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[讨论] 精馏塔塔釜液位控制串接

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注:红色字体仅供参考 先进控制在氯乙烯精馏中的应用
中控技术公司  马越峰  赖景宇

摘  要:本文介绍了氯乙烯精馏过程中先进控制的应用,包括应用较多的预测函数控制、神经元控制、专家控制等;经实践证明预测函数控制是应用效果较好的一种方法,本文对此作了重点介绍。
关键词:氯乙烯精馏  精馏塔控制  先进控制  预测函数控制

1 工艺流程
粗氯乙烯经压缩机进入全凝器,经过冷却使粗氯乙烯冷凝液化。液体氯乙烯借助位差进入水分离器,再借助密度连续分层,进入低沸塔。全凝器中未冷凝气体进入尾气冷凝器,作为回流液返回低沸塔顶部。低沸塔底部的低沸釜经过热水加热将液相中低沸物蒸出。气相沿塔板向上流动与塔板上液相进行热量和质量的交换,最后经塔顶冷凝器以-10
冷冻盐水将其冷却作为塔顶回流液,不凝气体亦由塔顶经全凝器通入尾气处理。低沸塔底除去低沸物的氯乙烯借助位差经过中间槽进入高沸塔,经过高沸塔的加热,把沸点低的氯乙烯组分蒸馏出来,经成品冷凝器进行冷凝进入单体贮槽中,高沸物由塔底的两位阀排出(见图1)

