氣體分餾塔多參數在線優化控制方法

2023-12-12 12:46:17

專利名稱：氣體分餾塔多參數在線優化控制方法
技術領域：
本發明涉及煉油工業中氣體分餾塔的計算機過程控制技術，特別是MTBE、氣體分餾、烷基化等化工裝置的氣體分餾塔的微機在線優控方法。
煉油廠中氣體分餾塔的主要生產任務，是將液態烴按工藝要求在塔頂塔底切割成不同的產品組分。產品品質的好壞取決於該塔的壓力、溫度及塔內的汽、液相負荷的分布。汽、液相負荷在塔板上分布的是否均勻和穩定，是決定塔的分餾效果與產品品質的主要因素。而塔的汽、液相負荷，又分別由塔底重複器的蒸汽量和塔頂回流量提供。舊的控制方案，不論是氣體分餾裝置的分餾塔，還是MTBE的分餾塔，或是由美田引進的烷基化裝置的氣體分餾塔，對上述的溫度、壓力以及汽、液相負荷，都是採用單參數控制方法，這樣由於操作人員的方法不一，加上人為滯後及對各參數的調整顧此失彼，不僅水、電、汽消耗過大，而且質量無法保證。對裝置冷換設備的洩漏以及開長周期等均有很大影響，直接影響整個裝置的經濟效益。
本發明的目的是針對當前生產存在的上述問題，以最優控制原理中多約束條件下尋找優化點的優化思想為依據，結合對現有串級控制和單參數控制的改進，通過對氣體分餾塔的壓力、頂溫、底溫以及靈敏板溫度等相關參數的優化運算，實現對分餾塔回流量和蒸汽量實時閉環在線優化控制，最終達到合理分配塔內汽、液相負荷，提高產品質量，節能降耗提高經濟效益的目的。
為實現上述目的，本發明在現有MTBE生產裝置DCS系統或其它計算機控制系統上，設置一臺完成優化運算與控制的上位計算機，而以現有控制系統的計算機為下位機。上位機CPU處理能力要求80386以上的IBM或兼容機。首先將分餾塔的頂溫、底溫、靈敏板溫度、塔壓力以及回流量與蒸氣量的測量值、給定值等有關數據，通過上、下位機通訊傳至上位優化機。優化機經過多參數優化運算，將得到的最佳蒸汽量和回流量的控制值通過上、下位機通訊發給下位機，由下位機的現場控制單元完成控制功能；再將現場控制結果反饋給上位機，重複上述過程以實現分餾塔的多參數優化運算，並對蒸汽量與回流量實現閉環在線優化控制。本發明電腦程式的設計思想是按照溫度、壓力與控制量之間關係的數學模型分別編制分餾塔氣相負荷和液相負荷的在線優化控制程序。下面分別闡述兩部分程序的數學模型、算法結構和技術特徵。
1、分餾塔汽相負荷在線優化控制程序(算法1)以溫度——蒸氣流量(自控表)為例設底溫——主控參數為TO，允許波動偏差±ΔTO，允許波動值域為TO±ΔTO；設靈敏板——輔調溫度為TBO；允許塔壓力為PO(MPa)；設流量——副控制參數為FO，允許上、下限為FO大、FO小，初始控制量FO＝(FO大+FO小)/2，波動幅度為ΔFO＝|(FO大+FO小)|/2；初始步長為K×ΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO；其中K為滯後因子，可依表類型調整，適宜值為0.1--10。
線性關係為ΔT+ΔTB→FO-K×ΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO約束邊界ΔTB為0≤|ΔTB|≤3(取整數)約束邊界(流量)FO小≤FO-K×ΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO≤FO大控制過程設實測主參數變化值為TPV(底溫)，靈敏板溫度實測值為TBPV，底溫偏差值ΔT＝ TPV-TO，靈敏板偏差ΔTB＝TBPV-ΔTBO。
首先判斷FPV。當FO小≤FPV≤FO大，且實測塔壓PPV≤PO時，按如下模型控制ΔT+ΔTB→FO-K×ΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO當FO小≤FPV≤FO大，且實測塔壓PPV≥PO時，按如下模型控制ΔT+ΔTB→FO-|K×ΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO|2.分餾塔液相負荷在線優化控制程序(算法2)以靈敏板+頂溫→回流量(自控表)為例設頂溫→主參數為TO，允許波動偏差為±ΔTO，允許波動值域為TO±ΔTO；靈敏板溫度設定值為TBO；塔壓力設定值為PO(MPa)；設流量→副控制參數為FO，允許上、下限為FO大、FO小，首控量(FO)模型FO＝(FO大+FO小)/2(或由優化運算來)；波動幅度為ΔF＝|(FO大+FO小)/2|步長為KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO線性關係為ΔT+ΔTB→F+KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO
