乙二醇精制單元先進(jìn)控制技術(shù)應用

石工業(yè)生產(chǎn)化技術(shù),2008,15(1):23 PETROCHEMICAL INDUSTRY TECHNOLOGY乙二醇精制單元先進(jìn)控制技術(shù)應用王立忠王憲久2胡桂清2(1.中國石油撫順工程建設有限公司,撫順113000;2.中國石油撫順石化公司乙烯化工廠(chǎng),撫順113000摘要:介紹了 Foxboro公司 CONNOISSEUR先進(jìn)控制軟件在環(huán)氧乙烷乙二醇裝置乙二醇精制單元控制系統中的應用,對其中的偽隨機二進(jìn)制序列建立過(guò)程動(dòng)態(tài)模型技術(shù)和多變量預測控制技術(shù)進(jìn)行了詳細介紹乙二醇精制單元應用該先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)實(shí)踐證明,精制單元能夠減少工藝參數波動(dòng),穩定生產(chǎn),提高產(chǎn)品產(chǎn)量降低能耗,達到提高經(jīng)濟效益的目的。關(guān)鍵詞:乙二醇精制單元偽隨機二進(jìn)制序列多變量預測控制中國石油撫順石化公司乙烯化工廠(chǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)撫制的乙二醇在巴氏精餾段下取出并冷卻至45℃,順乙烯廠(chǎng))環(huán)氧乙烷/乙二醇(EO/EG)裝置采用作為側線(xiàn)乙二醇產(chǎn)品采出。該產(chǎn)品要求二乙二醇 Shell公司專(zhuān)利技術(shù)與工藝設計方案,于1992年5的含量少于500gg月建成開(kāi)車(chē)。裝置設計生產(chǎn)能力為50kt/a當量環(huán)乙二醇塔的釜液仍然含有約82%的乙二醇,氧乙烷(EOE)2000年5月進(jìn)行擴能改造,EO生這些乙二醇將在乙二醇循環(huán)塔(C-502)中回收。產(chǎn)能力達到65kt/a,年操作時(shí)間設計7560h塔頂氣在塔頂換熱器(E-505)中冷凝。塔頂產(chǎn)品撫順乙烯廠(chǎng)針對乙二醇精制單元原控制方案循環(huán)氣脫水塔能使任何輕度分解的產(chǎn)品除去。富中只使用了簡(jiǎn)單的PID控制回路或者溫度流量串乙二醇物料由側線(xiàn)采出,返回到C-404。釜液要求級回路,無(wú)法同時(shí)考慮到幾個(gè)精制塔中眾多變量乙二醇含量小于0.04%之間復雜的關(guān)系情況,進(jìn)行了先進(jìn)技術(shù)控制應用,優(yōu)化工藝操作,減少工藝波動(dòng),實(shí)現了降低裝置能2問(wèn)題的提出耗和物耗的目的。為了低溫操作防止產(chǎn)品降解,在乙二醇精制工序各塔中都采用真空操作。為了防止真空系統1工藝簡(jiǎn)介空氣吸入產(chǎn)品氧化(例如生成醛),導致產(chǎn)品質(zhì)量含有58.36%(質(zhì)量分數,以下同)的EO水溶下降各塔及其附屬件均設計最小的空氣泄漏量。液和水按一定比例在3.65MPa,人口194℃出口因受通過(guò)塔所允許的壓力降限制,各塔采用低壓217~234℃條件下進(jìn)行液相無(wú)催化水合反應生力降的填料。由于這種填料的液體滯留量相對較成乙二醇、二乙二醇等產(chǎn)品,經(jīng)三效蒸發(fā)(C-401、少,塔的氣相負荷波動(dòng)將導致在較短的相應時(shí)間C-402、C-403),釜液含量為77.6%乙二醇流至乙內產(chǎn)品組成的波動(dòng),因此,原控制系統采用溫度和二醇脫水塔(C404)在真空操作下脫除剩余的水供給再沸器蒸汽流量串級控制各塔的加熱量,以(含水量小于100μg/g)。脫水塔塔頂氣的部分凝保證恒定的氣體流量通過(guò)塔,用回流罐的液位和液作為脫水塔的回流液,余下的凝液送去廢水處流量串級控制塔的回流。但是,實(shí)際上由于多個(gè)變理。