基于Aspen對酒精精餾裝置的多變量預(yù)測控制

孟亞男,常家方,王德平

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院,吉林 吉林 132022)

精餾過程模擬實(shí)際上就是使用計(jì)算機(jī)利用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)程序,對復(fù)雜的化工流程進(jìn)行定量分析,并使用適當(dāng)?shù)哪M軟件來模擬實(shí)際生產(chǎn)過程,從而更好地獲取化工過程的特性方程。本文選用Aspen Plus軟件模擬實(shí)際的生產(chǎn)過程,Aspen Plus是將建模和計(jì)算集成于一體的大型通用過程模擬軟件,可用于單個(gè)操作單元到整個(gè)工藝流程的模擬。不僅實(shí)現(xiàn)化工流程的設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)建模,還可將穩(wěn)態(tài)模型轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)模型,以便于用戶進(jìn)行工藝過程設(shè)計(jì)和控制方案設(shè)計(jì)來降低建設(shè)成本和操作費(fèi)用,預(yù)防控制過程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn),提高裝置運(yùn)行的安全性[1]。

1 酒精精餾工藝流程

待分離體系中84%(摩爾分?jǐn)?shù))的乙醇和16%(摩爾分?jǐn)?shù))的水以216 kmol/h的流量先經(jīng)過常規(guī)預(yù)濃縮塔C101,在常規(guī)預(yù)濃縮塔頂餾出物經(jīng)過液液傾析器將較輕的有機(jī)液相泵送回塔作為回流,并在回流過程中加入一股含有80%(摩爾分?jǐn)?shù))以上的苯物流作為輕夾帶劑;而較重的有機(jī)相中含有很多乙醇和苯進(jìn)入精餾塔C102,在C102塔底餾出水,而塔頂餾出物一部分回流至C102,一部分循環(huán)流入C101;在塔C101中苯作為輕夾帶劑進(jìn)入塔頂將水夾帶出來,得到純度為99%的乙醇從塔底餾出,精餾塔精餾原理圖如圖1所示。

圖1 酒精共沸精餾工藝流程圖

精餾塔C101的餾出物蒸汽組分是一個(gè)由苯、乙醇、水組成的三元共沸混合物,其摩爾分?jǐn)?shù)分別為53.06%、27.49%、19.45%(B/E/W)。上述組成的進(jìn)料進(jìn)入液液傾析器中,經(jīng)傾析器出來的有機(jī)液相和水相的組成如表1所示。有機(jī)相回流的組成接近表1中的有機(jī)液相,而流入C102的進(jìn)料組成則接近于表1中的水相。

表1 傾析器分離的有機(jī)相和水相組成成分表

2 精餾塔裝置的穩(wěn)態(tài)模擬

精餾裝置的穩(wěn)態(tài)模擬是根據(jù)化工工藝流程使用適當(dāng)?shù)哪M軟件,模擬實(shí)際的生產(chǎn)過程。精餾過程模擬通過優(yōu)化生產(chǎn)裝置,不僅可以有效地縮短時(shí)間,還可以節(jié)約大量的財(cái)力和人力成本;此外,還可以通過尋求最佳的工藝條件,實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降低消耗、提高效率的目標(biāo);在全系統(tǒng)的故障診斷問題上,可以模擬故障并尋求解決裝置運(yùn)行過程中各種因素帶來的操作問題[2]。

2.1 建立流程圖

穩(wěn)態(tài)模擬過程一般根據(jù)工藝需求、相關(guān)工藝操作條件、產(chǎn)品規(guī)格等確定新鮮進(jìn)料的溫度、壓力、流量、組成等參數(shù)。本設(shè)計(jì)規(guī)定新鮮進(jìn)料溫度為313 K,壓力為0.22 MPa,要求控制乙醇產(chǎn)品的純度(摩爾分?jǐn)?shù))為99%以上。穩(wěn)態(tài)模擬流程圖的建立是根據(jù)工藝流程圖添加模塊、物流連接模塊;之后對每一模塊、物流取有實(shí)際意義的名稱,根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定對各個(gè)模塊輸入不同的數(shù)據(jù);最后在工藝流程圖中添加泵和閥門,設(shè)置閥門和泵的各項(xiàng)參數(shù)[3],建立的精餾過程流程圖如圖2所示。

