本發(fā)明涉及一種精餾塔塔頂冷量自動控制的方法。

背景技術(shù)：

精餾塔能耗在化工裝置中占比較大，尤其對于高等級蒸汽作為熱源的精餾塔，能耗甚至可占整個工序或裝置的50％以上，因此優(yōu)化精餾塔的能量控制具有重要意義。

目前大多數(shù)精餾塔塔頂均采用回流量定值調(diào)節(jié)，回流液溫度因受環(huán)境溫度影響，變化范圍小則3～7℃，多則20～80℃。根據(jù)操作經(jīng)驗或者理論分析可知，當(dāng)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(fā)生變化，精餾塔塔頂本質(zhì)上時上升氣相和回流液相的物料和能量平衡過程，當(dāng)液相攜帶的能量發(fā)生改變，塔頂塔盤的氣液分離效果也將發(fā)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(shè)計工況小，分離效果不好，產(chǎn)品質(zhì)量達不到生產(chǎn)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(shè)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(chǎn)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(chǎn)品的單耗將增加。所以，要同時保證能耗較低和滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，當(dāng)頂部產(chǎn)品質(zhì)量進行卡邊控制時，回流液溫度的變化將引起產(chǎn)品質(zhì)量波動，很可能導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格。采用傳統(tǒng)的回流定值調(diào)節(jié)不能使進入塔頂?shù)耐獠扛蓴_減到最小。

另外，某些精餾塔會采用回流罐液位串級調(diào)整回流量的方案，該方案能保證回流罐液位穩(wěn)定，但外界溫度變化時，回流物流攜帶的能量同樣會發(fā)生改變，影響精餾塔的氣液平衡；或者某些塔采用靈敏板溫度串級調(diào)整回流量的方案，一方面，靈敏板溫度響應(yīng)可能存在較大滯后，或者溫度梯度分布不明顯，從自控角度而言，即被控變量的純滯后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(guī)的pid回路進行調(diào)整，另一方面，回流溫度變化后，塔內(nèi)溫度的變化要逐漸傳遞給靈敏板，靈敏板響應(yīng)變化后才能去調(diào)整回流量，同樣存在不可避免的過程滯后，而采用回流量自適應(yīng)控制是在入塔之前提前調(diào)整回流量，類似于前饋控制的思路，控制更及時有效；或者某些塔采用控制第一層塔盤下液量的方式對回流閥門進行調(diào)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(jù)工況變化較合理的給定塔盤下液量的設(shè)定值，不適合操作人員進行控制。

因此，考慮采用回流量自適應(yīng)調(diào)節(jié)方案對塔內(nèi)塔盤下降液量進行有效控制，該方案較傳統(tǒng)的回流定值調(diào)節(jié)方案具有減少塔釜蒸汽、液位波動，降低操作人員工作負(fù)荷和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)勢。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于穩(wěn)定精餾塔塔頂回流的冷量，通過數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)精餾塔塔頂回流量自適應(yīng)調(diào)節(jié)，主要用于避免水冷器循環(huán)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(chǎn)品質(zhì)量和塔釜蒸汽用量產(chǎn)生的影響，同時，由于回流量自動調(diào)節(jié)，裝置自控率得到提高，降低了操作強度。

根據(jù)本發(fā)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(shù)據(jù)采集：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(yīng)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；采集包括精餾塔塔頂?shù)膶崪y回流液溫度te、實測塔頂壓力p和塔頂回流液組成x在內(nèi)的參數(shù)；

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(nèi)的參數(shù)為基礎(chǔ)，利用化工流程模擬軟件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(shù)學(xué)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(shù)學(xué)模型計算需要控制的實際回流量re’。

優(yōu)選的是，步驟4)是如下進行的：

首先，dcs后臺組態(tài)公式(1)的計算功能塊，將hv、cp和td輸入計算功能塊并由操作員在dcs畫面上寫入?yún)?shù)re的數(shù)值，然后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(yōu)選，re’在dcs上是一個流量控制回路的設(shè)定值，從而實現(xiàn)回流量的自動控制。

一般，在步驟1)中，根據(jù)設(shè)計文件和實際運行數(shù)據(jù)確定滿足精餾塔分離要求的參考工況，確定參考工況對應(yīng)的塔頂回流量re和塔頂回流液溫度td，并利用工具采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(shù)。

一般，在步驟3)中，基于精餾塔原理，通過理論推導(dǎo)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(shù)學(xué)關(guān)系。

一般來說，步驟4)為：

4)dcs組態(tài)：dcs后臺組態(tài)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(jù)設(shè)計文件和模擬計算確定的參數(shù)，re是dcs畫面上操作員可寫值的參數(shù)，計算功能塊通過計算確定re’的值；re’在dcs上是一個流量控制回路的設(shè)定值，以實現(xiàn)回流量的自動控制。

簡單來說，本發(fā)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(yīng)的塔頂回流量re和塔頂回流液溫度td，并利用工具采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(shù)，基于采集的數(shù)據(jù)利用化工流程軟件aspen計算回流液汽化熱hv和塔頂回流液熱容cp，然后建立維持塔頂冷量一定時，回流液溫度te和回流量re’的數(shù)學(xué)模型，并在dcs上通過該數(shù)學(xué)模型計算控制回流液量re’。

