基于用戶需求的催化工藝過程仿真控制策略設計

李 敏, 郝 雷, 閆景運, 張 欣

(1. 河北大學 電子信息工程學院, 河北 保定 071002；2. 河北大學 光伏技術虛擬仿真實驗教學中心, 河北 保定 071002)

催化工藝過程是一個連續的物質轉化過程。在催化過程中,原料不間斷地通過一組設備,最終達到一定的產品濃度和產品累積量。催化過程廣泛應用于化工、石油、鋼鐵、稀土、建材等過程工業中的基礎原材料行業。然而,物質的轉化過程復雜、反應過程變量時變且多擾動,工業裝備運行中又涉及高溫、高壓、易燃、易爆,工序變化牽一發而動全身[1-4]。因此,亟待借助仿真設備優化生產過程控制,尋求合理的變量控制范圍,將產品質量、生產效率、原料消耗等生產指標控制在目標值范圍內,推進流程工業向智能化生產轉型升級[5]。

本文介紹了催化工藝過程,以催化工藝過程的核心部分——反應器為主要控制對象,利用仿真設備SMPT1000和西門子PCS7過程控制系統,根據用戶的實際需求,完成了工藝全過程的控制系統設計,并重點研究了反應器內液位的不同對產品濃度和累積量的影響,為復雜反應過程中變量控制找到了合理的參數范圍,也有助于培養學生解決復雜工程問題的能力。

1 工藝過程控制分析

1.1 工藝過程描述

圖1為生產過程示意圖。在催化劑C的作用下,原料A與原料B反應生成主產物D和副產物E,反應方程式如下：

主、副反應為強放熱反應。主反應生成物D是所需產品，副反應生成物E是雜質。為了獲取較高的反應轉化率,一般采用原料A過量的工藝。

圖1 生產過程示意圖

催化反應工藝過程如圖2所示,具體過程描述如下：原料A與原料B分別在各自的進料泵控制下進入混合罐(V101)內混合,混合物料經預熱器(E101)升溫后,進入放熱反應器(R101)內進行化學反應,反應過程中所需要的催化劑C由反應器頂部加入。當反應壓力過高危及安全時,抑制劑F經由反應器頂部加入,使催化劑C迅速中毒失活并終止反應。反應器下游設置閃蒸罐(V102)以分離提純過量的原料A。閃蒸罐頂部采集反應器底部出口的混合物(D+E+C+A+B)氣相,首先進入冷凝器(E102)與冷卻水進行換熱冷凝,冷凝后的混合物進入冷凝罐(V103),通過循環泵(P106)再送入混合罐循環利用。閃蒸罐底部的混合生成物(D+E+C+A+B)經輸送泵加壓,送到下游分離工序,進行提純精制,以分離出所需產品D[6-9]。

圖2 催化反應工藝過程圖

1.2 用戶需求

根據企業現有的物理條件,生產控制系統主要有以下4方面的控制要求[10]：

(1) 安全性：反應器溫度范圍20～110 ℃,反應器液位范圍0～100%,反應器壓力范圍20～130 kPa,閃蒸罐壓力范圍20～120 kPa,正確有效的開關機流程；

(2) 高產率：在無安全事故的前提下,原料A、B(A過量)經催化劑C生成產物D,產物D濃度盡量高,產量越多越好(產量=流量×產物濃度值的累積量),生成的副產物E盡量少,閃蒸罐底部出口物料產量濃度要求75%以上；

(3) 高效率：生產過程中,要求設備開車迅速、過程順序正確，并能快速達到正常生產狀態；停車過程正確迅速,且各部分控制及整機能手動/自動切換；

(4) 綠色節能：在工藝要求允許、系統穩定的前提下,最大限度地減少能耗、提高原料利用率和廢水回收率。

1.3 控制對象分析

結合工藝過程及企業的實際需求,控制對象的控制設計包括：進入混合罐的原料A和原料B混合比例的控制,罐中混合物的液位控制,進入反應器的混合液與催化劑比例控制,反應器內液位、壓力和溫度控制,閃蒸罐內部的壓力控制和混合物液位控制,冷凝器的溫度、壓力和液位控制,設備的開機、停機以及手動與自動的安全控制。相應的系統控制分支如圖3所示。本文重點討論反應器的相關控制系統設計和開車控制系統的設計。

圖3 系統控制分支示意圖

2 過程控制系統仿真設計

2.1 仿真設計環境介紹

為避免生產過程中燃燒、爆炸等安全事故和事故隱患,先期在實驗室內借助實驗設備完成仿真設計,系統運行過程中如果出現不合規定的情況，可及時停車、重啟控制,減少不必要的損耗。實驗室內仿真控制系統網絡拓撲圖如圖4所示。