图1 氯乙烯精馏过程工艺流程
2 控制方案介绍
由低塔和高塔组成的氯乙烯精馏过程具有大滞后、模型阶次高、动态响应慢、非线性严重、控制变量多、控制回路关联性强、在线测量困难、操作波动大等特点;针对这些特点工业上对氯乙烯精馏过程进行了深入研究,发展了多种控制方案,常见的包括常规PID控制、多变量预测控制、神经元控制、专家控制等。
2.1 常规PID控制
氯乙烯精馏控制中,常规PID控制由于方案简单、技术成熟等诸多特点,仍然是目前工业中应用最广泛的控制手段(参考图1),以下作简单介绍。
控制方案包括:低沸塔控制,由尾排压力控制、过料控制、低沸釜加热温度控制和低沸塔回流控制四个回路组成。高沸塔控制,由高沸塔液位控制、高沸塔顶温度控制、成品压力控制三个回路组成。过料控制(LIRCIO1)中将低沸塔温差(TDE101)和低沸釜阀门开度作为前馈加入该控制回路中,用于克服干扰因素,同时也提高了控制精度。高沸塔的液位控制(LIRC201)中将低沸塔过料阀开度、高沸塔回流阀开度、高沸塔液位阀开度、高沸塔釜温度、高沸塔压差和高沸塔提馏段温差作为控制回路的补偿引入高沸塔液位控制回路中。除上述两回路外,其他回路控制均为单回路控制。
上述控制方案经过适当调试,在工况稳定的情况下可以较好地满足控制要求。但当工况出现较大波动(这是很常见的情况)时,常规PID控制的控制效果往往不够理想。另外常规PID控制没有考虑精馏过程的最优化问题以及对于双塔系统中一些耦合关系的解耦问题,表现出了一定的局限性。
2.2 神经元网络控制
人工神经网络(ANN)由于能够充分逼近任意复杂的非线性关系和能够学习与适应严重不确定性系统的动态特性,可以直接学习对象的输入到输出的非线性映射,因而克服了传统的自动控制方法对被控对象数学模型的依赖。神经网络作为一种新的计算处理模型,又由于其大规模并行分布处理能力,因而在多变量大系统的控制方面存在巨大的潜力。 精馏塔工艺过程正是这样一个复杂的非线性过程,因而应用人工神经网络进行控制也是十分合适的。在常用的神经元模型中BP神经网络由于具有较强的拟合非线性函数的能力,所以被比较广泛地采用。BP网络的建立首先要确定网络的输入、输出节点,以及隐含层的数量与每层的节点数。通过分析精馏工艺可以得到影响精馏过程的主要因素,例如进料流量、塔顶温度、塔釜液位等,将这些因素作为输入节点;同时将操作变量(阀位)作为输出节点。关于网络的隐含层数量常用的模型为单隐含层网络。
精馏塔控制中也有将常规PID与神经元网络结合的控制方法,将神经元应用于PID的输出处理,比单纯的PID控制可以更好地响应精馏过程的特点。
2.3 专家控制
专家控制(Expert ControI)是智能控制的一个重要分支。专家控制的实现是自动控制理论和方法与人工智能专家系统技术结合的过程。专家控制的特点是不需要建立精馏过程比较准确的数学模型,这对于复杂的精馏过程比较适合。 氯乙烯精馏过程的专家控制是根据物料平衡、能量平衡、汽液平衡三大平衡的内在规律,综合性地考虑多方面的制约与协调,并结合专家和操作人员的经验建立实时专家监督控制系统。对于氯乙烯精馏操作来说,它存在许多约束条件,如:a.精馏塔不能出现液泛和滴流;b.要有足够的塔压降以保证塔的有效操作;c.塔顶和塔釜温度、压力必须控制在一定范围内;d.再沸器进出口水温差必须大于临界值以保证换热;e.水分离器和中间槽的物料不能满罐或排空等。
专家控制的实施过程是:在过程工况比较稳定、负荷变化不大的情况下,系统读入工艺参数,进行各种控制策略的运算,输出信号到各控制回路。当系统出现异常工况时,系统引入专家系统监督控制的方法,将专家或操作人员的操作经验加以总结归纳,并进行理论分析研究,在知识库中采用产生式表示方法设置若干模糊规则,用以处理一般控制方法难以处理的精馏对象的控制问题。
氯乙烯精馏过程中引入实时专家监督控制,在上海某化工厂氯乙烯精馏工段得以较好应用,有效地抑制了多种干扰和不确定因素的影响,有关被控变量能够经受干扰的袭击,具有良好的静态和动态品质。
2.4 预测函数控制
预测函数控制(PFC)最早由RichaletKuntze等人在80年代中后期提出、并在工业机器人快速高精度跟踪控制中取得了较好效果的第三代模型预测控制算法。PFC把控制输入的结构视为关键问题,可以克服其他模型预测控制可能出现规律不明的控制输入问题。同时由于其具有较好的跟踪能力及较强的鲁棒性,所以PFC在工业过程中得到了广泛应用。由于PFC仍属于模型预测控制的范畴,因此它仍具有模型预测控制的三大原理,即内部模型(预测输出)、滚动优化和反馈校正。
⑴内部模型(预测输出)
PFC认为其预测模型输出ym(k)由两部分组成,一部分为模型自由响应yl(k),它仅仅依赖过去时刻的控制量及输出量,与当前时刻及将来时刻的控制量无关;另一部分为模型的受迫响应yf(k),它是当前时刻起加入控制作用后新增加的模型响应。与传统的模型预测控制算法不同,PFC将输入结构化,即把每一时刻的控制输入看作是若干事先选定的基函数ubn的线性组合,如式(1)所示;模型受迫响应yf(k)是上述基函数作用于对象的响应的加权组合,如式(2)所示;则模型的预测输出ym(k)如式(3)所示:

⑵滚动优化
PFC的优化算法中,未来控制作用是通过迭代、最优化、约束限制等一系列步骤来实现的。最常用的方法是在优化点上参考轨迹和预测过程输出的误差平方和最小化,其在线优化性能指标如式(4)所示,其中[H1H2]是优化区间。
式中 为过程的预测输出,ym(k+i)k+i时刻的模型输出,e(k+i)是未来误差,由反馈校正模块得到,yr(k+i)k+i时刻的参考轨迹。
⑶反馈校正
PFC是一种闭环控制算法,在实际情况下由于二次输入、噪声及实际系统存在的非线性、时变性等因素造成的模型失配等影响,从而会引起预测模型的预测输出与对象实际输出之间的一定偏差,叫预测误差。将预测误差通过一个预估器,对未来优化时域中的误差进行预测,并作为前馈量引入参考轨迹加以补偿。在PFC中,可根据设定值和对象的性质、干扰的持续时间以及提供的计算时间等因素采用各种不同的预测方法。例如可以取未来的误差为:
e(k+i)=yp(k)ym(k)

(6)
其中ym(k)为当前时刻的模型输出,yp(k)是当前时刻的系统输出。
PFC的各个部分之间的关系可以用图2来描述。由于基函数及其响应均可事先离线计算,在线计算只在于少量线性加权系数的参数优化,因此PFC的在线计算量比一般的模型预测控制算法显著减少。同时PFC的控制变量结构规律明确,比模型算法控制有很大改进,这是PFC的又一个优点。 PFC算法中,其调节手段有基函数、参考轨迹和优化时域。其中控制精度取决于基函数的选择;动态响应主要受参考轨迹影响,同时受优化时域的影响;系统稳定性和鲁棒性主要由优化时域起作用,但也受参考轨迹的影响。其具体的闭环控制性能与可调节参数之间的关系如表1所示。因此在控制系统设计时,可以按照闭环控制性能要求很快整定得到PFC控制器的有关参数。这是PFC的另一个优点。
表1 闭环系统的性能与调节手段之间的关系


控制精度

动态特性

鲁棒性


2

0

0

参考轨迹

0

2

1

优化时域

0

1

2

1中的数字012表示调节手段对控制性能的影响程度,数字越大表示影响程度越大,0表示没有影响。
PFC在氯乙烯中的应用
VCM精馏控制方案中应用PFC为监督层,常规PID控制为控制层的透明控制结构的先进控制系统。由于控制层采用频率较高的常规PID控制,可以抑制系统的二次干扰,而PFC具有较强的鲁棒性、抗干扰能力和快速跟踪能力等,可以保证控制系统的快速性和稳定性。
PFC模型举例
其模型采用如图3的结构。以低塔塔顶温度、低塔塔顶压力、低塔塔釜温度、低塔塔釜液位、高塔塔顶温度、高塔塔顶压力、高塔塔釜液位为精馏系统的被控变量;以尾气排空、低塔再沸器加热量、低沸塔塔顶冷剂量、低塔到高塔的中间过料量、高塔再沸器加热量、高塔冷剂量、成品冷凝量为精馏系统的操作变量。
图3 控制结构图
PFC为监督层,常规PID控制系统为控制层。图3所示的是一个分为上下两层的控制结构,下面一层是常规的PID控制,上面一层是以下一层PID闭环回路为控制对象的监督控制,其控制输出用来修正PID闭环回路的设定值,透明控制结构结合了PFC及常规PID控制的优点,其控制效果明显优于常规PID控制。此模型在青岛某化工厂和江苏南通某氯碱厂等国内多家PVC厂家的氯乙烯精馏装置上得到了应用,并获得良好控制效果,特别是温度控制的精度和稳定性得到大幅提高。另外,此模型也适用于其他精馏过程的控制。
 
3 小结
对于氯乙烯精馏过程的优化控制必然是应用先进控制来实现的,目前在此系统中采用的多种先进控制方法都有各自合理与适用的方面。就目前的应用情况来看,预测函数控制是对精馏过程更为合适的一种先进控制方案,取得了很好的控制效果,应用前景看好。  
参考文献:
[1]王树青.先进控制技术及应用[M],北京:化学工业出版社.2001.
[2]周有平.DCS控制系统在氯乙烯精馏中的应用,聚氯乙烯.Jan.2004.
[3]胡泽新等.基于神经网络的解耦控制新方法及其应用,控制与决策.Nov.1993.
[4]魏奇业等.基于神经网络的精馏塔动态模拟,吉林化工学院学报.Mar.2004.
[5]吴迎春等.精馏过程的神经网络控制系统的设计,电子学报.Apr.1996.
[6]胡泽新等.精馏过程的专家控制,信息与控制.Apr.1993.
[7]王朝辉等.氯乙烯精馏过程的先进控制系统,化工自动化及仪表.2O00,27(6):22-25.
[8]胡建华等.神经网络和PID控制器在过程控制中的应用,上海大学学报.Aug.1997.