C-404釜液送至乙二醇精制塔(C-501),C-501塔頂氣在熱虹吸式冷凝器(E-501)中冷卻后,到回收日期:2007-07-26修改稿收到日期:2008-01-20流罐(V-503)。為了減少乙二醇在真空系統的損作者介:王立忠,工程師,1997年畢業(yè)于遼寧石油化工耗,在V-503的頂部設有放空冷凝器(E-502),保大學(xué)計算機工程系,主要從事裝置先進(jìn)控制系統工作。證微量水和其他輕的雜質(zhì)經(jīng)過(guò)真空系統脫出。精聯(lián)系電話(huà):0413-758928924石化技術(shù)2008年第15卷第1期量之間存在著(zhù)嚴重的耦合作用,只調節某單一回3.15控制器設計工具路或單一的串級,并不能使被控變量穩定,相反有可根據辨識得到的模型進(jìn)行系統的控制器設時(shí)由于耦合作用,使系統的波動(dòng)更加嚴重。計,其中包含LR()、QP、LR+QP的多種控制器模C-404、C-501、C-502的容量都比較小,上游式,并且能夠進(jìn)行設定值控制以及約束控制。單元操作上稍有輕微波動(dòng),會(huì )導致后續各塔液位3.1.6系統仿真工具大幅波動(dòng),破壞系統的平衡,甚至引起滿(mǎn)塔或者空對系統的辨識模型進(jìn)行仿真,以確保辨識模塔操作。單個(gè)塔的各個(gè)變量之間以及各塔變量之型的準確性?？梢詫刂破鬟M(jìn)行離線(xiàn)和在線(xiàn)的仿間的耦合關(guān)系比較嚴重。通常的操作中,經(jīng)常是對真運行,以保證控制器的穩定和裝置的安全。一個(gè)變量進(jìn)行調節后,引起多個(gè)變量的同時(shí)動(dòng)作,31.7P線(xiàn)性穩態(tài)優(yōu)化器、模型自適應工具然后再對這些變量進(jìn)行調節。操作員處于頻繁的LP線(xiàn)性?xún)?yōu)化器能夠設計系統的優(yōu)化控制器,系統調整過(guò)程中,裝置較難在較短時(shí)間內達到穩使得控制器能夠在操作允許的范圍內進(jìn)行系統尋定的操作狀態(tài)。優(yōu),查找最優(yōu)化的操作點(diǎn),保證裝置操作的利潤最針對以上情況,有必要引進(jìn)一種先進(jìn)的控制大化。模型自適應工具能夠使控制器在多組模型方法。該技術(shù)能夠對系統中的多個(gè)變量進(jìn)行解耦,之間進(jìn)行在線(xiàn)切換,從而保證控制器的投用率和并對多個(gè)變量同時(shí)進(jìn)行調整,進(jìn)而穩定系統的操投用效果。作,實(shí)現裝置安全穩定生產(chǎn),節能降耗,達到產(chǎn)量3.2硬件構成最大化。經(jīng)過(guò)調查研究,采用了 Foxboro公司的多先進(jìn)控制系統運行于專(zhuān)門(mén)的PC工作站上,變量預估控制器軟件包(CONNOISSEUR)并且實(shí)通過(guò)乙太網(wǎng)接口和DCS的AW51F通訊。先進(jìn)控施了以多變量預估控制為主的先進(jìn)控制系統。制的操作畫(huà)面在DCS操作站上實(shí)現操作員可以直接在DCS操作站上進(jìn)行先進(jìn)控制的操作,圖13先進(jìn)控制系統介紹為系統連接示意圖。先進(jìn)控制系統采用 Foxboro公司UA系列的33多變量預測控制(MPC)技術(shù) CONNOISSEUR控制軟件包。該軟件包由離線(xiàn)的MPC是一種多變量的先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù),它工廠(chǎng)分析系統和在線(xiàn)的工廠(chǎng)實(shí)時(shí)優(yōu)化控制系統構可以通過(guò)使用一個(gè)表述過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的數學(xué)模型成。在軟件環(huán)境中集成了大量的工具軟件,使得整來(lái)預測受控過(guò)程的未來(lái)變化。通過(guò)這個(gè)預測模型,個(gè)高級控制項目可以使用該軟件包獨立的完成?？