圖2 Aspen Plus穩(wěn)態(tài)工作流程圖

2.2 穩(wěn)態(tài)模型導(dǎo)入動(dòng)態(tài)模型

動(dòng)態(tài)模擬通過在穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上在Aspen Plus Dynamic軟件添加各類控制器,控制整個(gè)流程隨著時(shí)間的變化而進(jìn)行數(shù)據(jù)的變化,實(shí)現(xiàn)流程模擬的動(dòng)態(tài)效果。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)束后,進(jìn)入塔C101/C102模塊的技術(shù)參數(shù)中,將起始塔板數(shù)1/2和終止塔板數(shù)30/21填入后選擇塔板類型Sieve,運(yùn)行模擬文件后得到塔直徑和高度,如圖3所示。

圖3 塔C101/102及液液傾析器設(shè)備參數(shù)

得到基本數(shù)據(jù)后即可設(shè)置塔的水力學(xué)參數(shù),塔C101/C102水力學(xué)參數(shù)如圖4所示。各項(xiàng)參數(shù)填寫完成后體系就已具備壓力驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)模型的導(dǎo)出條件。

圖4 塔C101/C102水力學(xué)參數(shù)圖

3 精餾塔裝置的動(dòng)態(tài)模擬

3.1 添加控制方案

將穩(wěn)態(tài)模擬中定義的設(shè)備參數(shù)導(dǎo)出至Aspen Plus Dynamic中進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真,在先前建立的穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上,建立帶有PID控制器的動(dòng)態(tài)模型,對精餾塔工作過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。本文通過流量、液位、溫度和壓力等控制器建立精餾塔裝置的全場控制方案[4],圖5為精餾塔全工藝流程控制方案圖。

圖5 Aspen Plus Dynamic全工藝流程控制結(jié)構(gòu)

(1)液位控制器

回流罐液位由采出量所控制,C101、C102添加塔頂和塔釜液位控制器,通過控制塔頂和塔釜的采出量,維持回流罐內(nèi)液位恒定。PID控制器B2、B3為C101、C102塔釜液位控制器;PV為C101、C102塔釜液位測量值;OP為V4、V21塔底采出閥門開度。同時(shí),采出量的控制對回流量的變化做出響應(yīng),從而間接控制塔頂溫度的恒定,對于克服精餾塔的進(jìn)料擾動(dòng)非常有效[5]。

(2)流量控制器

精餾塔進(jìn)料回流流量對溫度恒定具有重要作用,溫度恒定能夠獲得高質(zhì)量產(chǎn)品。B12為塔C101進(jìn)料流量控制器,PV為進(jìn)料總質(zhì)量流量,OP為進(jìn)料閥門V3的開度。B4、B9為C101、C102塔頂回流量控制器,PV為塔頂回流量,OP為V2、V14回流閥門的開度。

(3)溫度控制器

全場控制方案建立的目的是以最低能耗生產(chǎn)高質(zhì)量的酒精,酒精產(chǎn)品的質(zhì)量可控制某一塔板溫度來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)斜率判據(jù)選擇相鄰塔板之間溫度變化最大的塔板為靈敏板。采用靈敏板溫度作為精餾塔被控變量,能夠快速反映產(chǎn)品純度的變化。C101/C102采用再沸器的熱負(fù)荷來控制其靈敏板溫度(第25/19塊理論板),以期在控制回路中獲得更小的積分時(shí)間,抵制擾動(dòng)。

(4)串級控制

精餾工藝的控制方案中,單變量控制方案往往不能取得有效的控制效果,使得溫度變化具有滯后性,因此將控制原理中的串級控制應(yīng)用于精餾塔的控制方案。精餾塔進(jìn)料流量和循環(huán)回流量為主控制變量,塔頂回流量為副控制變量,串級控制使得控制增益更大,積分時(shí)間更短[6]。控制器B9為副回路的副控制器,控制對象為塔頂回流量,主要目的是及時(shí)克服干擾。主回路控制器B10只選用PID中的比例控制,控制對象為進(jìn)料流量和C102循環(huán)進(jìn)料量。

