CN1048642C - 气体分馏塔多参数在线优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种炼油工业中化工装置的气体分馏塔多参数在线优化控制方法。它是在生产装置现行计算机控制系统上，设置一台完成优化运算与控制的上位计算机，结合对串级控制和单参数控制的改进，给出针对气体分馏塔的压力、温度的多参数在线优化控制算法，并据以编制、运行计算机程序，以对气体分馏塔的回流量和蒸汽量实现在线优控，最终达到合理分配塔内汽、液相负荷，提高产品质量，节能降耗的目的。

Description

气体分馏塔多参数在线优化控制方法

本发明涉及炼油工业中气体分馏塔的计算机过程控制技术，特别是MTBE、气体分馏、烷基化等化工装置的气体分馏塔的微机在线优控方法。

炼油厂中气体分馏塔的主要生产任务，是将液态烃按工艺要求在塔顶塔底切割成不同的产品组分。产品品质的好坏取决于该塔的压力、温度及塔内的汽、液相负荷的分布。汽、液相负荷在塔板上分布的是否均匀和稳定，是决定塔的分馏效果与产品品质的主要因素。而塔的汽、液相负荷，又分别由塔底重复器的蒸汽量和塔顶回流量提供。旧的控制方案，不论是气体分馏装置的分馏塔，还是MTBE的分馏塔，或是由美国引进的烷基化装置的气体分馏塔，对上述的温度、压力以及汽、液相负荷，都是采用单参数控制方法，这样由于操作人员的方法不一，加上人为滞后及对各参数的调整顾此失彼，不仅水、电、汽消耗过大，而且质量无法保证。对装置冷换设备的泄漏以及开长周期等均有很大影响，直接影响整个装置的经济效益。

本发明的目的是针对当前生产存在的上述问题，以最优控制原理中多约束条件下寻找优化点的优化思想为依据，结合对现有串级控制和单参数控制的改进，通过对气体分馏塔的压力、顶温、底温以及灵敏板温度等相关参数的优化运算，实现对分馏塔回流量和蒸汽量实时闭环在线优化控制，最终达到合理分配塔内汽、液相负荷，提高产品质量，节能降耗提高经济效益的目的。

为实现上述目的，本发明在现有MTBE生产装置DCS系统或其它计算机控制系统上，设置一台完成优化运算与控制的上位计算机，而以现有控制系统的计算机为下位机。本发明计算机程序的设计思想是按照温度、压力与控制量之间关系的数学模型确定分馏塔汽相负荷在线优化控制算法和分馏塔液相负荷在线优化控制算法，依据控制算法分别编制并运行分馏塔气相负荷和液相负荷的在线优化控制程序。分馏塔气相负荷在线优化控制算法内容包括：

a，在线优控相关参数设定；

b，计算塔底温度和灵敏板温度的偏差值ΔT、ΔTB，计算蒸汽量给定值SVO及测量偏差值ΔF；

c，限制灵敏板温度偏差在±3℃之内；

d，判断当前蒸汽量的测量值F是否在设定限值之内，如不在，则退出；

e，判断当前塔压力是否低于设定塔压限值；

f，若低于设定塔压，则当前蒸汽量最佳设定值为：

   SV＝FO-KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO；

g，若高于设定塔压限值，则当前蒸汽量最佳设定值为：

FO-|KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO|；

h，将最佳值蒸汽量设定值送到变步长控制器，发到下位机现场控制单元完成优化控制。

分馏塔液相负荷在线优化控制算法内容包括：

a，在线优控相关参数设定；

b，计算塔顶温度和灵敏板温度的偏差值ΔT、ΔTB，计算回流量给定值SVO及测量偏差值ΔF；

c，限制灵敏板温度偏差在-3--0℃之内；

d，判断当前回流量的测量值F是否在设定限值之内，如不在，则退出；

e，判断当前塔压力是否低于设定塔压限值；

f，若低于设定塔压，则当前回流量最佳设定值为：

SV＝FO+KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO；

g，若高于设定塔压限值，则当前回流量最佳设定值为：

FO-KΔF(ΔT+ΔTB)/(ΔTO+1)；

h，将最佳回流量设定值送到变步长控制器，发到下位机现场控制单元完成优化控制。

下面分别阐述两部分程序的数学模型、算法结构和技术特征。

1、分馏塔汽相负荷在线优化控制程序(算法1)

以温度——蒸气流量(自控表)为例：

设底温——主控参数为TO，允许波动偏差±ΔTO，允许波动值域为：

TO±ΔTO；

设灵敏板——辅调温度为TBO；

允许塔压力为：PO(MPa)；

设流量——副控制参数为FO，允许上、下限为FO大、FO小，初始控制量FO＝(FO大+FO小)/2，波动幅度为ΔFO＝|(FO大+FO小)|/2；

初始步长为K×ΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO；其中K为滞后因子，可依表类型调整，适宜值为0.1--10。

