石工業(yè)生產(chǎn)化技術,2008,15(1):23 PETROCHEMICAL INDUSTRY TECHNOLOGY乙二醇精制單元先進控制技術應用王立忠王憲久2胡桂清2(1.中國石油撫順工程建設有限公司,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 Foxboro公司 CONNOISSEUR先進控制軟件在環(huán)氧乙烷乙二醇裝置乙二醇精制單元控制系統(tǒng)中的應用,對其中的偽隨機二進制序列建立過程動態(tài)模型技術和多變量預測控制技術進行了詳細介紹乙二醇精制單元應用該先進過程控制技術實踐證明,精制單元能夠減少工藝參數(shù)波動,穩(wěn)定生產(chǎn),提高產(chǎn)品產(chǎn)量降低能耗,達到提高經(jīng)濟效益的目的。關鍵詞:乙二醇精制單元偽隨機二進制序列多變量預測控制中國石油撫順石化公司乙烯化工廠(簡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)裝置采用作為側線乙二醇產(chǎn)品采出。該產(chǎn)品要求二乙二醇 Shell公司專利技術與工藝設計方案,于1992年5的含量少于500gg月建成開車。裝置設計生產(chǎn)能力為50kt/a當量環(huán)乙二醇塔的釜液仍然含有約82%的乙二醇,氧乙烷(EOE)2000年5月進行擴能改造,EO生這些乙二醇將在乙二醇循環(huán)塔(C-502)中回收。產(chǎn)能力達到65kt/a,年操作時間設計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。富中只使用了簡單的PID控制回路或者溫度流量串乙二醇物料由側線采出,返回到C-404。釜液要求級回路,無法同時考慮到幾個精制塔中眾多變量乙二醇含量小于0.04%之間復雜的關系情況,進行了先進技術控制應用,優(yōu)化工藝操作,減少工藝波動,實現(xiàn)了降低裝置能2問題的提出耗和物耗的目的。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。為了防止真空系統(tǒng)1工藝簡介空氣吸入產(chǎn)品氧化(例如生成醛),導致產(chǎn)品質(zhì)量含有58.36%(質(zhì)量分數(shù),以下同)的EO水溶下降各塔及其附屬件均設計最小的空氣泄漏量。液和水按一定比例在3.65MPa,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℃條件下進行液相無催化水合反應生力降的填料。由于這種填料的液體滯留量相對較成乙二醇、二乙二醇等產(chǎn)品,經(jīng)三效蒸發(fā)(C-401、少,塔的氣相負荷波動將導致在較短的相應時間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,因此,原控制系統(tǒng)采用溫度和二醇脫水塔(C404)在真空操作下脫除剩余的水供給再沸器蒸汽流量串級控制各塔的加熱量,以(含水量小于100μg/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控制塔的回流。但是,實際上由于多個變理。C-404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,到回收日期:2007-07-26修改稿收到日期:2008-01-20流罐(V-503)。為了減少乙二醇在真空系統(tǒng)的損作者介:王立忠,工程師,1997年畢業(yè)于遼寧石油化工耗,在V-503的頂部設有放空冷凝器(E-502),保大學計算機工程系,主要從事裝置先進控制系統(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:0413-758928924石化技術2008年第15卷第1期量之間存在著嚴重的耦合作用,只調(diào)節(jié)某單一回3.15控制器設計工具路或單一的串級,并不能使被控變量穩(wěn)定,相反有可根據(jù)辨識得到的模型進行系統(tǒng)的控制器設時由于耦合作用,使系統(tǒng)的波動更加嚴重。計,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,并且能夠進行設定值控制以及約束控制。單元操作上稍有輕微波動,會導致后續(xù)各塔液位3.1.6系統(tǒng)仿真工具大幅波動,破壞系統(tǒng)的平衡,甚至引起滿塔或者空對系統(tǒng)的辨識模型進行仿真,以確保辨識模塔操作。單個塔的各個變量之間以及各塔變量之型的準確性?？梢詫刂破鬟M行離線和在線的仿間的耦合關系比較嚴重。通常的操作中,經(jīng)常是對真運行,以保證控制器的穩(wěn)定和裝置的安全。