 

发表于 2007-9-27 23:57:48

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Peterpaul彼得保罗
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zhu19850613VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP山东省
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可以通过蒸汽加热量来调节液位啊.
但是用蒸汽来调节,还会引起顶釜压差增大,塔压增大等后果.
所以,还要结合调节进料量等手段综合使用.
我们公司流程和你给的草图是一样的。只不过塔釜出料是在再沸器上,不是直接从塔釜上出料.控制的就很好.

 

发表于 2007-9-28 08:15:20

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lls2004VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP北京市
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一般都是用塔釜温度控制加热蒸汽量,这样设计可能是塔釜产品质量要求不高。

 

发表于 2007-9-28 08:16:19

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weiqjVIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP河南省
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原帖由 bpf3860743 于 2007-9-27 23:17 发表
我厂最近上的一套系统好多精馏塔液位控制采用如下形式

用再沸器加热蒸汽来控制塔釜液位,请问高手这样可行吗,操作控制方便吗
我个人见解是反应太慢,不好控制

精馏系统的任何两个参数都可以进行关联控制,但是你必须搞清楚这两个参数关联的原因和结果以及对系统产生的扰动。这些关联最终要由工艺来决定,就是说每个工艺系统因为周边的条件限制都有其特殊性,不能简单的从一个控制回路反过来推测是否正确。例如你认为控制回路反应时间长,你可以让控制回路敏感一些。

 

发表于 2007-9-28 12:17:49

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YWY5588VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP江苏省
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只有顶部出料的精馏塔采用蒸汽控制液位才可行,且较稳定!!!

 

发表于 2007-9-28 13:00:00

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我想要看是精馏什么物料或是要的是塔底产品,还是塔顶产品。
精馏操作连续过程是一个平衡过程,如是连续的,那液位要看其温度、含量来控制,不能一味用再沸器来控制,
多多沟通

 

发表于 2007-9-28 17:14:55

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这个年代VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP黑龙江省
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从你提供的控制示意图上看,是以流量为主控制(因是FIC而非LIC,调节阀是FV而非LV)塔釜液位,是比较典型的串级回路,整个控制起主要作用的是蒸汽量。这种控制很稳定(关键要蒸汽稳定,物料组成变化不大)。

 

发表于 2007-9-28 17:44:20

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lisyVIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP浙江省
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以上提供的图例没有问题,是很常见的精馏塔液位控制方案.需要说明的是其本身并不会引起系统调节的滞后.因为生产中,都是以对整个系统状况参数的把握为前提来控制的.也就是说,这是一种调节思路,可以起到控制液位的目的.如果仅凭这种控制来实现系统的平衡,那是不可行的,因为系统的物料平衡是多种因素共同作用的结果:如热源或冷源压力、进料流量、采出流量、回流量、塔顶放空量、进出物料温度等等。其中每一环都能打破平衡。液位的控制,你可以采用控制蒸汽量的办法,也可以结合控制蒸汽压力的来共同调节。个人亲身感受是后一种对部分特殊精馏很好用!