刂破饔心芰τ嬎愠鲎顑?yōu)的執行器輸出值,以確3.1系統工具?？刂葡到y在不違反設備約束條件下,最小化過(guò)3.1.1系統組態(tài)工具以及歷史趨勢工具程工藝值與設定值之間的偏差。此外,模型還可用此工具可完成相關(guān)回路的組態(tài)以及同下游控于優(yōu)化操作點(diǎn)的計算,來(lái)實(shí)現裝置的優(yōu)化操作。模制器(通常是DCS)的通訊,并且能夠完成相關(guān)數型預測控制通常適用于那些存在大滯后或多變量據的趨勢繪制、歷史存儲以及定期存盤(pán)備份。耦合的復雜過(guò)程特性。當這些情況交織在一起時(shí),3.1.2過(guò)程測試工具傳統的PID調節方法往往難以發(fā)揮作用。常見(jiàn)現包括偽隨機二進(jìn)制序列(PRBS)測試階躍測象是一些常規控制策略經(jīng)常被放在手動(dòng)方式,或試工具、脈沖測試工具用戶(hù)可以根據需要進(jìn)行選被迫降低其調節性能來(lái)面對復雜的工藝過(guò)程。利擇,然后對系統過(guò)程進(jìn)行激勵得到測試數據。用MPC對多個(gè)變量進(jìn)行解耦,并且同時(shí)對多個(gè)變3.13統計工具量進(jìn)行操作,從而能夠實(shí)現過(guò)程的穩定操作。對相關(guān)的數據進(jìn)行統計。在大量的數據之中3.4MPC控制器結構進(jìn)行分析,進(jìn)而發(fā)現其中隱藏的實(shí)質(zhì)性關(guān)系,如3.4.1控制變量(CV)多個(gè)變量之間的因果關(guān)系等。CV是系統的控制目標,可以是設定值控制或3.1.4模型辨識工具者是區域控制。通過(guò)調整其他回路或者調節閥來(lái)對測試的數據進(jìn)行分析辨識,進(jìn)而建立系統使其穩定在設定值或者控制區域內。過(guò)程的模型。能夠進(jìn)行模型數據的標準化以及在3.4.2操作變量(MV)傳遞函數模型、狀態(tài)空間模型之間進(jìn)行轉化用來(lái)MV是主要的調節手段,一般調節回路的設進(jìn)行系統過(guò)程特性的分析。定值,有時(shí)也直接調節調節閥的輸出。王立忠等乙二醇精制單元先進(jìn)控制技術(shù)應用25先進(jìn)控制軟件 winXP程信網(wǎng)應用1作站控制節點(diǎn)操作工作站心過(guò)程輸入輸出圖1系統連接示意3.4.3前饋變量(FV)范圍內。FV是對系統的控制有影響,但是又沒(méi)有調節5)在多變量預估控制器的上層設計并實(shí)施線(xiàn)手段的變量。MPC控制器的結構示意見(jiàn)圖2。性穩態(tài)優(yōu)化器。通過(guò)在產(chǎn)品效益以及生產(chǎn)能耗之間的協(xié)調,計算出各控制變量以及操作變量的最優(yōu)值,作為下層多變量預估控制器相應的設定值,從而使系統操作利潤最大化和能耗成本最小化。3.6模型辨識與PRBS測試建立MPC控制器必須得到CV與MV之間多變量的動(dòng)態(tài)相應關(guān)系,即模型辨識。通常建立過(guò)程模型使用階躍測試。但是使用階躍測試有以下缺點(diǎn):加到MV上的階躍信號必須足夠大,太小將無(wú)法反應CV與MV之間的關(guān)系,但太大將導致裝置生圖2MPC控制器結構示意產(chǎn)波動(dòng),破壞裝置平衡,甚至引發(fā)生產(chǎn)事故;通常的階躍測試只能得到單個(gè)CV與MV之間的關(guān)3.5控制目標系,如果對于多輸入輸出的控制器來(lái)說(shuō),階躍測試通過(guò)在給定的約束范圍內,調整各塔的回流將耗費大量的工程時(shí)間PRBS是一種在保證對裝量、采出量以及再沸器蒸汽量,實(shí)現以下目標。置干擾最小的前提下,得到過(guò)程動(dòng)態(tài)響應的有效1)各塔的靈敏板溫度穩定在設定值,并且減方法。它使得MV以?xún)蓚€(gè)指定的值變化,在每個(gè)值少溫度波動(dòng)的范圍,保證產(chǎn)品質(zhì)量,并進(jìn)一步實(shí)施上停留的時(shí)間為一個(gè)隨機間隔的隨機數倍。