工業(yè)·生產(chǎn)技術(shù),2008,15(1):23PETROCHEMICAL INDUSTRY TECHNOLOGY乙二醇精制單元先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用王立忠1王憲久2胡桂清21.中國石油撫順工程建設(shè)有限公司,撫順,113000;2.中國石油撫順石化公司乙烯化工廠,撫順,113000摘要:介紹了 Foxton公司 CONNOISSEUR先進(jìn)控制軟件在環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置乙二醇精制單元控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,對(duì)其中的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列建立過程動(dòng)態(tài)模型技術(shù)和多變量預(yù)測(cè)控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。乙二醇精制單元應(yīng)用該先進(jìn)過程控制技術(shù)實(shí)踐證明精制單元能夠減少工藝參數(shù)波動(dòng)穩(wěn)定生產(chǎn)提高產(chǎn)品產(chǎn)量降低能耗達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效鹽的目的。關(guān)鑣詞:乙二醇精制單元偽隨機(jī)二進(jìn)制序列多變量預(yù)測(cè)控制中國石油撫順石化公司乙烯化工廠(簡(jiǎn)稱撫制的乙二醇在巴氏精餾段下取出并冷卻至45℃順乙烯廠)環(huán)氧乙烷/乙二醇(EO/EG)裝置采用作為側(cè)線乙二醇產(chǎn)品采出。該產(chǎn)品要求二乙二醇Shel公司專利技術(shù)與工藝設(shè)計(jì)方案,于1992年5的含量少于500μg/go月建成開車。裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為50kta當(dāng)量環(huán)乙二醇塔的釜液仍然含有約82%的乙二醇氧乙烷(FO)。2000年5月進(jìn)行擴(kuò)能改造,EOE生這些乙二醇將在乙二醇循環(huán)塔(C-502)中回收。產(chǎn)能力達(dá)到65kua,年操作時(shí)間設(shè)計(jì)7560h。塔頂氣在塔頂換熱器(E-505)中冷凝。塔頂產(chǎn)品撫順乙烯廠針對(duì)乙二醇精制單元原控制方案循環(huán)氣脫水塔能使任何輕度分解的產(chǎn)品除去。富中只使用了簡(jiǎn)單的PID控制回路或者溫度流量串乙二醇物料由側(cè)線采出,返回到C-404。釜液要求級(jí)回路,無法同時(shí)考慮到幾個(gè)精制塔中眾多變量乙二醇含量小于004%之間復(fù)雜的關(guān)系情況,進(jìn)行了先進(jìn)技術(shù)控制應(yīng)用,優(yōu)化工藝操作,減少工藝波動(dòng),實(shí)現(xiàn)了降低裝置能2問題的提出耗和物耗的為了低溫操作防止產(chǎn)品降解,在乙二醇精制工序各塔中都采用真空操作。為了防止真空系1工藝簡(jiǎn)介空氣吸入產(chǎn)品氧化(例如生成醛),導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量含有5836%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),以下同)的E0水溶下降,各塔及其附屬件均設(shè)計(jì)最小的空氣泄漏量液和水按一定比例在365MPa,人口194℃,出口因受通過塔所允許的壓力降限制,各塔采用低壓217-234℃條件下進(jìn)行液相無催化水合反應(yīng),生力降的填料。由于這種填料的液體滯留量相對(duì)較成乙二醇、二乙二醇等產(chǎn)品,經(jīng)三效蒸發(fā)(C-401、少,塔的氣相負(fù)荷波動(dòng)將導(dǎo)致在較短的相應(yīng)時(shí)間C-402、C-403),釜液含量為77.6%乙二醇流至乙內(nèi)產(chǎn)品組成的波動(dòng)因此,原控制系統(tǒng)采用溫度和二醇脫水塔(C-404),在真空操作下脫除剩余的水供給再沸器蒸汽流量串級(jí)控制各塔的加熱量,以(含水量小于100μ/g)。脫水塔塔頂氣的部分凝保證恒定的氣體流量通過塔,用回流罐的液位和液作為脫水塔的回流液,余下的凝液送去廢水處流量串級(jí)控制塔的回流。但是,實(shí)際上由于多個(gè)變理。C404釜液送至乙二醇精制塔(C-501),C-501塔頂氣在熱虹吸式冷凝器(E-501)中冷卻后,到回收稿日期:2007-07-26。流罐(V-503)。為了減少乙二醇在真空系統(tǒng)的損中國煤化工業(yè)于遼寧石油化工耗,在V-503的頂部設(shè)有放空冷凝器(E-502),保CNMHG進(jìn)控制系統(tǒng)工作。證微量水和其他輕的雜質(zhì)經(jīng)過真空系統(tǒng)脫出。精聯(lián)系電話:0413-7589289。