圖4 仿真控制系統網絡拓撲圖

本次設計硬件設備使用西門子公司研發的SMPT-1000高級多功能過程控制實驗裝置。SMPT-1000由立體流程設備盤臺、高精度工業仿真引擎及實驗監測軟件、I/O接口與輔助操作臺及工業控制系統4部分組成。通過數字化手段,實際生產裝置的各種對象特性完整地在小型化半實物實驗裝置上再現,所用的測量變送裝置主要包括液體流量計、氣體流量計、壓力傳感器和溫度傳感器。選用SIMATIC S7-400系列CPU412-5H作為過程控制器,完成控制算法組態,建立PLC與SMPT1000之間的聯系,通過裝置自帶的PROFIBUS DP接口與遠程站連接。控制軟件采用西門子公司的SIMATIC PCS7過程控制平臺,PCS7提供的DCS的組態直接面向工藝過程,是一種面向所有過程控制應用場合的開放型過程控制系統。

2.2 反應器控制系統設計

反應器控制系統包括4個控制系統和1項檢測過程,分別是反應器的進料控制系統、反應器的壓力控制系統、反應器的溫度控制系統、反應器的液位控制系統和反應器的壓力檢測[11-14]。具體位號說明及I/O變量地址說明如表1所示。

表1 反應器控制系統位號說明及I/O變量地址

催化劑進料流量設定為A和B進料總量的1/12,采用單閉環系統,以FI1103流量的1/12為催化劑流量的設定值,通過控制閥門FV1104實現對催化劑流量的控制。反應器進料控制系統流程如圖5所示。

圖5 反應器進料控制系統流程

根據對控制要求的分析和實際的經驗可知,要實現反應器壓力控制,應在開車時控制原料緩慢進入反應器,才不會使壓力變化太快。由于溫度對壓力影響很大,所以在控制壓力的同時,要通過控制閥門FV1103控制好反應器溫度。反應器壓力控制系統流程如圖6所示,反應器壓力安全檢測流程如圖7所示。

圖6 反應器壓力控制系統流程

圖7 反應器壓力安全檢測流程

冷卻水流量和反應器進料量都會對反應器溫度產生影響。為此，反應器溫度控制采用兩級控制回路。第一級控制回路采用常規控溫,通過控制冷卻水進水量(即控制閥門FV1201開度)來控制溫度；一旦常規控溫效果不理想,則啟動第二級控溫回路,也就是通過控制進料量(即控制閥門FV1103)進一步控制溫度。反應器溫度控制系統流程如圖8所示。

圖8 反應器溫度控制系統流程

反應器液位采用串級控制。以反應器液位為主要參數、反應器出料流量為副參數,控制閥門FV1105構成串級系統。由于反應器進料流量變化對液位控制來說是一種擾動,所以采用串級以加快動態響應過程。反應器液位控制系統流程如圖9所示。

2.3 開車控制系統設計

根據用戶需求和生產工藝流程的需要,在SIMATICS7-400PLC上完成控制算法組態,建立PLC與SMPT1000之間的聯系,進行開車控制設計,實現了冷態到穩態的自動開車過程和開車結束后的工藝過程控制。部分開車流程SFC界面如圖10所示。在設備的運行過程中,可通過SFC界面直觀地看到設備的運行情況,便于查找故障。

圖9 反應器液位控制系統流程

圖10 部分開車流程SFC界面

3 系統的運行結果及分析

鑒于化工生產工藝過程復雜、各環節參數相互影響較大，本控制系統運行過程中設定進入混合罐的原料A、B及催化劑C的配比為12∶4∶1,混合罐液位(LI1101)設定為40%；反應器的溫度(TI1103)設定為95 ℃,壓力(PI1102) 設定為130 kPa；閃蒸罐液位(LI1201)設定為30%,溫度(TI1104)設定為80℃,壓力(PI1103)設定為60 kPa；冷凝罐液位(LI1202)設定為30%,溫度(TI1202)設定為40 ℃,壓力(PI1101)設定為150 kPa。僅改變反應器中的液位參數,分析在該控制系統的控制下產品濃度和產量情況。

如表2所示,在反應器液位(LI1102)設定值為68%時,產品濃度和累積量最優。此時,產品D濃度(AI1101)和累積量等穩態實時數據如圖2所示,反應器液位和產品D濃度等實時趨勢曲線如圖11所示。

表2 不同反應器液位下產品濃度和累積量對照表

由圖11顯示的數據可知,開車控制系統運行后,各執行機構按照開車系統的控制順序逐步進入穩態。開車時間接近700 s時,各參數開始進入穩態,產品濃度已達75%,初步達到用戶的要求；開車時間在700～1 500 s,各參數繼續微調,產品濃度不斷上升；開車時間在1 500 s后,各參數完全進入穩態,產品濃度達到84.310%,比用戶的基本要求提高了約10%。

圖11 反應器液位(LI1102)和產品D濃度(AI1101)等實時趨勢曲線

4 結論

通過面向用戶需求的催化工藝過程仿真控制系統的設計,實現了開車過程一鍵啟停,開車迅速且運行穩定,在開車后約700 s,各控制對象的參數完成調節并趨于穩定。反應器在一定的溫度和壓強下,不同的液位影響產品的濃度和累積量,合適的溫度、壓強、液位才能使得反應最充分、高效。從仿真運行結果看出,文中給出的控制策略能夠滿足用戶需求,整個系統生產過程實現智能化,既達到能源利用最大化,又減少了人力物力資源的使用,提高了經濟效益,具有很好的工業通用性和實用性。