約束邊界為-3≤ΔTB≤O(ΔTB取整數)FO小≤F+KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO≤FO大控制過程設實測主參數變化值為TPV(頂溫)，微控(靈敏板)實測值為TBPV，則ΔT＝TPV-TO，ΔTB＝TBPV-TBO。
首先判斷FPV。當FO小≤FPV≤FO大，且實測塔壓PPV＜PO時，按如下模型控制ΔT+ΔTB→FO+KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO當FO小≤FPV≤FO大、且PO≤PPV＜PO+0.06時，按如下模型控制ΔT+ΔTB→FO-KΔF(ΔT+ΔTB)/(ΔTO+1)當FO小≤FPV≤FO大，且實測塔壓PPV≥PO+0.06，按如下模型控制ΔT+ΔTB→FO-KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO採用本方法對氣體分餾塔汽、液相負荷實時在線閉環優化控制後，可使MTBE、氣體分餾裝置或其它裝置中的氣體分餾塔的操作實現自動調節塔內汽、液相負荷，避免了原控制中易使塔內汽、液相負荷失衡的不良現象，穩定了塔的操作。與國內同類裝置採用的串級控制相比，具有控制過程穩定，運算參數多，控制精度高，節能效果好，產品質量穩定等特點。並且具有安全、預測等功能。
下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步說明。


圖1為MTBE裝置分餾塔部分物料流程圖；圖2為控制過程框圖3為優化控制參數設定程序流程圖；圖4為分餾塔汽相負荷在線優化控制運算程序流程圖；圖5為分餾塔液相負荷在線優化控制運算程序流程圖；圖6為MTBE裝置分餾塔多參數在線優化控制設計構思框圖。
圖1中，1為反應物料，2為第一共沸塔，3為回流量，4為第二反應器，5為第二共沸塔，6為回流量，7為蒸汽量。
圖2中，T304為共沸塔，PT為壓力變送器，TT為塔底溫度變送器，TBT為靈敏板溫度變送器，FT為流量變送器，DQ為電氣轉換器，XWJ為下位機，KBT為變步長控制器(上位機)，FS為蒸氣量上下限設定。
圖3為優化控制參數設定程序流程圖。在此功能模塊，用戶通過人機畫面對話，可以選擇各塔蒸汽量或回流量的初始設定值及修改有關參數設定值。包括有塔底、塔頂溫度初值；塔底、塔頂溫度偏差限值；塔壓限值；蒸汽量或回流量限值；靈敏板溫度限值；滯後因子等優化運算所需各種參數值。在此功能模塊，用戶可以選擇具備條件的(正在投在線自動單迴路調節)蒸汽量或回流量投優化控制，也可以將已投優化控制的蒸汽量或回流量摘除優化控制，回到在線自動單迴路調節方式下運行。
圖4為分餾塔氣相負荷在線優化控制運算程序流程圖。本功能模塊進行多參數綜合優化控制所需各種運算。主要包括首先計算塔底溫度和靈敏板溫度的偏差值ΔT、ΔTB，計算蒸汽量給定值SVO及測量偏差值ΔF，然後限制靈敏板溫度在±3℃之內；進一步判斷當前蒸汽量的測量值F是否在設定限值(F小，F大)之內，若在(F小，F大)之內，則又判斷當前塔壓力是否低於設定塔壓限值，若低於設定塔壓，則當前蒸汽量最佳設定值為SV＝FO-KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO；若高於設定塔壓限值，則當前蒸汽量最佳設定值為FO-|KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO|，然後將最佳蒸汽量設定值送到變步長控制器，發到下位機現場控制單元完成優化控制任務。
圖5為分餾塔液相負荷在線優化控制運算程序流程圖。本功能模塊進行多參數綜合優化控制所需各種運算。主要包括首先計算塔頂溫度和靈敏板溫度的偏差值ΔT、ΔTB，計算回流量給定值SVO及測量偏差值ΔF，然後限制靈敏板溫度在-3--0℃之內；進一步判斷當前回流量的測量值F是否在設定限值(F小，F大)之內，若在(F小、F大)之內，則又判斷當前塔壓力是否低於設定塔壓限值，若低於設定塔壓，則當前回流量最佳設定值為SV＝FO+KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO；若高於設定塔壓限值，則當前回流量最佳設定值為FO-KΔF(ΔT+ΔTB)/(ΔTO+1)，然後將最佳回流量設定值送到變步長控制器，發到下位機現場控制單元完成優化控制任務。