石化技術(shù)2008年第15卷第1期量之間存在著嚴(yán)重的耦合作用,只調(diào)節(jié)某單一回315控制器設(shè)計(jì)工具路或單一的串級(jí),并不能使被控變量穩(wěn)定,相反有可根據(jù)辨識(shí)得到的模型進(jìn)行系統(tǒng)的控制器設(shè)時(shí)由于耦合作用,使系統(tǒng)的波動(dòng)更加嚴(yán)重計(jì),其中包含LR()、QP、LR+QP的多種控制器模C-404、C-501、C-502的容量都比較小,上游式,并且能夠進(jìn)行設(shè)定值控制以及約束控制。單元操作上稍有輕微波動(dòng),會(huì)導(dǎo)致后續(xù)各塔液位3.1.6系統(tǒng)仿真工具大幅波動(dòng),破壞系統(tǒng)的平衡,甚至引起滿塔或者空對(duì)系統(tǒng)的辨識(shí)模型進(jìn)行仿真,以確保辨識(shí)模塔操作。單個(gè)塔的各個(gè)變量之間以及各塔變量之型的準(zhǔn)確性?？梢詫?duì)控制器進(jìn)行離線和在線的仿間的耦合關(guān)系比較嚴(yán)重。通常的操作中,經(jīng)常是對(duì)真運(yùn)行,以保證控制器的穩(wěn)定和裝置的安全。一個(gè)變量進(jìn)行調(diào)節(jié)后,引起多個(gè)變量的同時(shí)動(dòng)作,317LP線性穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器、模型自適應(yīng)工具然后再對(duì)這些變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。操作員處于頻繁的IP線性優(yōu)化器能夠設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)化控制器系統(tǒng)調(diào)整過程中,裝置較難在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)使得控制器能夠在操作允許的范圍內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)尋定的操作狀態(tài)。優(yōu),查找最優(yōu)化的操作點(diǎn),保證裝置操作的利潤(rùn)最針對(duì)以上情況,有必要引進(jìn)一種先進(jìn)的控制大化。模型自適應(yīng)工具能夠使控制器在多組模型方法。該技術(shù)能夠?qū)ο到y(tǒng)中的多個(gè)變量進(jìn)行解耦,之間進(jìn)行在線切換,從而保證控制器的投用率和并對(duì)多個(gè)變量同時(shí)進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)而穩(wěn)定系統(tǒng)的操投用效果。作,實(shí)現(xiàn)裝置安全穩(wěn)定生產(chǎn),節(jié)能降耗,達(dá)到產(chǎn)量32硬件構(gòu)成最大化。經(jīng)過調(diào)查研究,采用了 Foxboro公司的多先進(jìn)控制系統(tǒng)運(yùn)行于專門的PC工作站上,變量預(yù)估控制器軟件包( CONNOISSEUR),并且實(shí)通過乙太網(wǎng)接口和DCS的AW5IF通訊。先進(jìn)控施了以多變量預(yù)估控制為主的先進(jìn)控制系統(tǒng)制的操作畫面在DCS操作站上實(shí)現(xiàn)操作員可以直接在DCS操作站上進(jìn)行先進(jìn)控制的操作,圖13先進(jìn)控制系統(tǒng)介紹為系統(tǒng)連接示意圖。先進(jìn)控制系統(tǒng)采用 Foxboro公司MA系列的33多變量預(yù)測(cè)控制(MPC技術(shù)CONNOISSEUR控制軟件包。該軟件包由離線的MFC是一種多變量的先進(jìn)過程控制技術(shù),它工廠分析系統(tǒng)和在線的工廠實(shí)時(shí)優(yōu)化控制系統(tǒng)構(gòu)可以通過使用一個(gè)表述過程動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型成。在軟件環(huán)境中集成了大量的工具軟件,使得整來預(yù)測(cè)受控過程的未來變化。通過這個(gè)預(yù)測(cè)模型個(gè)高級(jí)控制項(xiàng)目可以使用該軟件包獨(dú)立的完成?？刂破饔心芰τ?jì)算出最優(yōu)的執(zhí)行器輸出值,以確3.1系統(tǒng)工具保控制系統(tǒng)在不違反設(shè)備約束條件下,最小化過3,11系統(tǒng)組態(tài)工具以及歷史趨勢(shì)工具程工藝值與設(shè)定值之間的偏差。此外模型還可用此工具可完成相關(guān)回路的組態(tài)以及同下游控于優(yōu)化操作點(diǎn)的計(jì)算,來實(shí)現(xiàn)裝置的優(yōu)化操作模制器(通常是DCS)的通訊,并且能夠完成相關(guān)數(shù)型預(yù)測(cè)控制通常適用于那些存在大滯后或多變量據(jù)的趨勢(shì)繪制、歷史存儲(chǔ)以及定期存盤備份。耦合的復(fù)雜過程特性。