先进控制技术在甲醇精馏过程中的应用

M-Sized Nitrogenous Fertilizer Progress

No. 1Jan. 2018

j

櫋

甲醇及下游产品；

先进控制技术在甲醇精馏过程中的应用

徐贺

(浙江晋巨化工有限公司，浙江衢州324004)

[摘要]

介绍浙江晋巨化工有限公司甲醇精馏装置的工艺特点以及操作控制过程中存在的问题，针对

存在的问题决定采用多变量先进控制系统对其进行技术改造，阐述先进控制系统的整体构架、变量之间的 关系、系统操作界面及其切换，以及其在预精馏塔、加压精馏塔、常压精馏塔中的成功应用情况。

[关键词]甲醇精馏装置；问题；改进措施；先进控制系统；预精馏塔；加压精馏塔；常压精馏塔；应

用情况

[中图分类号]TQ223. 12 + 1

[文献标志码]B [文章编号]1004 -9932(2018)01 -0039 -03

浙江晋巨化工有限公司10 kt/a甲醇精馏装 置采用三塔双效精馏工艺，其中，加压精馏塔与 常压精馏塔采用差压热耦合技术，以加压精馏塔 塔顶产生的甲醇蒸气作为热源加热常压精馏塔底 部的溶液[1]。甲醇精馏过程中需利用低压蒸汽 对预精馏塔和加压精馏塔底部粗甲醇进行加热， 使粗甲醇沸腾变为蒸气返回塔内，同时预精馏塔 和常压精馏塔顶部的甲醇蒸气需利用循环水进行 冷却，使其冷凝为液体后部分回流回塔内，进而 在塔内实现气液两相多次的热量、质量交换，达 到精馏提纯的目的。浙江晋巨化工有限公司的甲 醇精馏装置是1套由3台塔组成的精馏塔系，不 仅包含相对复杂的物料进出关系，而且各塔之间 还存在热量集成，即精馏工艺过程是一个多变 量、较强耦合性的复杂控制过程，同时各扰动因 素的影响也较为明显，致使常规PID的单输入、 单输出控制系统难以满足装置生产过程中所需的 整体控制要求[2]。

为克服现有甲醇精馏装置生产控制过程中存 在的各种缺陷，并提升装置的自动化水平，提高 装置的抗干扰能力，增强工艺参数的平稳性，公 司决定对甲醇精馏装置DCS控制系统进行改造， 采用浙大中控的先进控制技术实现装置的精细化

控制和“卡边”优化。此项改造工作于2017年 1月完成，经过4个月的运行验证，甲醇精馏装 置先进控制系统投运率较高，运行状况较好，提 高了关键工艺参数的平稳性，稳定了精馏塔的操 作，实现了目标产品的“卡边”操作，装置的 自动化水平大幅度提高。

1甲醇精馏装置工艺流程简介

130 k/a甲醇精馏装置以粗甲醇为原料、低

压蒸汽为热源完成粗甲醇的精馏。其中，预精馏 塔和加压精馏塔以低压蒸汽为热源，使塔底粗甲 醇沸腾变为上升气流返回塔内，与塔顶回流液在 塔内实现气液两相的多次热量、质量交换，达到 精馏的目的；常压精馏塔利用双效热耦合技术， 以加压精馏塔顶部的高温甲醇蒸气为热源，使其 塔底的粗甲醇沸腾变为蒸气返回塔内，而加压精 馏塔塔顶的甲醇蒸气冷凝为液体后，部分液体由泵 打回加压精馏塔顶部，作为加压精馏塔的回流液; 预精馏塔和常压精馏塔顶部产生的甲醇蒸气利用循 环水进行间接冷却，使其冷凝为液相，之后由泵输 送至预精馏塔和常压精馏塔顶部，作为在塔内进行 气液两相多次热量、质量交换的回流液。

2运行中存在的问题

(1)甲醇精馏装置物料进出关系复杂，3台

[收稿日期]2017-07-25 [修稿日期]2017-08-07

[作者简介]徐贺（1990—）男，辽宁凤城人,工程师，主要 从事工艺管理及技术改造方面的工作。

塔之间存在热量集成，且装置生产负荷波动较 大、外界蒸汽工况不稳定和塔釜再沸器蒸汽加入

• 40 •

量增减等的扰动明显。

(2)

