甲醇合成过程控制的算法设计

第25卷第8期计算机仿真2008年8月文章编号:1006-9348(2008)08-0086-04甲醇合成过程控制的算法设计沈艳河,陈铁军,李新瑞,姜海波(郑州大学电气工程学院河南郑州450001)摘要:分析了甲醇合成机理得出以煤气联产甲醇具有系统滞后大动态特性复杂且存在大千扰的特点为了增加甲醇产量和降低能耗,并提高系统的控制能力增强系统的灵活性和可靠性。引人链系统控制方法以甲醇合成回路经济效益最大单位甲醇能耗最低为控制目标找到影响甲醇单耗和产量的主要因素建立有产量和能耗两条主要因果链组成的互相关联的链系统模型。设计了甲醇合成过程的链预估算法和链控制系统。仿真显示为甲醇合成系统建立的链系统模型稳定性和抗干扰能力强,容错性好控制精确。有很好的应用前景和市场潜力。关键词:甲醇合成;链系统;预估中图分类号:TP391文献标识码:AAlgorithm Design of Process Control in Methanol SynthesisSHEN Yan-he, CHEN Tie-jun, LI Xin-rui, JIANG Hai -boSchool of Electric Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou Henan 450001, China)ABSTRACT: The mechanism of methanol synthesis is analyzed. It can be found that the system of methanol gas co-generation has large delay, complex dynamic characteristics and large disturbance. In order to increase methanol out-put and reduce energy consumption and improve the ability to control and enhance the flexibility and reliability, achain control algorithm is introduced. The algorithm takes the most economic benefit of synthesis circuit and the mini-num energy consumption of unit methanol as the control target, and finds out two major factors that affect the energyconsumption and output, and builds a chain system model consisting of two related chains. The paper dprediction arithmetic and the chain control system for the methanol synthesis process. The simulation demonstratesthat the chain system model has strong stability, and anti-interference, fault-tolerant ability. It has a very goodapplication prospect and the market potentialKEYWORDS: Methanol synthesis; Chain system; Prediction的合理应用。由于甲醇合成反应的大滞后,系统动态特性复1引言杂,具有大干扰等问题,使得前述控制方法所建立的模型和甲醇合成过程的控制受到多方面的关注出现多种控制控制方案在实际应用中仍未达到满意效果。方案。