當(dāng)這些情況交織在一起時(shí),3.1.2過程測(cè)試工具傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)方法往往難以發(fā)揮作用。常見現(xiàn)包括偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(PRBS)測(cè)試、階躍測(cè)象是一些常規(guī)控制策略經(jīng)常被放在手動(dòng)方式,或試工具、脈沖測(cè)試工具。用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行選被迫降低其調(diào)節(jié)性能來面對(duì)復(fù)雜的工藝過程。利擇,然后對(duì)系統(tǒng)過程進(jìn)行激勵(lì)得到測(cè)試數(shù)據(jù)用MPC對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行解耦,并且同時(shí)對(duì)多個(gè)變313統(tǒng)計(jì)工具量進(jìn)行操作,從而能夠?qū)崿F(xiàn)過程的穩(wěn)定操作。對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在大量的數(shù)據(jù)之中34MPC控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,進(jìn)而發(fā)現(xiàn)其中隱藏的實(shí)質(zhì)性關(guān)系,例如341控制變量(Cv)多個(gè)變量之間的因果關(guān)系等。Cv是系統(tǒng)的控制目標(biāo),可以是設(shè)定值控制或3.1.4模型辨識(shí)工具者是區(qū)域控制。通過調(diào)整其他回路或者調(diào)節(jié)閥來對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析辨識(shí),進(jìn)而建立系統(tǒng)使其穩(wěn)設(shè)寧倬或孝反由。過程的模型。能夠進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化以及在342中國煤化工傳遞函數(shù)模型、狀態(tài)空間模型之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化,用來CNMHG調(diào)節(jié)回路的設(shè)進(jìn)行系統(tǒng)過程特性的分析定值,有時(shí)也直接調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的輸出。王立忠等.乙二醇精制單元先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用25應(yīng)用1作站A拉制節(jié)點(diǎn)操作公工作站1系統(tǒng)連接示343前饋?zhàn)兞?FV)范圍內(nèi)Fv是對(duì)系統(tǒng)的控制有影響,但是又沒有調(diào)節(jié)5)在多變量預(yù)估控制器的上層設(shè)計(jì)并實(shí)施線手段的變量。MPC控制器的結(jié)構(gòu)示意見圖2。性穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器。通過在產(chǎn)品效益以及生產(chǎn)能耗之間的協(xié)調(diào),計(jì)算出各控制變量以及操作變量的最優(yōu)值,作為下層多變量預(yù)估控制器相應(yīng)的設(shè)定值,從而使系統(tǒng)操作利潤(rùn)最大化和能耗成本最小化。3.6模型辨識(shí)與PRBS測(cè)試建立MPC控制器必須得到CV與MV之間多變量預(yù)佔(zhàn)控制器的動(dòng)態(tài)相應(yīng)關(guān)系,即模型辨識(shí)。通常建立過程模型使用階躍測(cè)試。但是使用階躍測(cè)試有以下缺點(diǎn):加到MV上的階躍信號(hào)必須足夠大,太小將無法反應(yīng)CV與MV之間的關(guān)系,但太大將導(dǎo)致裝置生圖2MPC控制器結(jié)構(gòu)示意產(chǎn)波動(dòng),破壞裝置平衡,甚至引發(fā)生產(chǎn)事故;通常的階躍測(cè)試只能得到單個(gè)CV與MV之間的關(guān)35控制目標(biāo)系,如果對(duì)于多輸入輸出的控制器來說,階躍測(cè)試通過在給定的約束范圍內(nèi),調(diào)整各塔的回流將耗費(fèi)大量的工程時(shí)間。PRBS是一種在保證對(duì)裝量、采出量以及再沸器蒸汽量,實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)。置干擾最小的前提下,得到過程動(dòng)態(tài)響應(yīng)的有效1)各塔的靈敏板溫度穩(wěn)定在設(shè)定值,并且減方法。它使得MV以兩個(gè)指定的值變化,在每個(gè)值少溫度波動(dòng)的范圍,保證產(chǎn)品質(zhì)量,并進(jìn)一步實(shí)施上停留的時(shí)間為一個(gè)隨機(jī)間隔的隨機(jī)數(shù)倍。