乙二醇精制单元先进控制技术应用

石工业生产化技术,2008,15(1):23 PETROCHEMICAL INDUSTRY TECHNOLOGY乙二醇精制单元先进控制技术应用王立忠王宪久2胡桂清2(1.中国石油抚顺工程建设有限公司,抚顺113000;2.中国石油抚顺石化公司乙烯化工厂,抚顺113000摘要:介绍了 Foxboro公司 CONNOISSEUR先进控制软件在环氧乙烷乙二醇装置乙二醇精制单元控制系统中的应用,对其中的伪随机二进制序列建立过程动态模型技术和多变量预测控制技术进行了详细介绍乙二醇精制单元应用该先进过程控制技术实践证明,精制单元能够减少工艺参数波动,稳定生产,提高产品产量降低能耗,达到提高经济效益的目的。关键词:乙二醇精制单元伪随机二进制序列多变量预测控制中国石油抚顺石化公司乙烯化工厂(简称抚制的乙二醇在巴氏精馏段下取出并冷却至45℃,顺乙烯厂)环氧乙烷/乙二醇(EO/EG)装置采用作为侧线乙二醇产品采出。该产品要求二乙二醇 Shell公司专利技术与工艺设计方案,于1992年5的含量少于500gg月建成开车。装置设计生产能力为50kt/a当量环乙二醇塔的釜液仍然含有约82%的乙二醇,氧乙烷(EOE)2000年5月进行扩能改造,EO生这些乙二醇将在乙二醇循环塔(C-502)中回收。产能力达到65kt/a,年操作时间设计7560h塔顶气在塔顶换热器(E-505)中冷凝。塔顶产品抚顺乙烯厂针对乙二醇精制单元原控制方案循环气脱水塔能使任何轻度分解的产品除去。富中只使用了简单的PID控制回路或者温度流量串乙二醇物料由侧线采出,返回到C-404。釜液要求级回路,无法同时考虑到几个精制塔中众多变量乙二醇含量小于0.04%之间复杂的关系情况,进行了先进技术控制应用,优化工艺操作,减少工艺波动,实现了降低装置能2问题的提出耗和物耗的目的。为了低温操作防止产品降解,在乙二醇精制工序各塔中都采用真空操作。为了防止真空系统1工艺简介空气吸入产品氧化(例如生成醛),导致产品质量含有58.36%(质量分数,以下同)的EO水溶下降各塔及其附属件均设计最小的空气泄漏量。液和水按一定比例在3.65MPa,人口194℃出口因受通过塔所允许的压力降限制,各塔采用低压217~234℃条件下进行液相无催化水合反应生力降的填料。由于这种填料的液体滞留量相对较成乙二醇、二乙二醇等产品,经三效蒸发(C-401、少,塔的气相负荷波动将导致在较短的相应时间C-402、C-403),釜液含量为77.6%乙二醇流至乙内产品组成的波动,因此,原控制系统采用温度和二醇脱水塔(C404)在真空操作下脱除剩余的水供给再沸器蒸汽流量串级控制各塔的加热量,以(含水量小于100μg/g)。脱水塔塔顶气的部分凝保证恒定的气体流量通过塔,用回流罐的液位和液作为脱水塔的回流液,余下的凝液送去废水处流量串级控制塔的回流。但是,实际上由于多个变理。C-404釜液送至乙二醇精制塔(C-501),C-501塔顶气在热虹吸式冷凝器(E-501)中冷却后,到回收日期:2007-07-26修改稿收到日期:2008-01-20流罐(V-503)。为了减少乙二醇在真空系统的损作者介:王立忠,工程师,1997年毕业于辽宁石油化工耗,在V-503的顶部设有放空冷凝器(E-502),保大学计算机工程系,主要从事装置先进控制系统工作。证微量水和其他轻的杂质经过真空系统脱出。精联系电话:0413-758928924石化技术2008年第15卷第1期量之间存在着严重的耦合作用,只调节某单一回3.15控制器设计工具路或单一的串级,并不能使被控变量稳定,相反有可根据辨识得到的模型进行系统的控制器设时由于耦合作用,使系统的波动更加严重。计,其中包含LR()、QP、LR+QP的多种控制器模C-404、C-501、C-502的容量都比较小,上游式,并且能够进行设定值控制以及约束控制。单元操作上稍有轻微波动,会导致后续各塔液位3.1.6系统仿真工具大幅波动,破坏系统的平衡,甚至引起满塔或者空对系统的辨识模型进行仿真,以确保辨识模塔操作。单个塔的各个变量之间以及各塔变量之型的准确性。可以对控制器进行离线和在线的仿间的耦合关系比较严重。通常的操作中,经常是对真运行,以保证控制器的稳定和装置的安全。一个变量进行调节后,引起多个变量的同时动作,31.7P线性稳态优化器、模型自适应工具然后再对这些变量进行调节。操作员处于频繁的LP线性优化器能够设计系统的优化控制器,系统调整过程中,装置较难在较短时间内达到稳使得控制器能够在操作允许的范围内进行系统寻定的操作状态。