 

发表于 2007-9-28 17:56:02

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新鲜人儿VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP天津市
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对反应快慢的理解要结合结果来看,绝大部分情况都要求精馏塔稳定操作,进出料的变化速度不能大,一味强调调节器的动作要眼见即得,很容易因滞后因素超调引起被调参数振荡,不利于精馏塔操作的稳定。

 

发表于 2007-9-28 21:43:19

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bpf3860743楼主 VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP山东省
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观月藏书楼VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP新疆维吾尔自治区
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个人经验,精馏塔的控制宜稳定蒸汽及进料量,以采出量控制液位比较合适。(压力一般是要求稳定值的)

这样的方案有如下优点:

1、进料量及蒸汽量稳定,有利于迅速建立能量及物质交换平衡,且这两个参数相对固定,有利于观察精馏塔的整体情况。
2、利于操作员进行调节。通过进料量及采出量的对比,操作人员可以很方便的判断出应该采取什么手段进行控制。如:液位上升,而采出量偏小,可以将采出量增加,在液位接近要求值时恢复到与进料量持平量。

缺点:调节后精馏塔的反应会相对滞后,要求操作人员作提前量的调节。

只要针对精馏塔的滞后特点稍作讲解,操作人员可以很容易掌握平稳控制的诀窍。


如果采用再沸器的蒸汽流量作为液位的调节手段,那么精馏塔的压力、温度都会频繁改变,很难建立平稳的物质及能量交换,对于产品质量很难保证。

[ 本帖最后由 观月藏书楼 于 2007-9-29 01:44 编辑 ]

 

发表于 2007-9-29 01:39:56

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a2963008000VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP福建省
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我感觉不合适啊,最合适的方法应该是液位与底部废水出料量以及进料量形成联锁才对,蒸汽量应该控制塔顶和塔釜温度才对。

 

发表于 2011-12-17 11:26:02

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a2963008000VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP福建省
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其实,山东省的出台了一个关于精馏系统的自控文件,可以参考一下。《蒸馏系统安全控制指导意见》
序号工艺参数及监控要求
一、蒸馏塔
1塔釜温度集中显示高限报警,塔釜温度高高联锁切断加热物料
2塔釜现场液位,按需设置自控液位计,通过液位调节器调节塔釜液位和釜液泵流量
3塔顶温度集中显示、高限报警,塔顶温度或灵敏点温度与回流量自动控制
4塔中部适当位置温度集中显示、高限报警
5塔中部适当位置压力集中显示、高限报警
6塔顶、釜压差,集中显示、高限报警
7进料流量集中显示,自动控制
8进料温度集中显示
9泵压力、流量显示和自动控制。设现场、操作台停泵、自动停泵系统
10进料换热器温度显示和自动控制
二、再沸器(蒸馏釜)
1加热蒸汽管道压力集中显示
2升气管温度集中显示
3液体加热时回液管切断阀上游设置安全阀
4液体加热时热液体循环管道上设置温度集中显示
5釜式再沸器上直接安装现场液位计和自控液位计,并依据液位调节釜液泵流量
6釜式再沸器釜液循环管道及出液管道上设置温度显示
7蒸馏残液有爆炸危险性的设置双温度显示
三、冷凝器
1升气管设温度集中显示
2凝液管设温度集中显示
3调节冷却水量的冷凝器,冷却水管设置控制阀,用物料出口温度控制冷却水流量
4冷却水压力低报警,冷却水压力低低联锁停加热介质
5冷却回水管设置压力、温度显示
6冷却水出口管的切断阀上游设置安全阀
四、回流罐
1现场液位计
2自控液位计集中、显示、控制,用回流罐罐液位控制回流或馏出量
3回流管道设置回流液流量显示、控制阀
4馏出管道设置馏出物流量显示、控制阀
5回流管设置液封
6有气体馏出管道上设置流量集中显示、控制阀
7有气体馏出管道上设置压力集中显示
说明:由于蒸馏过程形式多样,物料性质千差万别,不可能包括所有情况,也不是所有的蒸馏过程都需要以上的控制措施,需要针对具体蒸馏装置确定具体的安全控制措施。

 

发表于 2011-12-17 11:41:01

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