一個變量進行調(diào)節(jié)后,引起多個變量的同時動作,31.7P線性穩(wěn)態(tài)優(yōu)化器、模型自適應工具然后再對這些變量進行調(diào)節(jié)。操作員處于頻繁的LP線性優(yōu)化器能夠設計系統(tǒng)的優(yōu)化控制器,系統(tǒng)調(diào)整過程中,裝置較難在較短時間內(nèi)達到穩(wěn)使得控制器能夠在操作允許的范圍內(nèi)進行系統(tǒng)尋定的操作狀態(tài)。優(yōu),查找最優(yōu)化的操作點,保證裝置操作的利潤最針對以上情況,有必要引進一種先進的控制大化。模型自適應工具能夠使控制器在多組模型方法。該技術能夠對系統(tǒng)中的多個變量進行解耦,之間進行在線切換,從而保證控制器的投用率和并對多個變量同時進行調(diào)整,進而穩(wěn)定系統(tǒng)的操投用效果。作,實現(xiàn)裝置安全穩(wěn)定生產(chǎn),節(jié)能降耗,達到產(chǎn)量3.2硬件構成最大化。經(jīng)過調(diào)查研究,采用了 Foxboro公司的多先進控制系統(tǒng)運行于專門的PC工作站上,變量預估控制器軟件包(CONNOISSEUR)并且實通過乙太網(wǎng)接口和DCS的AW51F通訊。先進控施了以多變量預估控制為主的先進控制系統(tǒng)。制的操作畫面在DCS操作站上實現(xiàn)操作員可以直接在DCS操作站上進行先進控制的操作,圖13先進控制系統(tǒng)介紹為系統(tǒng)連接示意圖。先進控制系統(tǒng)采用 Foxboro公司UA系列的33多變量預測控制(MPC)技術 CONNOISSEUR控制軟件包。該軟件包由離線的MPC是一種多變量的先進過程控制技術,它工廠分析系統(tǒng)和在線的工廠實時優(yōu)化控制系統(tǒng)構可以通過使用一個表述過程動態(tài)特性的數(shù)學模型成。在軟件環(huán)境中集成了大量的工具軟件,使得整來預測受控過程的未來變化。通過這個預測模型,個高級控制項目可以使用該軟件包獨立的完成。控制器有能力計算出最優(yōu)的執(zhí)行器輸出值,以確3.1系統(tǒng)工具?？刂葡到y(tǒng)在不違反設備約束條件下,最小化過3.1.1系統(tǒng)組態(tài)工具以及歷史趨勢工具程工藝值與設定值之間的偏差。此外,模型還可用此工具可完成相關回路的組態(tài)以及同下游控于優(yōu)化操作點的計算,來實現(xiàn)裝置的優(yōu)化操作。模制器(通常是DCS)的通訊,并且能夠完成相關數(shù)型預測控制通常適用于那些存在大滯后或多變量據(jù)的趨勢繪制、歷史存儲以及定期存盤備份。耦合的復雜過程特性。當這些情況交織在一起時,3.1.2過程測試工具傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)方法往往難以發(fā)揮作用。常見現(xiàn)包括偽隨機二進制序列(PRBS)測試階躍測象是一些常規(guī)控制策略經(jīng)常被放在手動方式,或試工具、脈沖測試工具用戶可以根據(jù)需要進行選被迫降低其調(diào)節(jié)性能來面對復雜的工藝過程。利擇,然后對系統(tǒng)過程進行激勵得到測試數(shù)據(jù)。用MPC對多個變量進行解耦,并且同時對多個變3.13統(tǒng)計工具量進行操作,從而能夠實現(xiàn)過程的穩(wěn)定操作。對相關的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。在大量的數(shù)據(jù)之中3.4MPC控制器結構進行分析,進而發(fā)現(xiàn)其中隱藏的實質(zhì)性關系,如3.4.1控制變量(CV)多個變量之間的因果關系等。CV是系統(tǒng)的控制目標,可以是設定值控制或3.1.4模型辨識工具者是區(qū)域控制。通過調(diào)整其他回路或者調(diào)節(jié)閥來對測試的數(shù)據(jù)進行分析辨識,進而建立系統(tǒng)使其穩(wěn)定在設定值或者控制區(qū)域內(nèi)。過程的模型。能夠進行模型數(shù)據(jù)的標準化以及在3.4.2操作變量(MV)傳遞函數(shù)模型、狀態(tài)空間模型之間進行轉化用來MV是主要的調(diào)節(jié)手段,一般調(diào)節(jié)回路的設進行系統(tǒng)過程特性的分析。定值,有時也直接調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的輸出。王立忠等乙二醇精制單元先進控制技術應用25先進控制軟件 winXP程信網(wǎng)應用1作站控制節(jié)點操作工作站心過程輸入輸出圖1系統(tǒng)連接示意3.4.3前饋變量(FV)范圍內(nèi)。FV是對系統(tǒng)的控制有影響,但是又沒有調(diào)節(jié)5)在多變量預估控制器的上層設計并實施線手段的變量。