常壓塔APC控制策略分析

常壓塔模型推測掌握功能設(shè)計分析1八—模型推測掌握是一種基于掌握對象模型的滾動優(yōu)化的掌握方法，其算法核心是：根據(jù)動態(tài)數(shù)學模型推測過程將來行為，用實際測量數(shù)據(jù)在線反響矯正模型誤差，反復優(yōu)化并滾動實施掌握作用⑴。在模型推測掌握器中有三種過程變量：被控變量CV被控變量是掌握器的目標或約束條件。被控變量一般為過程的可測量變量或間接測量變量〔如：塔的內(nèi)回流或柴油的干點等〕。操作變量MV 操作變量是是掌握器調(diào)整手段，一般為DCS空制器的設(shè)定值或其它掌握器的設(shè)定值。干擾變量DV這些變量可作為前饋輸入。在掌握系統(tǒng)中，操作變量和干擾變量作為引起受控變量變化的緣由，都是被控對象的輸入變量，受控變量則是被控對象的輸出變量。對于一個工藝過程特別是較簡單的過程，可以分解成不同的掌握對象。選擇不同的過程變量做為操作變量和被控變量，是掌握工程的根本問題b+bs+tfes2+…+bnsm〔s〕o i二 ~1+as+a

e TsU(s) 式一1s+…+ani 2 n被控對象的輸入、輸出變量之間的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系用傳遞函數(shù)形式來表達：式中y為輸出變量，u為輸入變量，T為純滯后時間對于多輸入多輸出過程可構(gòu)成一個動態(tài)模型矩陣:f(yy1y

U)f(yU)1 1 2 12 [f(yyn

U) f(yU)1n1 21nf(yU)2 2

f(y U“ U1122f(y Ud U1122f(yU)n 2

f(y對模型精度要求低，具有掌握效果好、魯棒性強等優(yōu)點，可有效地抑制工業(yè)過程的非線性和過程模型的不確定性，并能便利地處理過程被控變量和操作變量中的各種約束。目前在煉油、化工等工業(yè)過程中，模型推測掌握技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。模型推測掌握應(yīng)用由于常、減壓塔的物質(zhì)傳遞與能量轉(zhuǎn)化，使得常減壓裝置成為一個多個過程變量高度耦合的工藝過程。承受模型推測掌握，能夠直接處理這些耦合與干擾，因此模型推測掌握技術(shù)應(yīng)用能夠明顯地改善常減壓裝置整體的操作水平及運行過程，獵取經(jīng)濟效益。在模型推測掌握技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計中，功能設(shè)計是其中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。模型推測掌握器的功能設(shè)計主要包括以下幾局部內(nèi)容：制定掌握目標，即模型推測掌握預期到達的目的；確定掌握器的規(guī)模和相關(guān)的掌握變量CV操作變量MV和干擾變量DV確定系統(tǒng)的能控性和適應(yīng)性。目前在模型推測掌握技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計中存在一個觀點，假設(shè)一個變量測量狀況較好并且可控，且與一個CV間存在動態(tài)響應(yīng)模型，就可以認為這個變量可以作為該 CV的操作變量。假設(shè)這個變量不行掌握則作為干擾變量。然后通過階躍試驗和模型辨識得到相應(yīng)的數(shù)學模型。但是在實際的應(yīng)用過程中由于這種方式過于依靠試驗數(shù)據(jù)， 效果并不好。在模型推測掌握技術(shù)的應(yīng)用中，模型的建立通常承受基于機理建?！惨卜Q為分析法〕和依據(jù)輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)辨識建?！惨卜Q為試驗法〕兩種方法。兩種方法各有優(yōu)缺點 ⑴，而目前比較好的方式是兩者結(jié)合取長補短。通過機理分析，合理確定掌握對象的變量，得出數(shù)學模型的函數(shù)形式，對其中的局部參數(shù)通過實測得到。功能設(shè)計的主要工作實際上就是嚴密結(jié)合工藝過程通過機理分析確立推測模型中各個變量的位置、作用及其相互對應(yīng)關(guān)系。在這個根底上再有針對性地進展階躍試驗和模型辨識可以到達事半功倍的效果。常壓塔掌握器功能設(shè)計常壓塔—I1丫常頂循環(huán)回流

常頂回流 *r常頂油1丁---常壓汽提塔常一中常一線重沸器常二中汽提蒸汽常二線進料汽提蒸汽_I_;