這樣,卡邊控制,以使產(chǎn)量最大化,能耗最小化。PRBS測試就能帶給裝置最小的擾動(dòng),并且多個(gè)2)各塔的其他溫度參考點(diǎn)在給定的約束范圍CV與MV可以同時(shí)進(jìn)行,節約大量的工程時(shí)間,內波動(dòng),保證各塔的穩定操作。測試示意見(jiàn)圖3。3)各塔的液位在給定的約束范圍內波動(dòng),在針對各個(gè)變量的不同特性分別相應的進(jìn)行了各塔的有限容量空間內協(xié)調,保證各塔的液位穩階躍測試和PRBS測試測試的同時(shí)可以利用定,減少對其他參數的影響,確保穩定操作。 CONNOISSEUR軟件包提供的統計工具進(jìn)行相應4)使各塔的壓力系統波動(dòng)保持在給定的約束的交叉相關(guān)性的分析,直至得到的數據能夠明顯石化技術(shù)2008年第15卷第1期=[ Pe+ +] (1)1m過(guò)式中,J為成本函數值;M為水平設計區間步數;T為預測步數;P、Q、R分別為偏差及控制輸出的調整權重;e為CV距離設定值的偏差;△u為MV的運動(dòng)增量;f為MV距離穩態(tài)設定目標的偏差。圖3PRBS測試示意通過(guò)調整各參數,使成本函數J最小化。同時(shí),也地反映出過(guò)程的因果關(guān)系,將采得有效的測試數可以改善cV和MV在過(guò)程響應中動(dòng)作的快慢據保存,結束過(guò)程測試。在確定好相關(guān)參數之后,根據辨識模型系統模型測試的數據必須經(jīng)過(guò)處理之后才能用于將生成控制器?？刂破髟趯?shí)際投用之前,經(jīng)過(guò)離線(xiàn)過(guò)程模型的辨識。 CONNOISSEUR軟件包提供了和在線(xiàn)的仿真,以保證控制器設計的正確性。很方便的工具用于進(jìn)行測試數據的修改和處理。 CONNOISSEUR夠自動(dòng)在c上生成用戶(hù)可以進(jìn)行壞質(zhì)量數據的刪除、多個(gè)相關(guān)數據的數操作界面操作員可以從DCS上看到控制器的當學(xué)運算,以及多段歷史數據的連接等等。經(jīng)過(guò)處理前狀態(tài),以及DCS與上位機通訊是否正常。當控后的數據被導人過(guò)程分析軟件包進(jìn)行模型辨識。制器激活后,MPC以開(kāi)環(huán)方式運行當操作員確認在模型辨識過(guò)程中,需要確定一些相關(guān)的參數,如控制器及通訊正常后,便可以在DCS界面上將模型的結構(CV、MV、FV)確定,模型的階數、模型MPC投人閉環(huán),從而使生產(chǎn)過(guò)程由常規控制切換的預估周期等等,經(jīng)過(guò)最小二乘法的辨識計算,系到先進(jìn)控制。統將產(chǎn)生過(guò)程的辨識模型。產(chǎn)生的模型在應用到系統之前要去檢驗模型的有效性。圖4是模型計4性能評估算數據與裝置實(shí)際運行數據的比較。系統投用先進(jìn)控制之后,在正常生產(chǎn)條件下對該控制系統進(jìn)行長(cháng)期的觀(guān)察,發(fā)現系統的相關(guān)C-501塔頂溫度CV在控制器的調節作用下,逐步進(jìn)入穩定操作狀態(tài)(見(jiàn)圖5)。C-502塔底溫度C404塔液位c404塔頂溫度C-502液位C404塔溫度C404塔底溫度時(shí)間圖4模型數據與實(shí)際數據比較時(shí)間1模型計算數據;2實(shí)際運行數據圖5系統控制變量運行趨勢3.7控制器的設計與投運系統的回流量減少,提高了塔的運行效率。產(chǎn)在實(shí)際控制器的運行過(guò)程中,存在很多的方品采出量增加,提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量塔的靈敏板溫法能夠實(shí)現控制目標?？刂破鞯脑O計其實(shí)就是找度逐步穩定波動(dòng)幅度減小,從而減少了蒸汽的使到能夠實(shí)現CV控制目標的MV的最佳的運動(dòng)方用量,降低了裝置的能耗。