线性关系为：ΔT+ΔTB→FO-K×ΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO

约束边界ΔTB为：O≤|ΔTB|≤3(取整数)

约束边界(流量)：FO小≤FO-K×ΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO≤FO大

控制过程：

设实测主参数变化值为TPV(底温)，灵敏板温度实测值为TBPV，底温偏差值ΔT＝TPV-TO，灵敏板偏差ΔTB＝TBPV-ΔTBO。

首先判断FPV。当FO小≤FPV≤FO大，且实测塔压PPV≤PO时，按如下模型控制：

ΔT+ΔTB→FO-K×ΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO

当TO小≤FPV≤FO大，且实测塔压PPV≥PO时，按如下模型控制：

ΔT+ΔTB→FO-|K×ΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO|

2、分馏塔液相负荷在线优化控制程序(算法2)

以灵敏板+顶温→回流量(自控表)为例：

设顶温→主参数为TO，允许波动偏差为±ΔTO，允许波动值域为：

TO±ΔTO；

灵敏板温度设定值为TBO；

塔压力设定值为：PO(MPa)，

设流量→副控制参数为FO，允许上、下限为FO大、FO小，

首控量(FO)模型：FO＝(FO大+FO小)/2(或由优化运算来)；

波动幅度为ΔF＝|(FO大+FO小)/2|

步长为：KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO

线性关系为：ΔT+ΔTB→F-KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO

约束边界为：-3≤ΔTB≤O(ΔTB取整数)

FO小≤F+KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO≤FO大

控制过程：

设实测主参数变化值为TPV(顶温)，微控(灵敏板)实测值为TBPV，则ΔT＝FPV-TO，ΔTB＝TBPV-TBO。

首先判断FPV。当FO小≤FPV≤FO大，且实测塔压PPV＜PO时，按如下模型控制：

ΔT+ΔTB→FO+KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO

当FO小≤FPV≤FO大、且PO≤PPV＜PO+0.06时，按如下模型控制：

ΔT+ΔTB→FO-KΔF(ΔT+ΔTB)/(ΔTO+1)

当FO小≤FPV≤FO大，且实测塔压PPV≥PO+0.06，按如下模型控制：

ΔT+ΔTB→FO-KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO

采用本方法对气体分馏塔汽、液相负荷实时在线闭环优化控制后，可使MTBE、气体分馏装置或其它装置中的气体分馏塔的操作实现自动调节塔内汽、液相负荷，避免了原控制中易使塔内汽、液相负荷失衡的不良现象，稳定了塔的操作。与国内同类装置采用的串级控制相比，具有控制过程稳定，运算参数多，控制精度高，节能效果好，产品质量稳定等特点。并且具有安全、预测等功能。

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

图1为MTBE装置分馏塔部分物料流程图；

图2为控制过程框图；

图3为优化控制参数设定程序流程图；

图4为分馏塔汽相负荷在线优化控制运算程序流程图；

图5为分馏塔液相负荷在线优化控制运算程序流程图；

图6为MTBE装置分馏塔多参数在线优化控制设计构思框图。

图1中，1为反应物料，2为第一共沸塔，3为回流量，4为第二反应器，5为第二共沸塔，6为回流量，7为蒸汽量。

图2中，T304为共沸塔，PT为压力变送器，TT为塔底温度变送器，TBT为灵敏板温度变送器，FT为流量变送器，DQ为电气转换器，XWJ为下位机，KBT为变步长控制器(上位机)，FS为蒸气量上下限设定。

图3为优化控制参数设定程序流程图。在此功能模块，用户通过人机画面对话，可以选择各塔蒸汽量或回流量的初始设定值及修改有关参数设定值。包括有：塔底、塔顶温度初值；塔底、塔顶温度偏差限值；塔压限值；蒸汽量或回流量限值；灵敏板温度限值；滞后因子等优化运算所需各种参数值。在此功能模块，用户可以选择具备条件的(正在投在线自动单回路调节)蒸汽量或回流量投优化控制，也可以将已投优化控制的蒸汽量或回流量摘除优化控制，回到在线自动单回路调节方式下运行。

图4为分馏塔气相负荷在线优化控制运算程序流程图。本功能模块进行多参数综合优化控制所需各利运算。主要包括首先计算塔底温度和灵敏板温度的偏差值ΔT、ΔTB，计算蒸汽量给定值SVO及测量偏差值ΔF，然后限制灵敏板温度在±3℃之内；进一步判断当前蒸汽量的测量值F是否在设定限值(F小，F大)之内，若在(F小，F大)之内，则又判断当前塔压力是否低于设定塔压限值，若低于设定塔压，则当前蒸汽量最佳设定值为：SV＝FO-KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO；若高于设定塔压限值，则当前蒸汽量最佳设定值为FO-|KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO|，然后将最佳蒸汽量设定值送到变步长控制器，发到下位机现场控制单元完成优化控制任务。

