Aspen Plus Dynamics軟件在多變量模型預(yù)測(cè)控制中的應(yīng)用

艾丹亭，孔秋生，王照成，李繁榮

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

隨著過程工業(yè)日益復(fù)雜化、精細(xì)化、數(shù)字化，對(duì)過程控制的品質(zhì)要求也隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論的發(fā)展而不斷提升。常規(guī)的DCS控制僅能實(shí)現(xiàn)單個(gè)變量的控制，基于比例計(jì)算、積分計(jì)算和微分計(jì)算等的傳統(tǒng)控制算法，多為反饋控制。在大滯后、強(qiáng)耦合和非線性的過程對(duì)象中，DCS控制很難實(shí)現(xiàn)過程變量的平穩(wěn)控制。為克服DCS控制的局限性，國(guó)內(nèi)外很多化工園區(qū)已開始使用先進(jìn)控制技術(shù)(APC)來提高裝置的自控程度和智能化水平。

多變量模型預(yù)測(cè)控制[1]是一種常用的先進(jìn)控制算法，其特點(diǎn)是控制器內(nèi)置多輸入、多輸出的預(yù)測(cè)模型，可對(duì)過程對(duì)象進(jìn)行卡邊控制，既能提高裝置自控率，又能提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。但多變量模型預(yù)測(cè)控制在實(shí)施過程中需對(duì)實(shí)際裝置進(jìn)行大量測(cè)試以獲得數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)控制器內(nèi)置的預(yù)測(cè)模型作參數(shù)回歸，因此測(cè)試過程的實(shí)施周期較長(zhǎng)，且由于缺乏科學(xué)的指導(dǎo)，效率比較低。

本文介紹了一種利用Aspen Plus Dynamics軟件對(duì)過程對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真建模，并基于仿真的對(duì)象模型進(jìn)行測(cè)試、獲取模型預(yù)測(cè)控制器參數(shù)的方法，可極大縮短先進(jìn)控制項(xiàng)目的實(shí)施周期，提升控制品質(zhì)。

1 Aspen Plus Dynamics軟件介紹

Aspen Plus Dynamics 動(dòng)態(tài)建模是 Aspen Plus 穩(wěn)態(tài)建模的擴(kuò)展，通過在穩(wěn)態(tài)模擬的基礎(chǔ)上添加靜設(shè)備尺寸、動(dòng)設(shè)備性能曲線、管線參數(shù)、儀表閥門參數(shù)和控制器等實(shí)現(xiàn)對(duì)過程對(duì)象的動(dòng)態(tài)建模，內(nèi)部主要使用壓力驅(qū)動(dòng)的建模方法，對(duì)理解過程對(duì)象動(dòng)態(tài)變化、確定控制策略和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)很有幫助。Aspen Plus Dynamics可以設(shè)計(jì)且驗(yàn)證過程控制方案、進(jìn)行安全性分析(如泄壓)、研究裝置開停車方案和搭建操作員培訓(xùn)系統(tǒng)。目前從事先進(jìn)控制工作的多為自動(dòng)化公司的團(tuán)隊(duì)，采用現(xiàn)場(chǎng)階躍測(cè)試的方法獲得預(yù)測(cè)模型參數(shù)，Aspen Plus Dynamics軟件在先進(jìn)控制模型開發(fā)應(yīng)用上鮮有論述。

2 Aspen Plus Dynamics軟件應(yīng)用

下文將以硫磺回收裝置的溶劑再生塔為例，講述Aspen Plus Dynamics軟件應(yīng)用于先進(jìn)控制模型開發(fā)的過程，主要包括如下3個(gè)步驟：①利用Aspen Plus軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模型的搭建；②利用Aspen Plus Dynamics軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型搭建；③基于動(dòng)態(tài)模型辨識(shí)控制器參數(shù)。

2.1 穩(wěn)態(tài)建模

石油煉制工藝中常采用復(fù)合型甲基二乙醇胺(MDEA)溶劑吸收和脫除產(chǎn)品中的H2S和CO2等酸性氣體，吸收了酸性氣體的MDEA溶劑稱為富溶劑，需要進(jìn)行再生，溶劑再生塔則是完成這一單元操作的關(guān)鍵設(shè)備。溶劑再生塔的進(jìn)料是富溶劑，再沸器通入蒸汽進(jìn)行間接汽提，塔釜得到貧溶劑，塔頂氣相通過冷凝器和分離器進(jìn)行氣液分離，氣相送至后續(xù)工序或裝置，液相全回流進(jìn)塔。

在本文選取的案例中，溶劑再生塔進(jìn)料MDEA富溶劑溫度為98℃，壓力為700kPa，流量為414 120kg/h，其組成見表1，分離要求為塔釜H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤800mg/kg。利用Aspen Plus軟件進(jìn)行溶劑再生塔的穩(wěn)態(tài)模型搭建，物性方法選用ELECNRTL，汽提塔基于Rate-Based計(jì)算，理論塔盤數(shù)為19塊(包含再沸器和冷凝器)，進(jìn)料位置為第5塊塔盤，塔頂操作壓力為180kPa，塔盤上定義相關(guān)反應(yīng)(見表2)，完成穩(wěn)態(tài)模型搭建(見圖1)。