基于专家经验的甲醇合成塔控制方案,采用离散控制本文从产量和甲醇单耗两方面综合考虑,以经济和社会系统中的PD控制模块实现常规控制采用专家经验及相关综合效益最高为控制目标。采用链系统控制方法,分析甲醇的算法实现先进的控制,使得催化剂的使用寿命有所延合成机理找出影响甲醇产量和能耗的主要因果关系链,建长,经济效益有所提高。基于非线性神经网络的甲醇合成塔立一种链系统结构模型该模型对大滞后的甲醇合成系统有控制方案采用非线性神经网络结构模型,并用数学方法直很强的稳定性抗干扰能力和容错性。模型中甲醇合成系统接去求解,使得模型具有很强的表达能力又避免了冗长的训是由互相关联的两条因果链组成第一条链是温度链第二练过程。现在已经有人设计并实现了基于遗传算法和神条是气流量链。对链系统结构建立动态数学模型并经过预经网络的在线优化软件包,但该软件应用的成功与否仍然估和中国煤化工价是依赖于建立的甲醇合成过程模型的正确建立和优化算法CNMHG基金项目:河南省杰出人才创新基金(5210010)实际系统的运动特性往往很复杂,一般都存在非线性收稿日期:2007-06-25修回日期:2007-07-18各种因素受到约束,它们之间存在互异的滞后等,为了获得86好的控制效果对象模型中应当考虑到这些特性。我们要设(+1)=F(x(a)x1(t-4:)(1)计的控制系统常常可能不仅仅是一个小而简单的装置由于式中种种原因,希望整个系统的控制功能逐个地投入实际,也就41为滞后步数,;v∈Z是说控制系统能根据需要在线扩大,控制系统在运行过程变量串中出现故障进行部分维修都在所难免,自然希望其余部分X()=|z(t--)|Am∈Nl仍在正常运行。这些要求又使问题更加复杂化了。而人们下标集通过在复杂问题中区分主次关系,寻找出主要矛盾的分析方N=hmn|0≤<∞im=0,1,…,k法使问题的过程简化。陈铁军认为,受控系统中也应当存在1,2,…,plll种主次关系,而不是一个笼统的整体。链系统方法正是基链系统方法为受控对象建立一种结构分散化模型,它既于这样的原则而被提出的,它是对复杂系统进行结构分散化含有整体系统的因果结构,又包含单元间的相互关联。此具的研究,即测量信息和结构信息均分散的控制思想,但又不有网状结构的模型,按照一定意义下的主要因果关系,被抽同于一般的分散控制,因为链系统方法充分考虑了各子系象出一种链状结构我们称之为链系统统之间以及子系统和整体之间的信息关联和传递。这种模型比一般多输人多输出系统含有更多的信息量,链系统是有一些多输入单输出子系统构成,它们按照链可以用来设计具有高可靠性和强鲁棒性要求的控制系统结构串联成一条条的链,而子系统之间链之间一般存在任链系统中的每个单元是一种多输入单输出系统,通过关联与意的关联,子系统的模型一般是非线性的,并且考虑到实际其他相关单元相关联。通过自身动态变化和单元间相互影系统中对各变量的约束和存在各环节的任意互异的时滞,设响过成,共同描述对象的整体运动特性。针对每个单元设计计工作都在子系统级进行。在一定条件下,子控制器不必掌单元预测系统和控制系统,它通过接受本单元相关信息和直握整个系统的全部模型和所测量信息就能得到使整体系统接关联的单元的测量和预测信息,预测该单元的运动趋势,具有满意运动品质的控制效果。并分析判断作出该单元的控制决策。各单元预测系统按照多输人多输出系统可用图1表示。研究对象的关联模式相互关联,并经由关联传递单元预测信息,共同完成对整体系统未来一定时间动态特性的预测,而各单元控制系统也经由关联传递控制信息,从而完成对整体系统的控制。单元预测系统的设计和计算是独立的和并行∑的单元系统可以是不同性质和不同模式的,能够适用于大型复杂系统地分析预测图1多输入多输出系统3合成甲醇的工艺流程简介生产装置中以煤为原料,用煤气联产甲醇技术。得到的◆其中为,是受控输出,,,:2“是中间测煤气经耐硫加压变换和低温甲醇洗净化后得到新鲜气。甲出,1,…是控制输入,pl,P和q均为固定的有限醇合成系统中新鲜气通常含有CO,CO2,H2,CmOH,H20,正整数。N2,CH4等组分,其中CO,CO2为关键组分。