中氮肥第1期

之上的。甲醇精馏装置先进控制系统的主要变量

见表1。甲醇精馏装置生产控制过程是一个典

型的多变量、多扰动、时滞长、各控制变量之间 耦合严重的复杂控制过程，常规PID的单输入、 单输出控制系统难以满足装置生产过程中所需的 整体控制要求。

(3)

加压精馏塔与常压精馏塔串联操作，

加压精馏塔塔顶的热甲醇蒸气作为常压精馏塔再 沸器的热源，必须使其顶部气相具有一定的温 度，进而实现常压精馏塔气液两相的传质传热; 同时，操作中又需要控制加压精馏塔塔釜的温 度，避免塔顶温度高导致重组分上移，造成精甲 醇产品中水分超标，并增加加压精馏塔和常压精 馏塔塔釜、塔顶温度控制的难度。可以看出，加 压精馏塔与常压精馏塔以差压热耦形式存在，相 互影响、相互制约。

3改进措施

3 1 先进控制系统整体构架

甲醇精馏装置先进控制系统是根据精甲醇产 品的质量要求和过程变量的控制约束，充分考虑 各个变量之间耦合的特点，采用工艺计算方式与 软件测量技术、多变量鲁棒预测控制技术等进行 工艺参数优化并计算出控制值[3]，然后依据控 制值进行模拟预测控制，进而减少甲醇精馏装置 工艺参数平均稳态偏差，提高装置运行的平稳 性，改善甲醇产品质量的同时，在保证产品质量 合格的前提下，通过关键工艺指标的“卡边” 操作，优化生产工况，提高装置产能，降低装置 能耗，提高企业的经济效益。甲醇精馏装置先进 控制系统构架如图1所示。

3 2先进控制系统变量之间的关系

甲醇精馏装置先进控制系统采用一个大

APC-Adcon控制器[4]，该控制器包含预精馏塔、

加压精馏塔、常压精馏塔3个子控制器，子控制 器的内部模型由各精馏塔生产实验测试、数据采 集、模型辨识验证等环节获得，每个子控制器设 计则根据各精馏塔的工艺要求，考虑各种约束条 件进而选择被控变量、操作变量和扰动变量的相 关控制关系与参数设置，并通过大量闭环仿真进 行逐步检验。各子控制器之间的关系由物料、能 量平衡关系来体现，而关键被控变量目标值是建 立在生产操作经验和流程模拟优化相结合的基础

图1

甲醇精馏装置先进控制系统构架图

表1

甲醇精馏装置先进控制系统的主要变量

操作变量

被控变量

干扰变量

预精馏塔

①再沸器蒸汽冷凝液调

塔釜温度

预塔粗甲醇进料量 节阀阀位塔釜压力

塔顶温度低压蒸汽总管压力

②

粗甲醇进料调节阀阀位塔釜液位塔釜采出调节阀阀位

③ 稀甲醇进料调节阀阀位稀甲醇量加压精馏塔

①再 沸器蒸汽 塔釜温力加压塔回流液流量

② 冷凝液调节阀阀位 塔顶温度低压蒸汽总管压力③ 进料调节阀阀位

塔釜液位塔釜采出调节阀阀位

④ 产品采出调节阀阀位回流槽液位加压塔回流液流量⑤回流液调节阀阀位 回流比

常压精馏塔加压塔顶部甲醇蒸

① 进料调节阀阀位下部温度

塔釜温度

气温度

常压塔回流液流量 ② 回流液调节阀阀位中部温度侧线采出流量

③

产品采出调节阀阀位

回流槽液位 回流比

④ 回流液温度调节阀阀位回流液温度

33控制方法

(1)预精馏塔主要控制目标为塔釜温度与 压力，先进控制系统中塔釜压力为设定点控制， 塔釜温度为范围约束控制，进而有效控制预精馏 塔塔底蒸汽调节阀的阀位，保证热量平衡，以有 效脱除甲酸甲酯、二甲醚、丙酮等轻组分，保证 产品质量。

第1期

(2)