這樣,卡邊控制,以使產(chǎn)量最大化,能耗最小化。PRBS測(cè)試就能帶給裝置最小的擾動(dòng),并且多個(gè)2)各塔的其他溫度參考點(diǎn)在給定的約束范圍CV與MV可以同時(shí)進(jìn)行,節(jié)約大量的工程時(shí)間,內(nèi)波動(dòng),保證各塔的穩(wěn)定操作。測(cè)試示意見圖3。3)各塔的液位在給定的約束范圍內(nèi)波動(dòng),在個(gè)產(chǎn)量的不同性八相應(yīng)的進(jìn)行了各塔的有限容量空間內(nèi)協(xié)調(diào),保證各塔的液位穩(wěn)階躍測(cè)中國煤化工司時(shí)可以利用定,減少對(duì)其他參數(shù)的影響,確保穩(wěn)定操作。CONCNMHG工具進(jìn)行相應(yīng)4)使各塔的壓力系統(tǒng)波動(dòng)保持在給定的約束的交叉相關(guān)性的分析,直至得到的數(shù)據(jù)能夠明顯26石化技術(shù)2008年第15卷第1期J=2[ePe灬+△nQA+R(1)TULuL式中,為成本函數(shù)值;M為水平設(shè)計(jì)區(qū)間步數(shù);T為預(yù)測(cè)步數(shù);P、Q、R分別為偏差及控制輸出的調(diào)整權(quán)重;e為CV距離設(shè)定值的偏差;為Mv的運(yùn)動(dòng)增量;∫為MV距離穩(wěn)態(tài)設(shè)定目標(biāo)的偏差。圖3PRBS測(cè)試示意通過調(diào)整各參數(shù),使成本函數(shù)J最小化。同時(shí),也地反映出過程的因果關(guān)系,將采得有效的測(cè)試數(shù)可以改善CV和M在過程響應(yīng)中動(dòng)作的快慢。據(jù)保存結(jié)束過程測(cè)試在確定好相關(guān)參數(shù)之后,根據(jù)辨識(shí)模型系統(tǒng)模型測(cè)試的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過處理之后才能用于將生成控制器。控制器在實(shí)際投用之前經(jīng)過離線過程模型的辨識(shí)。 CONNOISSEUR軟件包提供了和在線的仿真,以保證控制器設(shè)計(jì)的正確性。很方便的工具用于進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的修改和處理。CONNOISSEUR能夠自動(dòng)在DCS上生成用戶可以進(jìn)行壞質(zhì)量數(shù)據(jù)的刪除、多個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)操作界面。操作員可以從DCS上看到控制器的當(dāng)學(xué)運(yùn)算以及多段歷史數(shù)據(jù)的連接等等。經(jīng)過處理前狀態(tài)以及DCS與上位機(jī)通訊是否正常。當(dāng)控后的數(shù)據(jù)被導(dǎo)入過程分析軟件包進(jìn)行模型辨識(shí)。制器激活后MPC以開環(huán)方式運(yùn)行。當(dāng)操作員確認(rèn)在模型辨識(shí)過程中,需要確定一些相關(guān)的參數(shù),如控制器及通訊正常后,便可以在DCS界面上將模型的結(jié)構(gòu)(Cv、MV、FV)確定,模型的階數(shù)模型MPC投人閉環(huán),從而使生產(chǎn)過程由常規(guī)控制切換的預(yù)估周期等等,經(jīng)過最小二乘法的辨識(shí)計(jì)算,系到先進(jìn)控制統(tǒng)將產(chǎn)生過程的辨識(shí)模型。產(chǎn)生的模型在應(yīng)用到系統(tǒng)之前要去檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行浴D4是模型計(jì)4性能評(píng)估算數(shù)據(jù)與裝置實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的比較。系統(tǒng)投用先進(jìn)控制之后,在正常生產(chǎn)條件下對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期的觀察,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的相關(guān)C-50頂溫度Cv在控制器的調(diào)節(jié)作用下,逐步進(jìn)入穩(wěn)定操作狀態(tài)(見圖5)。c.502塔底濕度c404塔釜液位W42A小c404塔頂溫度C50液位c404塔底溫度圖4模型數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)比較1模型計(jì)算數(shù)據(jù);2實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)圖5系統(tǒng)控制變量運(yùn)行趨勢(shì)37控制器的設(shè)計(jì)與投運(yùn)系統(tǒng)的回流量減少,提高了塔的運(yùn)行效率。