3.2 PID參數(shù)整定

添加傳統(tǒng)控制方案后,對各PID控制器根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法和衰減震蕩對PID控制參數(shù)進(jìn)行整定[7]。以進(jìn)料流量控制器為例,控制器的參數(shù)包括Gain(比例增益)、Integral time(積分時(shí)間)、Derivative time(微分時(shí)間)。根據(jù)參數(shù)調(diào)節(jié)方法填寫常規(guī)流量控制器協(xié)調(diào)參數(shù),最后確定比例增益為0.3,積分時(shí)間為0.3 min。最后確定控制器的正反作用,以進(jìn)料流量控制器為例,如果流量增加,那么閥門開度應(yīng)該減小,所以是一個(gè)反作用,參數(shù)設(shè)置完成后結(jié)果如圖6所示。將所有控制器參數(shù)設(shè)置完成后各控制器面板如圖7所示,初始化運(yùn)行后即可動(dòng)態(tài)運(yùn)行。

圖6 進(jìn)料流量控制器參數(shù)設(shè)置圖

3.3 仿真運(yùn)行

當(dāng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后在1小時(shí)處添加一個(gè)進(jìn)料量擾動(dòng),由原來的216 kmol/h增加至250 kmol/h。最后通過作圖功能將所要考察的變量(包括操作變量和被控變量)的輸出曲線顯示出來,并導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)過程中的歷史數(shù)據(jù)。如圖8所示為精餾塔C101進(jìn)料流量、回流量、塔底溫度等的曲線和歷史數(shù)據(jù)。

圖8 動(dòng)態(tài)仿真曲線及數(shù)據(jù)

將精餾產(chǎn)品純度數(shù)據(jù)單獨(dú)提取出來繪圖,得到曲線圖9。由圖9中酒精純度變化曲線看到精餾塔精餾出的酒精純度低于99%,為了使精餾的純度等更優(yōu),優(yōu)化其控制方案,本文提出將預(yù)測控制應(yīng)用于精餾塔。

4 控制方案優(yōu)化

4.1 預(yù)測控制基本原理

針對傳統(tǒng)精餾塔的單輸入單輸出PID控制方案添加擾動(dòng)后控制效果不理想的問題,采用預(yù)測控制以優(yōu)化傳統(tǒng)控制方案。預(yù)測控制是近年來一類新型控制方案的總稱,預(yù)測控制算法采用預(yù)測模型、在線優(yōu)化計(jì)算、反饋矯正等基本原理,系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖如圖10所示[8]。

圖10 預(yù)測控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

在預(yù)測控制原理的基礎(chǔ)上,采用不同的模型、優(yōu)化策略和矯正措施,可以搭建成完全不同的預(yù)測控制算法,本文采用以單位階躍響應(yīng)為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)算法優(yōu)化精餾塔控制系統(tǒng)。

(1)預(yù)測模型

在DMC中,預(yù)測模型是用動(dòng)態(tài)系數(shù)和輸入量來描述各采樣時(shí)刻的系統(tǒng)輸出和輸入關(guān)系的過程特性。首先測定采樣時(shí)刻t/T=1,2…N的動(dòng)態(tài)系數(shù)采樣值a1,a2…aN,同時(shí)也是被控對象的非參數(shù)數(shù)學(xué)模型。N為模型時(shí)域長度。當(dāng)施加的控制量在k時(shí)刻之后未來的M個(gè)采樣間隔都發(fā)生變化,根據(jù)系統(tǒng)疊加原理,預(yù)測系統(tǒng)在Δu(k),Δu(k+1)…Δu(k+M-1)作用下未來時(shí)刻輸出:

(1)

式中:i=1,2…P;Δu(k+j-1)=u(k+j-1)-u(k+j-2) 。

寫成向量矩陣形式:

Ym(k+1)=Y0(k+1)+AΔu(k) ,

(2)