表1 MDEA富溶劑組成

圖1 工藝流程穩(wěn)態(tài)模擬

表2 溶劑再生塔塔盤反應(yīng)定義

根據(jù)分離要求進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，再沸器能耗為30MW，回流比為1.9。

2.2 動(dòng)態(tài)建模

進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模前，在Aspen Plus穩(wěn)態(tài)環(huán)境下輸入溶劑再生塔的水力學(xué)參數(shù)：按照工程設(shè)計(jì)計(jì)算，塔徑選擇4.4m，板間距為0.7m，堰高為0.05m，塔板類型為浮閥，起泡因子為0.85。塔頂回流罐為臥式罐，橢圓形封頭，長(zhǎng)度為8m，直徑為2.6m。塔釜采用橢圓形封頭，高度為5.3m，直徑為4.2m。塔釜再沸器和塔頂冷凝器的熱傳遞選擇恒定功率計(jì)算類型。完成相關(guān)輸入后，選擇壓力驅(qū)動(dòng)模式，轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)文件。

在Aspen Plus Dynamics環(huán)境下打開動(dòng)態(tài)文件，并配置控制器。進(jìn)料流量控制器(FC1)配置為反作用控制器，量程為0～828 240kg/h，比例為1，積分時(shí)間為10s；塔壓控制器(PC1)配置為正作用控制器，量程為0～360kPa，比例為2，積分時(shí)間為120s；塔釜液位控制器(LC1)配置為正作用控制器，量程為0～100%，比例為4，積分時(shí)間為600s；回流罐液位控制器(LC2)配置為正作用控制器，量程為0～100%，比例為3，積分時(shí)間為1 200s；塔溫控制器(TC1)配置為反作用控制器，量程為0～216℃，比例為1，積分時(shí)間為1 800s，微分時(shí)間為10s，輸出調(diào)整再沸器功率。完成的動(dòng)態(tài)模型見圖2。

2.3 控制器參數(shù)辨識(shí)

多變量模型預(yù)測(cè)控制器內(nèi)置多輸入、多輸出的預(yù)測(cè)模型，工程實(shí)踐中通常采用的測(cè)試方法為單變量階躍測(cè)試，并基于測(cè)試數(shù)據(jù)回歸控制器參數(shù)，關(guān)鍵參數(shù)包括增益、滯后時(shí)間和時(shí)間常數(shù)[2]等，完成所有變量測(cè)試后，控制器建模過程中不同變量的耦合關(guān)系基于疊加原理產(chǎn)生。此節(jié)內(nèi)容僅闡述一組輸入變量(再沸器功率)和輸出變量(塔溫)的控制器參數(shù)獲取過程。

圖2 工藝流程動(dòng)態(tài)模擬

利用Aspen Plus Dynamics軟件創(chuàng)建了溶劑再生塔的動(dòng)態(tài)模型，并設(shè)計(jì)了塔溫控制器，仿真過程中將塔溫控制器設(shè)置為開環(huán)狀態(tài)，對(duì)再沸器功率進(jìn)行階躍測(cè)試(見圖3)，獲取塔溫隨再沸器功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，以此辨識(shí)出再沸器功率對(duì)塔溫的控制器參數(shù)，增益為0.44，滯后時(shí)間為0.61min，時(shí)間常數(shù)為4.99min。

圖3 再沸器功率對(duì)塔溫階躍測(cè)試曲線

3 結(jié)語

工業(yè)園區(qū)實(shí)施先進(jìn)控制項(xiàng)目的關(guān)鍵步驟是對(duì)裝置進(jìn)行階躍測(cè)試并獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)回歸得到多變量預(yù)測(cè)模型參數(shù)，完成控制器設(shè)計(jì)。對(duì)實(shí)際運(yùn)行的裝置進(jìn)行測(cè)試需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，不合理的測(cè)試方案也會(huì)影響生產(chǎn)，借助Aspen Plus Dynamics軟件對(duì)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模，在仿真的機(jī)理模型上進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)辨識(shí)獲取控制器參數(shù)，將大幅縮短先進(jìn)控制項(xiàng)目的實(shí)施周期。

Aspen Plus Dynamic助力先進(jìn)控制項(xiàng)目的關(guān)鍵在于建立高精度的仿真模型，應(yīng)盡可能收集準(zhǔn)確的工程設(shè)計(jì)資料，包括物料平衡、設(shè)備形式及尺寸、動(dòng)設(shè)備性能曲線、管線參數(shù)、儀表閥門參數(shù)、控制和聯(lián)鎖邏輯等，同時(shí)，進(jìn)行控制器仿真設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)充分了解實(shí)際裝置的DCS(集散控制系統(tǒng))，保證控制器的動(dòng)作特性與現(xiàn)場(chǎng)一致。另外，在已運(yùn)行的裝置開展先進(jìn)控制項(xiàng)目，可采集長(zhǎng)期的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)仿真對(duì)象模型進(jìn)行模型校正，以進(jìn)一步提高模型的精度。