汽提蒸汽常底油1常壓塔簡單流程圖常壓塔的熱量平衡圖1是一個比較典型的以航煤和柴油為主要產(chǎn)品的常壓塔流程圖，下面以這個常壓由于在常壓塔內(nèi)不存在化學反響熱量平衡式〔熱損失無視不計〕:Q=GGT+GGT+…+GCTii i2 i2 m m

,物理反響

2Q=GCT+

3l 0l olGC T+…+GCTQ=Qo

4式中Q為進入常壓塔的總熱量,

Q為常壓塔輸出的總熱量; G、G、…、G為進入2 m常壓塔流體的質(zhì)量流量；G、G、l 2

?、Gn

為常壓塔輸出流體的質(zhì)量流量;

G、C、i2塔的掌握器功能設(shè)計為例，進展掌握策略的分析。C為進入常壓塔流體的熱焓；Gl、C>…、C 為常壓塔輸出流體的熱焓;m o2 onT 為進入常壓塔流體的溫度；T、T、…、T 為常壓塔輸出流體的溫度。im o1 o2 on

T、T、i i2熱焓的變化是物料傳質(zhì)過程，而掌握這些變化的手段多為流量掌握。通過簡化熱量平衡式可以看出相關(guān)變量間的對應(yīng)關(guān)系。例如：在其它操作變量不變的狀況下，推斷常一線抽出流量產(chǎn)生的影響。由于常一線流量的變化只對常壓各側(cè)線抽出流體的溫度和物性產(chǎn)生影響，因此其它變量均可視為常量。假設(shè)無視流體熱焓的變化，簡化熱平衡式可以得到：G=A-

BT +CTO2 3

5i DIoi式中AB、C、D為常數(shù)；G為常一線質(zhì)量流量；T、T、T 分別為常一、二、三線的餾出溫oi 02 03度。由于常壓塔側(cè)線餾出溫度可以在相當程度上反映產(chǎn)品組分的輕重，因此通過式一5可以相對簡潔的分析出常一線流量對各側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量的影響。實際上常壓塔的動態(tài)推測模型可以看成是上面熱量平衡式〔式- 4〕的另外一種表達方式。把推測模型分解成假設(shè)干相對獨立的、反映各個輸入、輸出變量相互關(guān)系的小矩陣 ，借助于上面的熱平衡式，依據(jù)工藝過程可以確定各個變量在掌握器中的位置、作用以及相互關(guān)系。掌握目標常壓塔的掌握目標主要有以下幾點：穩(wěn)定操作；掌握常壓塔產(chǎn)品質(zhì)量；提高目標產(chǎn)品收率；降低能耗。受控變量CV主要為質(zhì)量指標。同時為了穩(wěn)定操作把塔頂溫度作為掌握約束。在實際操作中由于不具備使用在線直接測量質(zhì)量指標的條件，所以往往承受掌握溫度指標來調(diào)整產(chǎn)品質(zhì)量。但產(chǎn)品質(zhì)量并非是產(chǎn)品的抽出溫度的單值函數(shù)，用溫度指標來作為推測模型掌握器的受控變量效果不好。在模型推測掌握技術(shù)的應(yīng)用中多承受軟測量技術(shù)來獲常頂油干點、常一線干點、常一線冰點、常一線閃點、常二線粘度、常二線閃點、常二線凝固90%點、常三線凝固點、常頂溫度〔約束〕。操作變量對于常壓塔有影響的可控的變量如下：常頂回流流量、常頂循環(huán)回流量、常一中流量、常二中流量、常壓塔汽提蒸汽流量、常一線流量、常二線流量、常三線流量、常一線重沸器出口溫度、常一線汽提塔汽提蒸汽流量、常二線上述這些變量是如何對受控變量起作用的，能否都作為操作變量，下面將逐一進展分析。常壓爐出口溫度常壓爐出口溫度對于常壓塔的掌握和質(zhì)量指標的影響是最直接也是最大的，它幾乎對全部的受控變量都有影響。但是常壓爐的出口溫度雖然可控，但相對于其它操作變量，其調(diào)整通道傳遞函數(shù)的放大倍數(shù)要大得多，它對全塔的操作影響是其它操作變量難以克服的，因此常壓爐出口溫度穩(wěn)定性相對更為重要。在有條件測得常壓塔過汽化率時，可把常壓爐的出口溫度作為過汽化率的操作變量，可在保證產(chǎn)品拔出率的同時盡可能降低能耗。假設(shè)把常壓爐的出口溫度作為產(chǎn)品質(zhì)量的調(diào)整手段，是得不償失的。因此在這里把常壓爐的出口溫度作為產(chǎn)品質(zhì)量和塔頂溫度的干擾變量DV更有利于穩(wěn)定操作。常壓塔底汽提蒸汽常壓塔底汽提蒸汽流量的變化同樣對常壓塔的各個CV都產(chǎn)生影響。在開環(huán)狀態(tài)下，使常壓塔汽提蒸汽流量產(chǎn)生一個階躍〔見圖 2〕，可以看到常壓塔頂溫度〔圖3〕、常頂油干點〔4〕90%點〔5〕都會產(chǎn)生相應(yīng)變化。2常壓塔汽提蒸汽流量

