，根據設計文件和實際運行數據確定滿足精餾塔分離要求的參考工況；
進一步地，基於精餾塔原理，通過理論推導建立滿足分離要求時，需要控制的實際回流量re』和實際回流液溫度te之間的數學關係，如下：
式中，re』＝需要控制的實際回流量；
re＝參考工況下塔頂回流量；
hv＝塔頂回流液汽化熱；
cp＝塔頂回流液熱容；
td＝參考工況下塔頂回流液溫度；
te＝實測回流液溫度。
本發明相比較現有控制，有以下優勢：(1)塔頂冷凝器為循環水冷卻時，當循環水溫度變化造成回流物料溫度變化時，不需人工調整回流量；(2)塔頂冷凝器為空氣冷卻時，當晝夜溫度變化或者季節性溫度變化造成回流物料溫度變化時，不需人工調整回流量；(3)由於外界環境造成回流溫度變化得到了補償，入塔冷量溫度，對產品質量穩定性和蒸汽使用均產生有利的影響。
附圖說明
圖1為回流溫度te與re』/re關係曲線圖，示出了不同回流溫度te自動計算調整的re』。
圖2是本發明的一種精餾塔塔頂冷量自動控制方法的控制示意圖，其中f(x)為發明內容中所敘述的數學模型。
其中，s40為再沸器熱源40公斤蒸汽，fc(fic-01001，fic-01002，fic-01003、fic-01004)為流量控制器(分別為進料流量、蒸汽流量、回流流量和塔釜採出流量)，e0101為換熱器，p0101和p0102為泵，pc(pic01001)為塔頂壓力控制器，hc-01001為輸入參考工況下塔頂回流量的可寫參數模塊，lc(lic-01001，lic-01002)為液位控制器，ti(ti-01001)為回流液溫度傳感器。
需要精餾的產品由fic-01001控制進入xx產品塔(精餾塔)，塔頂產物經由泵p0101一部分回流，一部分作為分離產品送走，塔釜產物經由泵p0102輸送。
具體實施方式
下面結合說明書附圖對本發明作進一步的描述。
(1)根據設計文件和實際運行數據確定滿足精餾塔分離要求的參考工況，確定參考工況對應的塔頂回流量re和塔頂回流液溫度td，並利用工具採集精餾塔塔頂回流液溫度te(ti‐01001.pv)，塔頂壓力p(pic‐01001.pv)和塔頂回流液組成x參數；
(2)基於精餾塔塔頂回流液溫度te，塔頂壓力p和塔頂回流液組成x參數利用化工流程模擬軟體aspen計算回流液汽化熱hv和塔頂回流液熱容cp；
(3)dcs後臺增加3個變量，變量名分別設為塔頂回流液氣化熱hv、塔頂回流液熱容cp和參考工況塔頂回流液溫度td，並根據(1)(2)確定相應的參數值，僅後臺可見，操作員不可寫；
(4)精餾塔塔頂回流液設計溫度傳感器，並遠傳至dcs畫面上，如ti-01001，並在dcs後臺上增加參數te，其信號引用ti-01001的測量值；
(5)dcs後臺增加可供操作員寫值的參數re，並在dcs畫面上引用數據連結hc-01001；
(6)dcs後臺增加計算模塊，計算模塊的輸入為te、td、hv、cp，re，計算式如公式(1)，計算模塊的輸出為re』
(7)dcs後臺增加fic-01003流量控制模塊，並在dcs畫面引用數據連結，該迴路設計手動、自動和串級三種控制模式，串級模式下，迴路設定值引用re』。
(8)方案組態後，需要對dcs相關參數如pid參數進行整定，然後投用。
實施例1
某化工廠某產品塔用於產品和重組分的分離，塔釜採用s40作為熱源，因受環境溫度影響，冷凝循環水溫度在冬夏及晝夜間變化較大，變化範圍通常在25～31℃，使得產品塔塔頂回流溫度在25～34℃範圍內波動，回流比較大，且塔釜蒸汽用量在3.6t/h。為此，根據本專利精餾塔塔頂冷量自動控制的方法進行設計和實施，確定參考工況為回流溫度td為34℃，回流量re為5.5t/h，利用工具採集精餾塔塔頂回流液溫度te，塔頂壓力p和塔頂回流液組成x參數，並通過aspen流程模擬確定回流液汽化熱hv為467.8kj/kg和塔頂回流液熱容cp為2.4kj/kg.℃，回流溫度te後變化，回流量re』根據組態計算功能(公式(1))自動實現流量調整，如圖1所示。
該產品塔實施本專利精餾塔塔頂冷量自動控制的方法後，回流溫度變化時無需人工操作回流量，操作頻率降低5次/班，塔頂產品質量實現卡邊操作，塔頂產品回收率提高0.1％，塔靈敏板波動降低1.5℃，塔釜液位波動降低5％，塔釜蒸汽能耗降低0.1t/h，經濟效益約11.2萬元/年。
實施例2
某化工廠某精製塔用於產品和雜質的分離，塔釜採用s15作為熱源，該塔塔頂使用空冷器冷凝，由於北方天氣變化大，導致回流液溫度變化區間從20℃至80℃，意味著實際回流冷量變化大，帶來高達26次/班的操作量，塔釜蒸汽用量平均在15t/h。為此，根據本專利精餾塔塔頂冷量自動控制的方法進行設計和實施，確定參考工況為回流溫度td為59℃，回流量re為13t/h，利用工具採集精餾塔塔頂回流液溫度te，塔頂壓力p和塔頂回流液組成x參數，並通過aspen流程模擬確定回流液汽化熱hv為1330.68kj/kg和塔頂回流液熱容cp為3.8kj/kg.℃，在dcs後臺組態數學模型後投用自動控制(根據(公式(1))，實施一年進行數據分析：有效降低操作頻次1800次/月，塔壓波動較少0.3kpa，整塔溫度波動降低2.3℃，塔頂產品質量波動降低0.3％，塔釜能耗降低78萬元/年。
實施例3
某化工廠某脫輕塔用於產品和輕組分的分離，塔釜採用s10作為熱源，該塔塔頂使用空冷器和循環水二級冷凝，由於循環水和空氣均有晝夜溫差，隨天氣變化，導致回流液溫度變化區間從30℃至78℃，意味著實際回流冷量變化大，帶來高達32次/班的操作量，塔釜蒸汽用量平均在8t/h。為此，根據本專利精餾塔塔頂冷量自動控制的方法進行設計和實施，確定參考工況為回流溫度td為65℃，回流量re為10t/h，利用工具採集精餾塔塔頂回流液溫度te，塔頂壓力p和塔頂回流液組成x參數，並通過aspen流程模擬確定回流液汽化熱hv為960.28kj/kg和塔頂回流液熱容cp為2.1kj/kg.℃，在dcs後臺組態數學模型後投用自動控制(根據(公式(1))，實施半年進行數據分析：有效降低操作頻次2300次/月，塔壓波動較少0.6kpa，整塔溫度波動降低2℃，塔頂產品質量波動降低0.4％，塔釜能耗降低59萬元/年。