甲醇合成塔内再把多输入多输出系统按照复杂系统的主要因果关系,的主要反应有以下三个得到从控制输入经若干测量输出,最后达到受控输出的链状反应1CO+H2CH3OH-Q1因果结构,如图2所示的一条链结构。反应2CO2+H2CHOH-Q2反应3cO2+H2*CO+H2-Q3其中Q3=Q1-Q2i0反应1,反应2两个平行反应为独立反应。甲醇合成简化流程图如图3所示,从净化工段来的脱硫后的甲醇合成气图2链因果结构图经联合压缩机的合成气压缩短压缩后,与甲醇分离器来得循环气混合后,进入循环气压缩阶段,升压至合成反应压力,送其中,为控制输入;n、-…z-1为中间测量输出;z至入塔气预热器预热之反应温度后,有顶部进入甲醇合成为受控输出;a,na,…,为次要因素或链系统中的其它链塔中国煤化工剂的作用下,部分C0中的因素对该链对应子系统得扰动。Σ=1,…,k称为因co2的气体和粗甲醇的出口果链中的单元。对子系统模型具体化,则为此所研究的受控气被CNMH,卩醇露点温度以下依次系统的运动特性能用离散测量变量构成的动态方程描述则经过脱盐水预热器、循环水冷却器后,在分离器中进行气液以z为输出的子系统Σ的离散时间动态模型一般取形为分离液体进入闪蒸槽,经闪蒸出溶解在甲醇中的大部分气体然后送到甲醇精馏工段B1=860.21KJ/Kmol循环气A2=9.147×10K/Kmol弛放气4甲醇合成系统的因果分析及建模甲醇合成反应是强放热反应,必须用冷却介质带走热为了简化分析并尽可能的接近实际在一定进料新鲜气量,以确保触媒温度不致过高。根据化学反应原理,随着反流量和组成条件下以产量和单位甲醇的能耗为控制目标进应温度的升高,反应速率会加快,但化学平衡常数会下降行分析。因此,在甲醇合成反应中存在最佳反应温度区。工厂实际也是随着反应塔床层敏点温度的升高甲醇的产量明显增加而到温度增加到一定程度甲醇的产量反而降低。反应塔床层敏点温度主要受沸腾水温度的影响,调节沸腾水压力改变沸腾水饱和温度来控制床层温度是最有效的措施。甲醇合成反应的均相数学模型为:axon)dy:-Codp[co(1-2yco )-fco x 2y]/(121-新鲜气2-入塔气3-出塔气绝热段4-粗甲醇5-弛放气d图3甲醇合成的简化流程图d[(-△Hnc)re管壳段我们知道”,在一定的新鲜气的供应下,甲醇合成回路d的消耗主要来自于压缩循环气所消耗的动力与弛放气离开[(-△Hco)ra+(-△Hmo2)fra2反应系统所带走的损耗其它消耗要么基本不变要么可以Km(-)忽略不计。在甲醇生产过程中将反应气体排离反应系统所NC(11)带来的损耗也是不容忽视的,它直接关系到甲醇合成回路的式中L=0时,=,yo=yc,,ym2=yo2新鲜气的损耗。通过对甲醇合成机理的分析,由于甲醇循环边界条件D=N(1-2y如-2yam2m)/(1-2ya-车封和入就气流歌支23m用身来解述分方程组,可圆放的损失远超过由于增加循环气流量而引起的能量消耗;同再根据甲醇合成机理,分析主要因果关系找到两条因果样道理,单纯增加循环气流量使一定负荷(循环气流量)下链第一条链是温度链M,第二条链是气流量链,在此基甲醇单程转化的总量最高,从而可减少弛放气的排放量但础上做以下假设:压缩机功耗的显著增加也会造成合成回路效益的降低,因此假设沸腾水压力调节阀为:,沸腾水温度为z1,反应塔在一定情况下存在一个最优的循环气流量的取值。通过物系统热点温度2,把入塔气氢碳比、弛放气流量、入塔气流料衡算得催化床中瞬时摩尔流量N与N反应器进口摩尔流量、入塔气温度等对x12影响的综合效应看作扰动v,且k1=量之间的关系为2,反应塔温度链(即温度链)Ll为N=N.(1-2y.)/(1-2y-2y-)Ll=|<,h1>,<,>|,k1=2其中催化床中各组分摩尔分率分别为假设弛放阀开度为z如,弛放气流量为z,循环气流量为z2,ym=(y2-2y-3y-)xB+2ym+3yam2(3)忽略弛放阀门动作的过渡过程压差对动21的影响作为扰动y.