徐贺：先进控制技术在甲醇精馏过程中的应用• 41 •

加压精馏塔与常压精馏塔耦合控制， 控制和“卡边”操作后，我们成功地将先进控

相互影响、相互制约：先进控制系统中塔釜压力 为设定点控制，塔釜和塔顶温度为范围约束控 制，进而有效控制加压精馏塔塔底蒸汽调节阀的 阀位，稳定塔釜温度，为常压精馏塔再沸器提供 热源，同时有效控制加压精馏塔塔釜的温度，避 免其塔顶温度过高而导致重组分上移，继而造成

精甲醇产品中水分超标。

(3)

常压精馏塔热源全部由加压精馏塔供，受加压精馏塔工况影响明显，调节时滞长， 因此需特别处理两塔的热量平衡和物料平衡。常 压精馏塔温度受负荷的影响明显，当装置负荷较 低时，塔内物料组分会下移，因此需控制较小的 回流比和低一点的精馏段灵敏点温度；当装置负 荷高时，塔内物料组分会上移，因此需控制较大 的回流比和稍高一点的精馏段灵敏点温度。此 外，先进控制系统中，塔中部和下部温度为设定 点控制，进而有效调控常压精馏塔回流调节阀的 阀位和进料调节阀的阀位；塔釜温度作为进料硬 约束指标，保证塔釜残液COD含量达标，减少 甲醇损失。

3. 4先进控制系统操作界面及其切换

实际应用过程中，为进一步方便人员操作，

在原DCS控制系统中引入了利于操作和切换的 先进控制系统操作界面，通过此操作界面，操作 人员可轻松实现先进控制系统的投用和切除[5]。 先进控制系统投用后，操作人员不必再频繁地对 相关的控制回路和调节阀进行调节，只需根据甲 醇精馏装置生产负荷的变化，合理设置各控制器 中变量的约束范围和控制点数据，控制系统就会 自动地在约束范围内对工艺参数基于模型进行预 测控制，实现甲醇精馏装置的精细化控制和 “卡边”优化，从而提高装置运行的稳定性。

先进控制系统投用和切除过程中，可实现与

DCS控制系统的无扰动切换，并且先进控制系统

中各子控制器均可灵活切换。此外，若先进控制 系统上位机与DCS控制系统OPC接口机之间通 讯信号中断，整个先进控制控系统会自动切除， 迅速恢复DCS控制系统的人工操作，不会影响 甲醇精馏装置的正常运行。

4应用情况

采用先进控制技术对历史生产数据进行模拟

制技术应用于甲醇精馏装置的生产控制中，其应 用效果显著。

4.1在预精馏塔中的应用情况

生产中，预精馏塔塔底温度和压力控制的好

坏直接影响粗甲醇中甲酸甲酯等低沸点杂质及不 凝气体的分离效果[6];同时，塔釜液位控制的 好坏直接影响物料平衡和传质传热效果。先进控

制系统以加热蒸汽量为操作变量，对预精馏塔底

温度进行有效地预测控制。

先进控制系统投用后，预精馏塔塔釜液位波 动幅度小，趋于平稳；塔底温度控制在73.4 ~ 74. 2 °C，波动范围减至1 °C以内。

4.2在加压精馏塔中的应用情况

加压精馏塔塔底压力和温度控制的好坏直接 影响加压精馏塔精甲醇产品中的水分和乙醇含 量，同时决定着能否为常压精馏塔提供一个稳定 的热源及装置蒸汽消耗的高低。先进控制系统以 加压精馏塔再沸器加热蒸汽量为操作变量，对加 压精馏塔塔底温度进行有效预测控制[7]。

先进控制系统投用后，加压精馏塔塔釜液位 波动幅度减小，趋于平稳；塔底温度控制在 126. 5 ~ 130. 5 C，波动范围减至4C以内；装 置蒸汽消耗大幅度降低。

4.3在常压精馏塔中的应用情况

常压精馏塔与加压精馏塔串联操作、耦合控 制，调节时滞长，常压精馏塔塔底压力和温度控 制的好坏直接影响常压精馏塔精甲醇产品质量和 常压精馏塔排放废水中的COD含量，以及废水 中甲醇损失情况，并严重影响装置的产能。先进 控制系统以常压精馏塔进料量和回流量为操作变 量，对常压精馏塔塔底温度进行有效预测控制。