MPC控制器的結構示意見圖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,作為下層多變量預估控制器相應的設定值,從而使系統(tǒng)操作利潤最大化和能耗成本最小化。3.6模型辨識與PRBS測試建立MPC控制器必須得到CV與MV之間多變量的動態(tài)相應關系,即模型辨識。通常建立過程模型使用階躍測試。但是使用階躍測試有以下缺點:加到MV上的階躍信號必須足夠大,太小將無法反應CV與MV之間的關系,但太大將導致裝置生圖2MPC控制器結構示意產(chǎn)波動,破壞裝置平衡,甚至引發(fā)生產(chǎn)事故;通常的階躍測試只能得到單個CV與MV之間的關3.5控制目標系,如果對于多輸入輸出的控制器來說,階躍測試通過在給定的約束范圍內(nèi),調(diào)整各塔的回流將耗費大量的工程時間PRBS是一種在保證對裝量、采出量以及再沸器蒸汽量,實現(xiàn)以下目標。置干擾最小的前提下,得到過程動態(tài)響應的有效1)各塔的靈敏板溫度穩(wěn)定在設定值,并且減方法。它使得MV以兩個指定的值變化,在每個值少溫度波動的范圍,保證產(chǎn)品質(zhì)量,并進一步實施上停留的時間為一個隨機間隔的隨機數(shù)倍。這樣,卡邊控制,以使產(chǎn)量最大化,能耗最小化。PRBS測試就能帶給裝置最小的擾動,并且多個2)各塔的其他溫度參考點在給定的約束范圍CV與MV可以同時進行,節(jié)約大量的工程時間,內(nèi)波動,保證各塔的穩(wěn)定操作。測試示意見圖3。3)各塔的液位在給定的約束范圍內(nèi)波動,在針對各個變量的不同特性分別相應的進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)階躍測試和PRBS測試測試的同時可以利用定,減少對其他參數(shù)的影響,確保穩(wěn)定操作。 CONNOISSEUR軟件包提供的統(tǒng)計工具進行相應4)使各塔的壓力系統(tǒng)波動保持在給定的約束的交叉相關性的分析,直至得到的數(shù)據(jù)能夠明顯石化技術2008年第15卷第1期=[ Pe+ +] (1)1m過式中,J為成本函數(shù)值;M為水平設計區(qū)間步數(shù);T為預測步數(shù);P、Q、R分別為偏差及控制輸出的調(diào)整權重;e為CV距離設定值的偏差;△u為MV的運動增量;f為MV距離穩(wěn)態(tài)設定目標的偏差。圖3PRBS測試示意通過調(diào)整各參數(shù),使成本函數(shù)J最小化。同時,也地反映出過程的因果關系,將采得有效的測試數(shù)可以改善cV和MV在過程響應中動作的快慢據(jù)保存,結束過程測試。在確定好相關參數(shù)之后,根據(jù)辨識模型系統(tǒng)模型測試的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過處理之后才能用于將生成控制器。控制器在實際投用之前,經(jīng)過離線過程模型的辨識。 CONNOISSEUR軟件包提供了和在線的仿真,以保證控制器設計的正確性。很方便的工具用于進行測試數(shù)據(jù)的修改和處理。 CONNOISSEUR夠自動在c上生成用戶可以進行壞質(zhì)量數(shù)據(jù)的刪除、多個相關數(shù)據(jù)的數(shù)操作界面操作員可以從DCS上看到控制器的當學運算,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與上位機通訊是否正常。當控后的數(shù)據(jù)被導人過程分析軟件包進行模型辨識。制器激活后,MPC以開環(huán)方式運行當操作員確認在模型辨識過程中,需要確定一些相關的參數(shù),如控制器及通訊正常后,便可以在DCS界面上將模型的結構(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)控制切換的預估周期等等,經(jīng)過最小二乘法的辨識計算,系到先進控制。統(tǒng)將產(chǎn)生過程的辨識模型。產(chǎn)生的模型在應用到系統(tǒng)之前要去檢驗模型的有效性。圖4是模型計4性能評估算數(shù)據(jù)與裝置實際運行數(shù)據(jù)的比較。系統(tǒng)投用先進控制之后,在正常生產(chǎn)條件下對該控制系統(tǒng)進行長期的觀察,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的相關C-501塔頂溫度CV在控制器的調(diào)節(jié)作用下,逐步進入穩(wěn)定操作狀態(tài)(見圖5)。