=(a, in+yoo, i+yco, i )B(4)tx,把冷凝器温度、分离器液位、分离器压力等对z2影响的(5)综合效应看作扰动m2,且k2=2,循环气流量链(即气流量ymo=(ymo. +yco,,)xB-yoor(6)链)为(7)>},k=2式中甲醇合中国煤化工B=(1-2yc-2ym2)/(1-2ym-2ya2=)CNMH动态模型-取形为根据实际生产情况和有关研究结果,我们取能耗的经2(+1)=F(X4()x1(t-4-1)济指标为:其中X是和输出有关的变量串集合它有两部分组成:一部88其中P1P2为设计参数有(8),(9)再结合(5),(6)可得到温度链如下控制算法x()=[(1-P2)x(+D1)+(P2-b1)(t-D1-11t)]/b2(t+D1)=[(1-p1)22(t+D2)+(P1-a1)+Du2-11)-a3z(t+D2--1)-"]/a2(2)其中a1,a2,a3,b,b2为辨识参数,P1,P2为设计参数,x分别为1,的期望值,1,12分别为1,x12的预估值气流量链的控制方法也可以通过上面的方法得到。圈4甲醇合成系统的豔系统横型框图6系统仿真及结果分是对∑有直接作用的控制输入,另一部分是对∑有关联在研究和试验过程中作了如下一些约束另外制定了试作用的其他单元的测量输出;z;-∈2,是对单元Σ输验目标。出,有直接影响作用的输入;4-1是列-:相对于2的滞后步约束条件:新鲜气流量和组成一定数。F,是待辨识的参数集合是扰动。因此可以得出各单控制目标:系统热点温度253±4℃,循环气流量为(30±2)×10Nm3/h。z2(t+1)=a1an(1)+吗21(-d2)+ah2(-4)+仿真方法我们跟据工厂实际状况,每隔6分钟采集(12)次系统数据共采集60组数据根据现场采集数据采用最小1(t+1)=b11()+b20(t-4)(13)二乘法对系统模型进行参数辨识然后经过预估突出控制方z2(4+1)=;(x)+en(4-2)+n(t-)+n1法并用推出的控制方法进行控制。下转第130页)z2(t+1)=d1z1(1)+d2-(t-d)+v其中,b2,c1,c2,c3,d1,d2由最小二乘法辨识得到5模型预估和控制甲醇合成系统存在大滞后性,而克服时滞,提高控制品质的有效方法是预估。在单采样周期链系统中,因变量x相对于果变量z的滞后步数为d-1+1,而z相对于z的滞后为D,=∑(4m+1),则温度链预估模型为:in(t+Dul t)=biu(t+ Du-111)+b241o(n)(16)in(t+D, t)=a, i(4+ Du -1I1)+ai1(++DoR1)+吗h(+Dn唱-1)+购(-X)2(n)类似可写出气流量链预估模型。做如下假设Pi12(t+Da)=H12(t+D12),其中z(t)是z2(t)的期望值。i1(+Da1t)=pi(t+Da-1|)+(1-p1)(t+D2)(19)中国煤化工用同样方法也可以得到iHCNMHGi1(t+D1l1)=P2in1(t+D1-11t)+(1、-P2)(t89况,从以上的分析可以看出,该系统可以较大的增加输出信[4]冯嫚谢显中杨柳罗新波.MDMO的联合发送技术在TD噪比,即增加了系统容量,最终改善系统误码率性能。仿真SCDMA中的研究[M].微计算机信息22(11-3)表明该系统切实可行而且该系统能够明显改善现有TD-[5] J F Frigon, A M Eltawil, E Graver, A Tarighat,HZou. DesignSCDMA系统的性能。然而我们也必须注意到,在 Alamouti解码前的信道重建是以能够较为准确的估计出系统信道特bile Terminal[ J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems征为前提的,因此是否可以准确的估计出信道特征是制约该I: Fundamental Theory and Applications( Accepted for future系统性能的关键之一,再者,由于双天线使用了不同的扩频[6]谢显中等.