先进控制系统投用后，常压精馏塔塔釜液位 波动幅度减小，趋于平稳；塔底温度控制在 102.7 ~ 105. 7 C，波动范围减至3C以内；塔 釜残液中COD含量稳定；装置产能得到提高。

5结束语

先进控制技术应用于浙江晋巨化工有限公司

的甲醇精馏装置后，解决了常规PID控制受干扰 和调节滞后的问题，增强了装置的抗干扰能力， 提高了装置运行的平稳性；同时，通过模型预测 和“卡边”操作，规范了操作方法，大大减少

提第1期2018年1月中氮肥

M-Sized Nitrogenous Fertilizer Progress

No. 1Jan. 2018

甲醇装置连续运行140 d的技改经验总结

段付岗

(陕西煤化能源有限公司，陕西长武713600)

[摘要]

结合陕西煤化能源有限公司600 kt/a甲醇装置的运行实际，分析甲醇装置气化工序棒磨机漏

浆严重、高压煤浆菜电流波动大、变换工序安全阀频繁启跳和离线切换气化炉等影响装置长周期、连续、 稳定运行问题的主要原因，通过采取一系列技术改造和操作改进措施，最终创造了甲醇装置连续、稳定运

行140 d的新纪录。

[关键词]甲醇装置；棒磨机衬板；阀球限位器；安全阀；气化炉切换；水冷器；蒸汽冷凝液回收站；

改造

[中图分类号]TQ223. 12 + 1

[文献标志码]B [文章编号]1004 -9932(2018)01 -0042 -03

陕西煤化能源有限公司600 k/a甲醇装置， 由华陆工程科技有限责任公司负责总体设计。其 中，空分装置采用德国林德公司的全低压深冷工 艺技术；气化装置采用西北化工研究院的多元料 浆气化技术；净化装置采用林德公司的低温甲醇 洗专利技术；甲醇合成和精馏装置采用瑞士卡萨 利公司的专利技术；硫回收装置采用荷兰荷丰公 司的超优克劳斯专利技术；同时，装置配套采用 了美国爱默生公司的分析检测仪表，以及美国霍 尼韦尔公司和德国西门子公司的自动化控制系 统。

2016

月28日一2017年2月14日装置创造了连续运行 近140 d的长周期运行纪录，而这一新运行纪录 的创造则得益于装置所采取的一系列技术改造和 操作改进措施，我们通过补短板、消瓶颈达到了 稳产增效的目标。现简介如下。

1棒磨机衬板改造

生产过程中，曾因棒磨机漏浆、煤浆槽料位

低造成气化炉紧急停车1次，全系统停车近32 h。 当时3台棒磨机不停地漏浆，甚至同时泄漏，严 重影响了系统的稳定运行，棒磨机漏浆一度成为

年装置共生产甲醇505. 3 kt。2016年9

制约全系统生产的瓶颈问题，其影响极其严重。

2016

年3月大检修期间，对气化装置3台

[收稿日期]2017-05-27

[作者简介]段付岗（196—）男，陕西蒲城人，化工工艺高 级工程师，注册安全工程师，陕西煤化能源有限公司副总工程师、 安健环部经理，长期从事磷复肥和煤化工生产、技术、安全、环保 等方面的管理工作。

棒磨机实施了改造，主要是将其筒体内壁的橡胶 衬板改为钢衬板，包括压条、压板、压紧螺栓等 在内的成套内衬全部予以更换。改造后1a多 来，钢衬板未出现过损坏，由此避免了煤浆供给 不足、煤浆槽液位下降的事故；当然棒磨机偶尔

[2]吴培，张本峰，樊安静.先进控制系统在甲醇精制过程

中的应用[J].小氮肥，2014, 42 (2): 9-11.

[]章鹏，张艳辉，金晓明.先进控制技术及其在大型甲醇

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[]于泽峰.多变量预测控制技术在甲醇精馏装置的应用[].

氮肥技术，2015, 36 (4) : 29 -33.

了人工调节的不及时和不一致，大幅度提高了甲 醇精馏生产过程主要工艺参数的平稳性，提高了 装置产能和产品质量。目前，国内甲醇行业竞争 激烈，提高产品质量、产能，降低装置能耗，是 提升企业竞争力的最有效途径，期望本文能为类 似甲醇精馏装置的优化运行提供一些参考和借鉴。

[参考文献]

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