式中,M為動(dòng)態(tài)時(shí)域長度;P為優(yōu)化時(shí)域長度;通常M和P滿足M≤P≤N。

由式(2)可知,當(dāng)Y0(k+1)已知時(shí),可根據(jù)未來的控制增量預(yù)測未來的對象輸出。

(2)反饋校正

實(shí)際系統(tǒng)中,被控對象的動(dòng)態(tài)系數(shù)難以精確測量,同時(shí)也會(huì)受到未來干擾因素的影響,因此需根據(jù)實(shí)時(shí)信息進(jìn)行反饋校正。由于模型誤差和干擾等影響,系統(tǒng)輸出預(yù)測值需要在預(yù)測模型的基礎(chǔ)上,用實(shí)際輸出誤差修正,即

Yp(k+1)=Ym(k+1)+h[y(k)-ym(k)]=AΔu(k)+A0Δu(k-1)+he(k) ,

(3)

式中,Yp(k+1)為反饋校正后的預(yù)測輸出;e(k)=y(k)-ym(k);h=[h1,h2…h(huán)p]T,h的元素可根據(jù)需要取其他值。

(3)滾動(dòng)優(yōu)化

滾動(dòng)優(yōu)化在不斷修正,及時(shí)調(diào)整,從而可減小偏差,保持最優(yōu)的實(shí)際值。在每一時(shí)刻k,確定從該時(shí)刻起的M個(gè)控制增量yp(k+1),yp(k+2)…yp(k+p),使被控對象在其作用下,未來P個(gè)時(shí)刻的輸出預(yù)測值yp(k),yp(k+1)…yp(k+M-1)盡可能接近期望yr(k),yr(k+1)…yr(k+M-1)。

在k時(shí)刻的優(yōu)化性能指標(biāo)可取為

(4)

性能指標(biāo)可寫為向量形式:

(5)

式中:Yr(k+1)=[yr(k+1),yr(k+2)…yr(k+p)]T為期望向量;Q=diag[q1,q2…qp]為誤差權(quán)系數(shù);R=diag[r1,r2…rM]為誤差權(quán)系數(shù)。

ΔU(k)=(ATQA+R)-1ATQ[yr(k+1)-A0ΔU(k-1)-he(k)] 。

(6)

每次實(shí)際需要的為ΔU(k)中的第一個(gè)分量Δu(k):

Δu(k)=[1 0 … 0]ΔU(k) ,

(7)

代入公式(6)得:

u(k)=[1 0 …0](ATQA+R)-1ATQ[yr(k+1)]-A0ΔU(k-1)-he(k)] ,

(8)

整理后得:

u(k)=dT[yr(k+1)-A0ΔU(k-1)-he(k)] ,

(9)

式中:dT[1 0 … 0](ATQA+R)-1ATQ=[d1d2…dp];Q、R、M和P確定后可離線求出。

4.2 控制方案添加DMC Plus控制器

本文選用的ASPEN公司的DMC Plus軟件就是以預(yù)測控制中的DMC算法為核心,在前面介紹DMC算法的基礎(chǔ)上,將進(jìn)一步介紹DMC Plus軟件的基本結(jié)構(gòu)和特性。DMC Plus是一類采用模型檢測方法的新型過程控制器,專門應(yīng)用于存在強(qiáng)耦合、多變量、多種約束條件的大復(fù)雜、多變量過程控制系統(tǒng),如精餾塔溫度控制系統(tǒng),其主要功能為模型、優(yōu)化和動(dòng)態(tài)控制,不僅能夠較快地將當(dāng)前工況推向優(yōu)化點(diǎn),并且還能有效地克服優(yōu)化過系統(tǒng)的其他干擾。由于DMC plus可以預(yù)測未來受控變量超限的情況,操作人員可提前了解控制器的控制目的和控制方向[9]。

DMC作為一種優(yōu)化控制算法,可以取代PID算法應(yīng)用于多變量等復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的控制上以期獲得良好的抗干擾性能。但是良好的抗干擾性能要求快速響應(yīng),需要的采樣周期較小,而預(yù)測控制采用在線計(jì)算復(fù)雜的非參數(shù)模型,當(dāng)采樣周期較小時(shí)可能會(huì)使得模型維數(shù)高,導(dǎo)致系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性達(dá)不到要求[10]。