基于TDD的第四代移动通信技术[M],北京:电码使得与原系统相比较,该系统使用的扩频码数目将是原子工业出版杜,2006来的两倍,如果扩频码的数目可不子考虑那么使用该系统[7]黄华生,蒋浑、联合检测技术在第三代移动通信中的应用(就是一种不错的选择。无线通信技术,2002,1:13-20参考文献[作者简介[1 Mohinder Jankiraman. Space - time codes and MIMO systems章坚武(19617-),男(汉族),淅江杭州人博[].Boston London: Artech House, Inc. 2004士教授,主要从事通信领域特別是移动通信与个[2] Ruly Lai-U Choi, etc. On Strategies of Multiuser MIMO Transmit人通信领域的教学和研究工作,具有较强的科研工Signal Proceasing[J]. IEEE Trans. on Wireless Communica作能力和创新能力n,2004,3(6):1936-1941孙雯(1982.10-),女(汉族),浙江余姚人,硕[3] Robert W Heath Jr, Arogyaswami Paulraj, Characterization of MI士生,主要从事智能天线MMO算法研究Mo Channels for Spatial Multiplexing Systems[C]. Proc. IEEEInternational Conference ICC, 2001, 591-595上接第89页[2]陈铁军,邱祖廉.链控制器及其应用[J].自动化学报,1994,在试验过程中在20-22时刻对沸腾水压力阀开度,和弛放气阀开度加一扰动。下面是运用采集到的数据maab下温[3]潘再生,杨颖.基于专家经验的甲醇合成塔控制[J]化工自度链和气流量链得到仿真的结果。动化及仪表,1995,(4):11-15假定沸腾水压力阀开度调整范围在0-10,弛方阀开度4】程忠,诸爱土, RBF- LVLS方法用于甲醉合成反应器的软测量调整范围在0~10,中间叮以连续变化。建模[J].浙江科技学院学报2006,(2):94仿真结果显示采用链系统控制方法可以把反应塔热点[5]陈霁威,乐慧丰基于神经网络和遗传算法的在线优化软件设计与实现[].华东理工大学学报,2002,(4):419-42温度和循环气流量控制在要求的范围内,并且系统在有干扰[6]赵蔡斌,刘金辉.铜基催化剂上甲醇合成反应机理的研究进的情况下能够在一定程度上抑制干扰并很快恢复稳定,系统展[刀].煤化工,2005,(3):39-41反应迅速。在达到的控制条件下,甲醇合成产量能达到2(7]孟庆军甲醇合成过程的建模分析与优化条件选择[门天h,甲醇单耗为26×10KJ/Kmol然气化工,2004,(5):32并且如果系统局部出现故障由于系统是分别独立设计[8]张春芳影响甲醇合成产率的因素分析研究[重庆职业技的,还容易对故障处理,保证总体性能。术学院学报,2006,(2):127-128[9]石玉千,等,大型甲醇合成反应器工况的数值分析[门]高校7结论化学工程学报,2006,(3):489-493.针对我国甲醇生产能力不足,单位甲醇能耗高的现状,尝试对甲醇合成系统采用链系统方法建立的链系统模型,是[作者简介]对甲醇合成控制方法研究的一种新的探索。因为链系统方沈艳河(1981-)男(汉族)河南周口人硕士研法是一种本质上结构分散化的方法,使建立的甲醇合成系统究生研究领域为复杂检测技术。的模型系统更加具有适应性和稳定可靠性使其有很好的应陈铁军(1954-),男(汉族),河南南阳人,博士郑用前景。以经济效益和社会效益综合考虑的控制目标也是州大学电气工程学院院长,教授博导,研究领域为很有意义的。复杂工业过程控制技术及控制系统。李亲新瑞中国煤化工土研究生研究方向为复杂控参考文献:CNMH萋海波欢〃鬥阳二:』八,硕士生研究方向为复1]陈铁军链系统方法及其运用[M].郑州:河南科学技术出版杂检测技术。社,1993