進一步地，根據(jù)設(shè)計文件和實際運行數(shù)據(jù)確定滿足精餾塔分離要求的參考工況；

進一步地，基于精餾塔原理，通過理論推導(dǎo)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(shù)學(xué)關(guān)系，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(fā)明相比較現(xiàn)有控制，有以下優(yōu)勢：(1)塔頂冷凝器為循環(huán)水冷卻時，當(dāng)循環(huán)水溫度變化造成回流物料溫度變化時，不需人工調(diào)整回流量；(2)塔頂冷凝器為空氣冷卻時，當(dāng)晝夜溫度變化或者季節(jié)性溫度變化造成回流物料溫度變化時，不需人工調(diào)整回流量；(3)由于外界環(huán)境造成回流溫度變化得到了補償，入塔冷量溫度，對產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和蒸汽使用均產(chǎn)生有利的影響。

附圖說明

圖1為回流溫度te與re’/re關(guān)系曲線圖，示出了不同回流溫度te自動計算調(diào)整的re’。

圖2是本發(fā)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(fā)明內(nèi)容中所敘述的數(shù)學(xué)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、回流流量和塔釜采出流量)，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?yún)⒖脊r下塔頂回流量的可寫參數(shù)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(chǎn)品由fic-01001控制進入xx產(chǎn)品塔(精餾塔)，塔頂產(chǎn)物經(jīng)由泵p0101一部分回流，一部分作為分離產(chǎn)品送走，塔釜產(chǎn)物經(jīng)由泵p0102輸送。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進一步的描述。

(1)根據(jù)設(shè)計文件和實際運行數(shù)據(jù)確定滿足精餾塔分離要求的參考工況，確定參考工況對應(yīng)的塔頂回流量re和塔頂回流液溫度td，并利用工具采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(shù)；

(2)基于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(shù)利用化工流程模擬軟件aspen計算回流液汽化熱hv和塔頂回流液熱容cp；

(3)dcs后臺增加3個變量，變量名分別設(shè)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，并根據(jù)(1)(2)確定相應(yīng)的參數(shù)值，僅后臺可見，操作員不可寫；

(4)精餾塔塔頂回流液設(shè)計溫度傳感器，并遠傳至dcs畫面上，如ti-01001，并在dcs后臺上增加參數(shù)te，其信號引用ti-01001的測量值；

(5)dcs后臺增加可供操作員寫值的參數(shù)re，并在dcs畫面上引用數(shù)據(jù)鏈接hc-01001；

(6)dcs后臺增加計算模塊，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后臺增加fic-01003流量控制模塊，并在dcs畫面引用數(shù)據(jù)鏈接，該回路設(shè)計手動、自動和串級三種控制模式，串級模式下，回路設(shè)定值引用re’。

(8)方案組態(tài)后，需要對dcs相關(guān)參數(shù)如pid參數(shù)進行整定，然后投用。

實施例1

某化工廠某產(chǎn)品塔用于產(chǎn)品和重組分的分離，塔釜采用s40作為熱源，因受環(huán)境溫度影響，冷凝循環(huán)水溫度在冬夏及晝夜間變化較大，變化范圍通常在25～31℃，使得產(chǎn)品塔塔頂回流溫度在25～34℃范圍內(nèi)波動，回流比較大，且塔釜蒸汽用量在3.6t/h。為此，根據(jù)本專利精餾塔塔頂冷量自動控制的方法進行設(shè)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，利用工具采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(shù)，并通過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后變化，回流量re’根據(jù)組態(tài)計算功能(公式(1))自動實現(xiàn)流量調(diào)整，如圖1所示。

該產(chǎn)品塔實施本專利精餾塔塔頂冷量自動控制的方法后，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(chǎn)品質(zhì)量實現(xiàn)卡邊操作，塔頂產(chǎn)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(jīng)濟效益約11.2萬元/年。

實施例2

某化工廠某精制塔用于產(chǎn)品和雜質(zhì)的分離，塔釜采用s15作為熱源，該塔塔頂使用空冷器冷凝，由于北方天氣變化大，導(dǎo)致回流液溫度變化區(qū)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(jù)本專利精餾塔塔頂冷量自動控制的方法進行設(shè)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，利用工具采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(shù)，并通過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后臺組態(tài)數(shù)學(xué)模型后投用自動控制(根據(jù)(公式(1))，實施一年進行數(shù)據(jù)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(chǎn)品質(zhì)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于產(chǎn)品和輕組分的分離，塔釜采用s10作為熱源，該塔塔頂使用空冷器和循環(huán)水二級冷凝，由于循環(huán)水和空氣均有晝夜溫差，隨天氣變化，導(dǎo)致回流液溫度變化區(qū)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(jù)本專利精餾塔塔頂冷量自動控制的方法進行設(shè)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，利用工具采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(shù)，并通過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后臺組態(tài)數(shù)學(xué)模型后投用自動控制(根據(jù)(公式(1))，實施半年進行數(shù)據(jù)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(chǎn)品質(zhì)量波動降低0.4％，塔釜能耗降低59萬元/年。