3常壓塔頂溫度4常頂油干點

590%點但是實際上這些看上去相像的變化是有本質(zhì)區(qū)分的。常三線90%點的增加是由于常壓塔底蒸汽汽提作用的增加而引起的。而常壓塔頂溫度是由于常壓塔蒸汽量提高引起常壓塔頂汽相負荷的增加而增加的。由于過大的蒸汽量不但會增加常壓塔及冷凝器的負荷，還增加了能耗，而且由常頂回流或中段回流來調(diào)整常頂溫度更為直接有效，因此用常壓塔蒸汽量作為常壓塔頂溫度的調(diào)整手段之一是不適宜的。至于常頂油及常一線干點的變化是受塔頂溫度的變化引起的，在常壓塔頂溫度不變的狀況下，常頂油及常一線干點根本上不受常壓塔底蒸汽量變化的影響。在實際操作中常壓塔底汽提350C以前餾分的含量以提高直餾輕質(zhì)油品的收率，蒸汽用量與需要提出來的輕組分含量有關(guān)。因此我們可以把常壓塔底蒸汽作為常三線90%點的操作變量，而不考慮其對塔頂溫度及塔頂側(cè)線產(chǎn)品的調(diào)整作用。常壓塔側(cè)線產(chǎn)品汽提蒸汽的主要作用是為了蒸出輕組份，提高產(chǎn)品的閃點和初餾點。由于汽提塔的蒸汽流量只會影響本側(cè)線的產(chǎn)品質(zhì)量，因此是關(guān)聯(lián)最少的操作變量 ，應(yīng)作為有效的掌握手段予以使用。在常一線產(chǎn)品為航空煤油時，則用重沸器出口溫度代替汽提蒸汽流量作為操作變量。常壓塔頂回流常壓塔頂溫度是塔頂產(chǎn)品在塔頂油氣分壓下的露點溫度。油氣分壓肯定，塔頂溫度上升，油品將變重，反之油品變輕，同時影響到測線溫度和質(zhì)量。常壓塔頂溫度是通過塔頂回流量來進展掌握的。當塔頂回流量發(fā)生變化時，首先影響到塔頂溫度，并向下影響各個側(cè)線的產(chǎn)品質(zhì)量。所以可以通過但為了防止塔頂溫度變化較大破壞全塔熱平衡，同時避開塔頂溫度過低造成水蒸汽在塔頂冷凝，因此需常壓塔頂循環(huán)回流的作用與常頂冷回流的作用相像，但由于常頂循環(huán)回流的熱量是可以通過換熱來回收的，因此在同時承受常頂冷回流和常頂循環(huán)回流的操作方案時，可通過調(diào)整掌握器的加權(quán)系數(shù)，盡可能地多利用常頂循環(huán)回流進展掌握，可以到達節(jié)能的目的。常壓塔中段回流[3]余熱量，維持全塔熱平衡。同樣中段回流也能起到掌握產(chǎn)品質(zhì)量，調(diào)整塔頂溫度的作用。從節(jié)能的角度動身，高溫位中段回流的流量越大，裝置的熱回收率越高。但需要留意的是回流量過大會造成抽出口上方塔盤干板，嚴峻破環(huán)分餾效果。因此中段回流在作為操作變量時必需加以約束。假設(shè)有條件可這樣就常一中回流溫度是通過換熱器出口的調(diào)整閥進展掌握的，對塔內(nèi)溫度和分餾效果也會產(chǎn)生影響，2Q=GCT，其中G為常一中回流流量，T2 2 2 2 2 i2和常一中回流溫度的變化對于塔內(nèi)熱量變化的影響是一樣和相關(guān)的。由于常一中回流溫度的變化還會影響到整個換熱網(wǎng)絡(luò)的溫度變化，因此把常一中回流溫度掌握在一個定值使之可以看作成為一個常壓塔側(cè)線產(chǎn)品的流量不但會影響本側(cè)線和其下方側(cè)線產(chǎn)品的質(zhì)量初餾點，本身還表達了產(chǎn)品的收率，也就是說它即是常壓塔掌握器的重要調(diào)整手段也是掌握器的掌握目標之一,因此就必需要考慮到汽提塔液位所帶來的影響。如圖1所示，當側(cè)線產(chǎn)品的流量削減時，首先汽提塔的液位會上升，通過液位掌握回路的調(diào)整作用降低常壓塔側(cè)線的抽出流量，進而影響到產(chǎn)品質(zhì)量。當汽提塔的液位發(fā)生波動，或設(shè)定值被調(diào)整時，都會對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生擾動。由于我們很難使掌握器預知這種擾動，因此為了降低其對掌握器的性能產(chǎn)生不良影響，汽提塔液位掌握回路的參數(shù)整定就顯得格外重要。有些廠在模型推測掌握技術(shù)的應(yīng)用實施過程中，為了避開汽提塔液位帶來的干擾，用汽提塔側(cè)線產(chǎn)品入口的調(diào)整閥開度對作為掌握產(chǎn)品質(zhì)量的操作變量，同時用產(chǎn)品出裝置的流量掌握回路來調(diào)整汽提塔液位。但由于調(diào)整閥的開度并不能精準的表達流量變化，掌握器的模型難以準確，而且對正常的操作習慣改動也太大，明顯是不適宜的。DV由于推測掌握是以模型掌握為根底的，所以具有前饋掌握的特點。對于干擾變量來說，它相當于前饋掌握中的擾動值，可以使掌握器預知其對受控變量的影響，提前實行措施進展調(diào)整，從而可以得到更好的掌握品質(zhì)。對常壓塔受控變量有影響的可測變量有很多，在設(shè)定干擾變量的時候要考慮到它的獨立性和可實施性。 對那些相互關(guān)聯(lián)的變量,只取其中起初始作用的一個變量作為干擾變量。比方當常壓塔底液位突然上升時，會引起塔頂壓力上升，從而影響到產(chǎn)品質(zhì)量。但實際上這是由于進料量的增加引起常壓塔底液位的上升，同時引起油這不選為干擾變量，比方常壓塔底汽提蒸汽溫度就屬于這種狀況?？紤]到上述幾個方面，設(shè)計中把常掌握器的構(gòu)成序號操作變量〔MV〕受控變量〔CV序號操作變量〔MV〕受控變量〔CV〕干擾變量〔DV〕190%點y1常頂回流流量u1常壓爐出口總管溫度u122常一中量u290%y2常頂壓力u133常二中量u3常一線冰點y34常頂循回流量u4常一線閃點y45常一線量u5常二線粘度y56常二線量u6常二線閃點y67常三線量u7常二線凝固點y78常一線重沸器出口溫度u890%y8常二線汽提塔汽提蒸汽流量9 u9常三線汽提塔汽提蒸汽流量10 u1011 常壓塔汽提蒸汽流量u11