式在 CONNOISSEUR的控制器設計中,考慮到了 CONNOISSEUR軟件包提供了運行數據統計實(shí)現控制目標所需要的成本。在保障實(shí)現CV控分析工具。經(jīng)過(guò)統計分析發(fā)現控制目標的波動(dòng)(以制目標的同時(shí),保證MV運動(dòng)成本的最小化。因標準方差表示)明顯減小C404塔常規控制下的此在系統中引入了成本函數的概念。數據與高級控制下各3天數據統計比較見(jiàn)表1王立忠等乙二醇精制單元先進(jìn)控制技術(shù)應用27表1C-404塔常規控制與高級控制數據統計常規控制高級控制項目當前值平均值標準偏差當前值平均值標準偏差C-404塔頂溫度/℃50.4010650.025501.07623253.473651.719111.143831C-404塔底液位,%48.2968749.893732.73965754.8300852053852.185043C-404塔底溫度℃135478134.1600.846889133512133.9150.575873E407蒸汽流量/(th22157472.1921880.1129082.0628372.1473770.078010C-404回流量/(mh)0.3625640.3438120.0384450.2600000.2955950.031521C-404塔底采出mh68608556.9602170140450695908069923880.105225結語(yǔ)動(dòng)強度,已經(jīng)越來(lái)越多被更多的裝置所采用,并成先進(jìn)控制技術(shù)的投用減少了生產(chǎn)的波動(dòng),穩為現有裝置不進(jìn)行擴容改造時(shí),提高產(chǎn)品產(chǎn)量,降定了生產(chǎn)操作,使得系統的卡邊操作成為可能。提低能耗的主要手段。高了產(chǎn)量降低了能耗,同時(shí)減少了操作人員的勞(編輯谷彥麗) The Application of APC in MEG Refinery Wang Lizhong', Wang Xianjiu2 and Hu Guiqing (1. Fushun Petrochemical Engineering Co., CNPC, Fushun, 113000; 2. Fushun Ethylene Petrochemical Co., CNPC, Fushun, 113000) Abstract ethylene oxide/ethylene glycol plant was introduced, the technology for built process dynamic moder The application of the Connoisseur Advanced Process Control(APC) software in the control system o of pseudo-random binary sequence and multivariable predictive control method described in detail. It was proved that the operation was more steadily, the output and profit to be increased and energy saving because of the APC in use to the purification unit. Key words: ethylene glycol purified unit, pseudo-random binary sequence, multivariable predictive control重要啟事《石化技術(shù)》編輯部電子信箱自2007年9月1日起更改為:pcit.yssh pcit. yssh@sinopec.com !.com特此申明歡迎踴躍投稿!%《石化技術(shù)》編輯部吧