图5为分馏塔液相负荷在线优化控制运算程序流程图。本功能模块进行多参数综合优化控制所需各种运算。主要包括首先计算塔顶温度和灵敏板温度的偏差值ΔT、ΔTB，计算回流量给定值SVO及测量偏差值ΔF，然后限制灵敏板温度在-3--0℃之内；进一步判断当前回流量的测量值F是否在设定限值(F小、F大)之内，若在(F小、F大)之内，则又判断当前塔压力是否低于设定塔压限值，若低于设定塔压，则当前回流量最佳设定值为：SV＝FO+KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO；若高于设定塔压限值，则当前回流量最佳设定值为FO-KΔF(ΔT+ΔTB)/(ΔTO+1)，然后将最佳回流量设定值送到变步长控制器，发到下位机现场控制单元完成优化控制任务。

图6为MTBE装置分馏塔多参数在线优化控制设计构思框图。本功能模块描述了MTBE装置分馏塔多参数在线优化控制的构思及实施流程。主要包括有：首先通过通讯将现场计算机控制系统的有关数据读人优化上位机，然后在多参数在线优化控制参数设定画面设定有关参数；分别选择蒸气量或回流量的优化表，当满足条件时，可投优化控制，将优化运算的结果送给变步长先进控制器，最后发到下位机现场控制单元完成优化控制任务。

气体分馏塔在线闭环优化控制，就是针对MTBE装置、气体分馏装置及其它装置中的气体分馏塔的温度、压力及其它参数实行在线动态优化运算，并在与其相应的塔顶回流量和塔底蒸汽量各自的串级或单回路控制的基础上，实现气体分馏塔的多参数在线闭环优化控制。现以MTBE装置共沸塔汽相负荷控制过程为例加以说明。

首先在上位优化机上将共沸塔塔底温度按工艺设定为146℃，允许波动偏差设定为±3℃，灵敏板温度设定为141℃，压力约束边界为≯0.75MPa，蒸汽量上限设定为4.4T/H，下限为1T/T，滞后因子K设定为1.0，此时投在线优化控制。由优化机进行算法1运算，再将运算得到的蒸汽量的优控值赋予变步长控制器，作为塔底蒸汽量的初始控制量；再将可变步长控制器得到的最佳控制量通过上、下位机通讯发给下位机，再由下位机的现场控制单元完成塔底温度与蒸汽量在塔底温度优化值附近或蒸汽量上下限设定内的平衡调节。现场控制单元将控制结果由TT、TBT、FT、PT反馈给上位优化机，然后重复上述过程。

Claims (2)

1、一种气体分馏塔多参数在线优化控制方法，其特征在于它是在生产装置现行计算机控制系统上设置一台完成优化运算与控制的上位计算机，以现有控制系统的计算机为下位机，并按如下步骤进行：

A.按照温度、压力与控制量之间关系的数学模型确定

i)分馏塔汽相负荷在线优化控制算法，其内容包括：

a，在线优控相关参数设定；

b，计算塔底温度和灵敏板温度的偏差值ΔT、ΔTB，计算蒸汽量给定值SVO及测量偏差值ΔF；

c，限制灵敏板温度偏差在±3℃之内；

d，判断当前蒸汽量的测量值F是否在设定限值之内，如不在，则退出；

e，判断当前塔压力是否低于设定塔压限值；

f，若低于设定塔压，则当前蒸汽量最佳设定值为：

SV＝FO-KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO；

g，若高于设定塔压限值，则当前蒸汽量最佳设定值为：

FO-|KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO|；

h，将最佳值蒸汽量设定值送到变步长控制器，发到下位机现场控制单元完成优化控制；

ii)分馏塔液相负荷在线优化控制算法，其内容包括：

a，在线优控相关参数设定；

b，计算塔顶温度和灵敏板温度的偏差值ΔT、ΔTB，计算回流量给定值SVO及测量偏差值ΔF；

c，限制灵敏板温度偏差在-3--0℃之内；

d，判断当前回流量的测量值F是否在设定限值之内，如不在，则退出；

e，判断当前塔压力是否低于设定塔压限值；

f，若低于设定塔压，则当前回流量最佳设定值为：

SV＝FO+KΔF(ΔT+ΔTB)/ΔTO；

g，若高于设定塔压限值，则当前回流量最佳设定值为：

FO-KΔF(ΔT+ΔTB)/(ΔTO+1)；

h，将最佳回流量设定值送到变步长控制器，发到下位机现场控制单元完成优化控制；

B.依据控制算法编制在线优化控制程序；

C.运行在线优化控制程序。

2、根据权利要求1所述的优化控制方法，其特征在于所说的在线优化控制程序是对分馏塔汽相负荷在线优化控制算法和分馏塔液相负荷在线优化控制算法的计算机程序实现，其中在线设定参数要求为：

a，汽相负荷限制灵敏板温度偏差在-3℃--3℃之内；

b，液相负荷限制灵敏板温度偏差在-3℃--0℃之内；

c，滞后因子K＝0.1--10。

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