產(chǎn)在實(shí)際控制器的運(yùn)行過程中,存在很多的方品采出量增加提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量塔的靈敏板法能夠?qū)崿F(xiàn)控制目標(biāo)。控制器的設(shè)計(jì)其實(shí)就是找度逐步穩(wěn)定,波動(dòng)幅度減小從而減少了蒸汽的使到能夠?qū)崿F(xiàn)CV控制目標(biāo)的M的最佳的運(yùn)動(dòng)方用量降低了裝置的能耗。式在 CONNOISSEUR的控制器設(shè)計(jì)中,考慮到了OISSEUR軟件包提供了運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)所需要的成本。在保障實(shí)現(xiàn)CV控分析中國煤化工目標(biāo)的波動(dòng)(以制目標(biāo)的同時(shí),保證MV運(yùn)動(dòng)成本的最小化。因標(biāo)準(zhǔn)CNMHG常規(guī)控制下的此,在系統(tǒng)中引人了成本函數(shù)的概念。數(shù)據(jù)與高級(jí)控制下各3天數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)比較見表1。王立忠等.乙二醇精制單元先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用褒1C-404塔常規(guī)控制與高級(jí)控制數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)常規(guī)控制高級(jí)控制當(dāng)前值平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差當(dāng)前值平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差C-404塔頂溫度50025501076232530473651719111143831C404塔底液位,%48296874989373273965754.8300852053852185043C404塔底溫度C34.16008468891339150.575873E407蒸汽流量/(th221574711220628372147377C-404回流量(m3h)0.36256403438120038445026000002955950031521C-404塔底采出/(m3h)686085569602170.14045069590806992388105223動(dòng)強(qiáng)度,已經(jīng)越來越多被更多的裝置所采用,并成先進(jìn)控制技術(shù)的投用減少了生產(chǎn)的波動(dòng),穩(wěn)為現(xiàn)有裝置不進(jìn)行擴(kuò)容改造時(shí)提高產(chǎn)品產(chǎn)量,降定了生產(chǎn)操作使得系統(tǒng)的卡邊操作成為可能。提低能耗的主要手段。高了產(chǎn)量,降低了能耗,同時(shí)減少了操作人員的勞(編輯:谷彥麗)The Application of APC in MEG RefineryWang Lizhong, Wang Xianjiu?' and Hu Guiqing?(L Fushun Petrochemical Engineering Co., CNPC, Fushun, 113000,2. Fushun Ethylene Petrochemical Co., CNPC, Fushun, 113000)AbstractThe application of the Connoisseur Advanced Process Control (APC) software in the control system ofethylene oxide/ethylene glycol plant was introduced, the technology for built process dynamic model ofpseudo-random binary sequence and multivariable predictive control method described in detail. It wasproved that the operation was more steadily, the output and profit to be increased and energy saving becauseof the APC in use to the purification unit.Key words: ethylene glycol purified unit, pseudo-random binary sequence, multivariable predictive》錄錄》》錄錄錄公織識(shí)錄》錄識(shí)識(shí)源公》》公22》2重要啟事《石化技術(shù)》編輯部電子信箱自200年9月1日起更改為:多pcit,yssh@sinopec.com特此申明歡迎踴躍投稿《石化技術(shù)》編輯部eKrRnaxRrrnrsxnRnssrgrtksytytTH冬kg中國煤化工CNMHG