4.3 DMC-PID串級控制系統(tǒng)

為提高DMC控制系統(tǒng)的抗干擾性能,本研究將預(yù)測控制器應(yīng)用在串級控制系統(tǒng)的主回路,形成DMC-PID串級控制系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。DMC-PID串級控制系統(tǒng)不僅能保持預(yù)測魯棒性和優(yōu)良的跟蹤性能,而且能有效抑制系統(tǒng)的干擾[11]。

圖11 DMC-PID串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

對于精餾塔這類控制對象不夠穩(wěn)定的系統(tǒng),可先采用常規(guī)PID控制,待其穩(wěn)定后再加入DMC算法。在控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)加入的PID控制,由于存在內(nèi)環(huán)控制,因此可對干擾起到主要且基礎(chǔ)的抑制作用,外環(huán)以獲取良好動(dòng)態(tài)性能和魯棒性為目標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)在保持預(yù)測控制系統(tǒng)魯棒性和優(yōu)良的跟蹤性能同時(shí),增強(qiáng)對干擾的抑制能力。本文以精餾塔C101溫度控制系統(tǒng)將塔頂回流量控制回路作為內(nèi)環(huán),將進(jìn)料流量和C102循環(huán)量控制回路作為外環(huán),增強(qiáng)對進(jìn)料量干擾的抑制能力[12]。

DMC plus控制器主要實(shí)施在C101塔底采出高純度酒精的過程,其操作變量以及被控變量如表2所示。其控制目標(biāo)是通過控制C102循環(huán)流量、進(jìn)料流量兩個(gè)變量,使C101回流量和靈敏板溫度達(dá)到預(yù)期效果,間接控制酒精的純度穩(wěn)定在99%以上。根據(jù)前面工作的分析和實(shí)際工業(yè)過程的要求,控制器的輸入和輸出變量及其變化范圍如表2所示,只有這樣,整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)才能安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

表2 操作變量和被控變量變化范圍表

在傳統(tǒng)控制方案的基礎(chǔ)上,開發(fā)DMC plus控制器取代PID先進(jìn)控制方案,流程圖如圖12所示。為了驗(yàn)證控制效果,添加相同的進(jìn)料擾動(dòng),進(jìn)行多個(gè)測試將兩種控制方案進(jìn)行比較。

圖12 先進(jìn)控制方案流程圖

目前,大多數(shù)先進(jìn)的控制模型都是根據(jù)工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的,這種模型耗時(shí)長、成本高無法應(yīng)用于其他工況。由于本文所采用的動(dòng)態(tài)模型是建立在反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上的,因此在一定程度上能夠反映真實(shí)的產(chǎn)業(yè)過程。由圖13可以看出在1小時(shí)處添加擾動(dòng)后DMC-PID串級控制產(chǎn)生的影響較小,并且在維持相對穩(wěn)定后溫度的上下變化在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。由圖14可以看出在添加34 kmol/h的進(jìn)料流量擾動(dòng)后,DMC-PID串級控制生產(chǎn)酒精產(chǎn)品純度依舊維持在99%以上,符合規(guī)定的設(shè)計(jì)要求。

時(shí)間/h(a)

5 結(jié) 論

本文對傳統(tǒng)控制方案添加進(jìn)料量擾動(dòng),采取相應(yīng)措施保障裝置投產(chǎn)運(yùn)行后能有效抵抗這些因素的干擾,減少不合格產(chǎn)品的產(chǎn)生。在實(shí)際生產(chǎn)過程中當(dāng)進(jìn)料量發(fā)生改變時(shí),工程師和操作人員通常需要十幾個(gè)小時(shí)的調(diào)節(jié)使產(chǎn)品質(zhì)量維持穩(wěn)定。在多變量、強(qiáng)耦合且關(guān)系復(fù)雜的酒精精餾塔裝置上應(yīng)用DMC算法,僅需3～5 h即可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行,減少了操作人員的工作量。在考慮實(shí)際花費(fèi)等因素下搭建的精餾塔控制模型,在傳統(tǒng)串級回路的基礎(chǔ)上引入預(yù)測控制中的DMC算法,實(shí)現(xiàn)了精餾系統(tǒng)的優(yōu)化控制,提高了產(chǎn)品純度,同時(shí)提高了裝置的生產(chǎn)效益與運(yùn)行的穩(wěn)定性。