常三線凝固點y9常頂溫度〔約束〕y10y1y2y3y4y5y6y7y8y9y10u1F(y1u1)F(y2u1)F(y3u1)F(y4u1)F(y5u1)F(y6u1)F(y7u1)F(y8u1)F(y9u1)F(y10u1)u2F(y1u2)F(y2u2)F(y3u2)F(y4u2)F(y5u2)F(y6u2)F(y7u2)F(y8u2)F(y9u2)F(y10u2)u3F(y1u3)F(y2u3)F(y3u3)F(y4u3)F(y5u3)F(y6u3)F(y7u3)F(y8u3)F(y9u3)F(y10u3)u4F(y1u4)F(y2u4)F(y3u4)F(y4u4)F(y5u4)F(y6u4)F(y7u4)F(y8u4)F(y9u4)F(y10u4)u5F(y1u5)F(y2u5)F(y3u5)F(y4u5)F(y6u5)u6u7F(y2u6)F(y5u6)F(y6u6)F(y7u6)F(y8u7)F(y9u7)u8F(y4u8)u9F(y6u9)u10u11 F(y1u11) F(y2u11)

F(y3u11) F(y4u11) F(y5u11) F(y6u11) F(y7u11) F(y8u11)

F(y9u11)

F(y10u11)u12 F(y1u12) F(y2u12)u13 F(y1u13)

F(y3u12) F(y4u12) F(y5u