优,查找最优化的操作点,保证装置操作的利润最针对以上情况,有必要引进一种先进的控制大化。模型自适应工具能够使控制器在多组模型方法。该技术能够对系统中的多个变量进行解耦,之间进行在线切换,从而保证控制器的投用率和并对多个变量同时进行调整,进而稳定系统的操投用效果。作,实现装置安全稳定生产,节能降耗,达到产量3.2硬件构成最大化。经过调查研究,采用了 Foxboro公司的多先进控制系统运行于专门的PC工作站上,变量预估控制器软件包(CONNOISSEUR)并且实通过乙太网接口和DCS的AW51F通讯。先进控施了以多变量预估控制为主的先进控制系统。制的操作画面在DCS操作站上实现操作员可以直接在DCS操作站上进行先进控制的操作,图13先进控制系统介绍为系统连接示意图。先进控制系统采用 Foxboro公司UA系列的33多变量预测控制(MPC)技术 CONNOISSEUR控制软件包。该软件包由离线的MPC是一种多变量的先进过程控制技术,它工厂分析系统和在线的工厂实时优化控制系统构可以通过使用一个表述过程动态特性的数学模型成。在软件环境中集成了大量的工具软件,使得整来预测受控过程的未来变化。通过这个预测模型,个高级控制项目可以使用该软件包独立的完成。控制器有能力计算出最优的执行器输出值,以确3.1系统工具保控制系统在不违反设备约束条件下,最小化过3.1.1系统组态工具以及历史趋势工具程工艺值与设定值之间的偏差。此外,模型还可用此工具可完成相关回路的组态以及同下游控于优化操作点的计算,来实现装置的优化操作。模制器(通常是DCS)的通讯,并且能够完成相关数型预测控制通常适用于那些存在大滞后或多变量据的趋势绘制、历史存储以及定期存盘备份。耦合的复杂过程特性。当这些情况交织在一起时,3.1.2过程测试工具传统的PID调节方法往往难以发挥作用。常见现包括伪随机二进制序列(PRBS)测试阶跃测象是一些常规控制策略经常被放在手动方式,或试工具、脉冲测试工具用户可以根据需要进行选被迫降低其调节性能来面对复杂的工艺过程。利择,然后对系统过程进行激励得到测试数据。用MPC对多个变量进行解耦,并且同时对多个变3.13统计工具量进行操作,从而能够实现过程的稳定操作。对相关的数据进行统计。在大量的数据之中3.4MPC控制器结构进行分析,进而发现其中隐藏的实质性关系,如3.4.1控制变量(CV)多个变量之间的因果关系等。CV是系统的控制目标,可以是设定值控制或3.1.4模型辨识工具者是区域控制。通过调整其他回路或者调节阀来对测试的数据进行分析辨识,进而建立系统使其稳定在设定值或者控制区域内。过程的模型。能够进行模型数据的标准化以及在3.4.2操作变量(MV)传递函数模型、状态空间模型之间进行转化用来MV是主要的调节手段,一般调节回路的设进行系统过程特性的分析。定值,有时也直接调节调节阀的输出。王立忠等乙二醇精制单元先进控制技术应用25先进控制软件 winXP程信网应用1作站控制节点操作工作站心过程输入输出图1系统连接示意3.4.3前馈变量(FV)范围内。FV是对系统的控制有影响,但是又没有调节5)在多变量预估控制器的上层设计并实施线手段的变量。MPC控制器的结构示意见图2。性稳态优化器。通过在产品效益以及生产能耗之间的协调,计算出各控制变量以及操作变量的最优值,作为下层多变量预估控制器相应的设定值,从而使系统操作利润最大化和能耗成本最小化。3.6模型辨识与PRBS测试建立MPC控制器必须得到CV与MV之间多变量的动态相应关系,即模型辨识。通常建立过程模型使用阶跃测试。但是使用阶跃测试有以下缺点:加到MV上的阶跃信号必须足够大,太小将无法反应CV与MV之间的关系,但太大将导致装置生图2MPC控制器结构示意产波动,破坏装置平衡,甚至引发生产事故;通常的阶跃测试只能得到单个CV与MV之间的关3.5控制目标系,如果对于多输入输出的控制器来说,阶跃测试通过在给定的约束范围内,调整各塔的回流将耗费大量的工程时间PRBS是一种在保证对装量、采出量以及再沸器蒸汽量,实现以下目标。置干扰最小的前提下,得到过程动态响应的有效1)各塔的灵敏板温度稳定在设定值,并且减方法。它使得MV以两个指定的值变化,在每个值少温度波动的范围,保证产品质量,并进一步实施上停留的时间为一个随机间隔的随机数倍。这样,卡边控制,以使产量最大化,能耗最小化。PRBS测试就能带给装置最小的扰动,并且多个2)各塔的其他温度参考点在给定的约束范围CV与MV可以同时进行,节约大量的工程时间,内波动,保证各塔的稳定操作。