C-502塔底溫度C404塔液位c404塔頂溫度C-502液位C404塔溫度C404塔底溫度時間圖4模型數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)比較時間1模型計算數(shù)據(jù);2實際運行數(shù)據(jù)圖5系統(tǒng)控制變量運行趨勢3.7控制器的設計與投運系統(tǒng)的回流量減少,提高了塔的運行效率。產(chǎn)在實際控制器的運行過程中,存在很多的方品采出量增加,提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量塔的靈敏板溫法能夠實現(xiàn)控制目標。控制器的設計其實就是找度逐步穩(wěn)定波動幅度減小,從而減少了蒸汽的使到能夠實現(xiàn)CV控制目標的MV的最佳的運動方用量,降低了裝置的能耗。式在 CONNOISSEUR的控制器設計中,考慮到了 CONNOISSEUR軟件包提供了運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計實現(xiàn)控制目標所需要的成本。在保障實現(xiàn)CV控分析工具。經(jīng)過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)控制目標的波動(以制目標的同時,保證MV運動成本的最小化。因標準方差表示)明顯減小C404塔常規(guī)控制下的此在系統(tǒng)中引入了成本函數(shù)的概念。數(shù)據(jù)與高級控制下各3天數(shù)據(jù)統(tǒng)計比較見表1王立忠等乙二醇精制單元先進控制技術應用27表1C-404塔常規(guī)控制與高級控制數(shù)據(jù)統(tǒng)計常規(guī)控制高級控制項目當前值平均值標準偏差當前值平均值標準偏差C-404塔頂溫度/℃50.4010650.025501.07623253.473651.719111.143831C-404塔底液位,%48.2968749.893732.73965754.8300852053852.185043C-404塔底溫度℃135478134.1600.846889133512133.9150.575873E407蒸汽流量/(th22157472.1921880.1129082.0628372.1473770.078010C-404回流量/(mh)0.3625640.3438120.0384450.2600000.2955950.031521C-404塔底采出mh68608556.9602170140450695908069923880.105225結語動強度,已經(jīng)越來越多被更多的裝置所采用,并成先進控制技術的投用減少了生產(chǎn)的波動,穩(wěn)為現(xiàn)有裝置不進行擴容改造時,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,同時減少了操作人員的勞(編輯谷彥麗) The Application of APC in MEG Refinery Wang Lizhong', Wang Xianjiu2 and Hu Guiqing (1. Fushun Petrochemical Engineering Co., CNPC, Fushun, 113000; 2. Fushun Ethylene Petrochemical Co., CNPC, Fushun, 113000) Abstract ethylene oxide/ethylene glycol plant was introduced, the technology for built process dynamic moder The application of the Connoisseur Advanced Process Control(APC) software in the control system o of pseudo-random binary sequence and multivariable predictive control method described in detail. It was proved that the operation was more steadily, the output and profit to be increased and energy saving because of the APC in use to the purification unit. Key words: ethylene glycol purified unit, pseudo-random binary sequence, multivariable predictive control重要啟事《石化技術》編輯部電子信箱自2007年9月1日起更改為:pcit.yssh pcit. yssh@sinopec.com !.com特此申明歡迎踴躍投稿!%《石化技術》編輯部吧