圖6為MTBE裝置分餾塔多參數在線優化控制設計構思框圖。本功能模塊描述了MTBE裝置分餾塔多參數在線優化控制的構思及實施流程。主要包括有首先通過通訊將現場計算機控制系統的有關數據讀入優化上位機，然後在多參數在線優化控制參數設定畫面設定有關參數；分別選擇蒸氣量或回流量的優化表，當滿足條件時，可投優化控制，將優化運算的結果送給變步長先進控制器，最後發到下位機現場控制單元完成優化控制任務。
氣體分餾塔在線閉環優化控制，就是針對MTBE裝置、氣體分餾裝置及其它裝置中的氣體分餾塔的溫度、壓力及其它參數實行在線動態優化運算，並在與其相應的塔頂回流量和塔底蒸汽量各自的串級或單迴路控制的基礎上，實現氣體分餾塔的多參數在線閉環優化控制。現以MTBE裝置共沸塔汽相負荷控制過程為例加以說明。
首先在上位優化機上將共沸塔塔底溫度按工藝設定為146℃，允許波動偏差設定為±3℃，靈敏板溫度設定為141℃，壓力約束邊界為≯0.75MPa，蒸汽量上限設定為4.4T/H，下限為1T/H，滯後因子K設定為1.0，此時投在線優化控制。由優化機進行算法1運算，再將運算得到的蒸汽量的優控值賦予變步長控制器，作為塔底蒸汽量的初始控制量；再將可變步長控制器得到的最佳控制量通過上、下位機通訊發給下位機，再由下位機的現場控制單元完成塔底溫度與蒸汽量在塔底溫度優化值附近或蒸汽量上下限設定內的平衡調節。現場控制單元將控制結果由TT、TBT、FT、PT反饋給上位優化機，然後重複上述過程。
權利要求
1.一種氣體分餾塔多參數在線優化控制方法，其特徵在於它是在生產裝置現行計算機控制系統上設置一臺完成優化運算與控制的上位計算機，以現有控制系統的計算機為下位機，並按如下步驟進行a.按照溫度、壓力與控制量之間關係的數學模型確定i)分餾塔汽相負荷在線優化控制算法；ii)分餾塔液相負荷在線優化控制算法；b.依據控制算法編制在線優化控制程序；c)運行在線優化控制程序。
2.根據權利要求1所述的優化控制方法，其特徵在於所說的分餾塔氣相負荷在線優化控制算法內容包括a，在線優控相關參數設定；b，計算塔底溫度和靈敏板溫度的偏差值ΔT、ΔTB，計算蒸汽量給定值SVO及測量偏差值ΔF；c，限制靈敏板溫度偏差在±3℃之內；d，判斷當前蒸汽量的測量值F是否在設定限值之內，如不在，則退出；e，判斷當前塔壓力是否低於設定塔壓限值；f，若低於設定塔壓，則當前蒸汽量最佳設定值為SV＝FO-KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO；g，若高於設定塔壓限值，則當前蒸汽量最佳設定值為FO-|KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO|；h，將最佳值蒸汽量設定值送到變步長控制器，發到下位機現場控制單元完成優化控制。
3.根據權利要求1所述的優化控制方法，其特徵在於所說的分餾塔液相負荷在線優化控制算法內容包括a，在線優控相關參數設定；b，計算塔頂溫度和靈敏板溫度的偏差值ΔT、ΔTB，計算回流量給定值SVO及測量偏差值ΔF；c，限制靈敏板溫度偏差在-3--0℃之內；d，判斷當前回流量的測量值F是否在設定限值之內，如不在，則退出；e，判斷當前塔壓力是否低於設定塔壓限值；f，若低於設定塔壓，則當前回流量最佳設定值為SV＝FO+KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO；g，若高於設定塔壓限值，則當前回流量最佳設定值為FO-KΔF(ΔT+ΔTB)/(ΔTO+1)；h，將最佳回流量設定值送到變步長控制器，發到下位機現場控制單元完成優化控制。
4.根據權利要求1所述的優化控制方法，其特徵在於所說的在線優化控制程序是對分餾塔汽相負荷在線優化控制算法和分餾塔液相負荷在線優化控制算法的電腦程式實現，其中在線設定參數要求為a，汽相負荷限制靈敏板溫度偏差在-3℃--3℃之內；b，液相負荷限制靈敏板溫度偏差在-3℃--0℃之內；c，滯後因子K＝0.1--10。
全文摘要
本發明公開了一種煉油工業中化工裝置的氣體分餾塔多參數在線優化控制方法。它是在生產裝置現行計算機控制系統上,設置一臺完成優化運算與控制的上位計算機,結合對串級控制和單參數控制的改進,給出針對氣體分餾塔的壓力、溫度的多參數在線優化控制算法,並據以編制、運行電腦程式,以對氣體分餾塔的回流量和蒸汽量實現在線優控,最終達到合理分配塔內汽、液相負荷,提高產品質量,節能降耗的目的。
文檔編號B01D3/14GK1169330SQ9611540
公開日1998年1月7日 申請日期1996年6月25日 優先權日1996年6月25日
發明者張龍祥, 金晶浩, 欒錫林, 金福江, 林錫鎮, 王昌東, 許志勇, 王樹貴 申請人:撫順石油化工公司石油二廠, 撫順石油學院計算機技術開發公司