测试示意见图3。3)各塔的液位在给定的约束范围内波动,在针对各个变量的不同特性分别相应的进行了各塔的有限容量空间内协调,保证各塔的液位稳阶跃测试和PRBS测试测试的同时可以利用定,减少对其他参数的影响,确保稳定操作。 CONNOISSEUR软件包提供的统计工具进行相应4)使各塔的压力系统波动保持在给定的约束的交叉相关性的分析,直至得到的数据能够明显石化技术2008年第15卷第1期=[ Pe+ +] (1)1m过式中,J为成本函数值;M为水平设计区间步数;T为预测步数;P、Q、R分别为偏差及控制输出的调整权重;e为CV距离设定值的偏差;△u为MV的运动增量;f为MV距离稳态设定目标的偏差。图3PRBS测试示意通过调整各参数,使成本函数J最小化。同时,也地反映出过程的因果关系,将采得有效的测试数可以改善cV和MV在过程响应中动作的快慢据保存,结束过程测试。在确定好相关参数之后,根据辨识模型系统模型测试的数据必须经过处理之后才能用于将生成控制器。控制器在实际投用之前,经过离线过程模型的辨识。 CONNOISSEUR软件包提供了和在线的仿真,以保证控制器设计的正确性。很方便的工具用于进行测试数据的修改和处理。 CONNOISSEUR够自动在c上生成用户可以进行坏质量数据的删除、多个相关数据的数操作界面操作员可以从DCS上看到控制器的当学运算,以及多段历史数据的连接等等。经过处理前状态,以及DCS与上位机通讯是否正常。当控后的数据被导人过程分析软件包进行模型辨识。制器激活后,MPC以开环方式运行当操作员确认在模型辨识过程中,需要确定一些相关的参数,如控制器及通讯正常后,便可以在DCS界面上将模型的结构(CV、MV、FV)确定,模型的阶数、模型MPC投人闭环,从而使生产过程由常规控制切换的预估周期等等,经过最小二乘法的辨识计算,系到先进控制。统将产生过程的辨识模型。产生的模型在应用到系统之前要去检验模型的有效性。图4是模型计4性能评估算数据与装置实际运行数据的比较。系统投用先进控制之后,在正常生产条件下对该控制系统进行长期的观察,发现系统的相关C-501塔顶温度CV在控制器的调节作用下,逐步进入稳定操作状态(见图5)。C-502塔底温度C404塔液位c404塔顶温度C-502液位C404塔温度C404塔底温度时间图4模型数据与实际数据比较时间1模型计算数据;2实际运行数据图5系统控制变量运行趋势3.7控制器的设计与投运系统的回流量减少,提高了塔的运行效率。产在实际控制器的运行过程中,存在很多的方品采出量增加,提高了产品的产量塔的灵敏板温法能够实现控制目标。控制器的设计其实就是找度逐步稳定波动幅度减小,从而减少了蒸汽的使到能够实现CV控制目标的MV的最佳的运动方用量,降低了装置的能耗。式在 CONNOISSEUR的控制器设计中,考虑到了 CONNOISSEUR软件包提供了运行数据统计实现控制目标所需要的成本。在保障实现CV控分析工具。经过统计分析发现控制目标的波动(以制目标的同时,保证MV运动成本的最小化。因标准方差表示)明显减小C404塔常规控制下的此在系统中引入了成本函数的概念。数据与高级控制下各3天数据统计比较见表1王立忠等乙二醇精制单元先进控制技术应用27表1C-404塔常规控制与高级控制数据统计常规控制高级控制项目当前值平均值标准偏差当前值平均值标准偏差C-404塔顶温度/℃50.4010650.025501.07623253.473651.719111.143831C-404塔底液位,%48.2968749.893732.73965754.8300852053852.185043C-404塔底温度℃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结语动强度,已经越来越多被更多的装置所采用,并成先进控制技术的投用减少了生产的波动,稳为现有装置不进行扩容改造时,提高产品产量,降定了生产操作,使得系统的卡边操作成为可能。提低能耗的主要手段。高了产量降低了能耗,同时减少了操作人员的劳(编辑谷彦丽) 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重要启事《石化技术》编辑部电子信箱自2007年9月1日起更改为:pcit.yssh pcit. yssh@sinopec.com !.com特此申明欢迎踊跃投稿!%《石化技术》编辑部吧