精餾塔回流罐液位控制的研究

精餾塔回流罐液位控制的研究

1回流罐系統(tǒng)的控制精鹽處理是原油和石化生產(chǎn)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。精鹽塔的控制直接影響到工廠的產(chǎn)量、產(chǎn)量和功率。而作為精餾塔系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分,回流罐的運(yùn)行狀況直接影響著塔頂物料平衡,進(jìn)而影響整個(gè)精餾塔的運(yùn)行狀況。因此,若回流罐系統(tǒng)的控制存在問題,則將會(huì)對(duì)整塔的運(yùn)行造成不利的影響。本文針對(duì)某廠丁烯-1精餾裝置回流罐在實(shí)際運(yùn)行中暴露出的問題,提出了一套全新的回流罐控制器結(jié)構(gòu),在DCS上組態(tài)實(shí)現(xiàn),收到了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。2回流罐液位調(diào)整某廠丁烯-1精餾裝置中的精餾塔回流罐結(jié)構(gòu)如圖1所示。若按照原有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,精餾塔回流罐液位是由PID控制器通過調(diào)節(jié)采出量閥門來進(jìn)行控制。但是我們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),按照系統(tǒng)原有設(shè)計(jì)無法使回流罐液位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,只能進(jìn)行手動(dòng)控制。取回流罐液位在改變控制方案前24h的運(yùn)行數(shù)據(jù)做出曲線,如圖2所示。可見在手動(dòng)控制下回流罐液位有較大的波動(dòng)。通過前期的調(diào)研以及與技術(shù)人員的討論,我們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致回流罐液位不能按照原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行控制的最主要原因是采出量相對(duì)回流罐的進(jìn)料量和回流量過小。在正常生產(chǎn)條件下,該精餾塔回流比為44左右,即回流罐進(jìn)料量是采出量的45倍,回流量是采出量的44倍。如果回流罐進(jìn)料量隨著塔頂壓力的變化產(chǎn)生了5%的波動(dòng),為保持回流罐液位的穩(wěn)定,采出量勢(shì)必也會(huì)變化,其變化幅度會(huì)達(dá)到225%,這意味著采出量會(huì)有很大的波動(dòng),且回流比也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng),無法保持在合適的水平上。而按照工藝的要求,在進(jìn)料量以及進(jìn)料組分一定的情況下,采出量與回流比都應(yīng)盡可能保持穩(wěn)定,以保證產(chǎn)品質(zhì)量。這就直接導(dǎo)致了在考慮產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,用采出量作為控制手段對(duì)回流罐液位的控制能力有限,無法實(shí)現(xiàn)對(duì)回流罐液位的有效控制。3回流比實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整為實(shí)現(xiàn)回流罐液位的穩(wěn)定控制以及便于塔頂回流比的調(diào)節(jié),我們提出如下的回流罐液位控制方案,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該方案將回流罐液位的主要調(diào)節(jié)手段改為回流量,由PID控制器根據(jù)回流罐液位變化調(diào)節(jié)回流量的設(shè)定值,實(shí)現(xiàn)對(duì)回流罐液位的控制。此外為克服由于回流罐進(jìn)料量隨著塔頂壓力變化波動(dòng)而造成的擾動(dòng),在回流閥開度中加入回流罐進(jìn)料閥門開度的前饋。同時(shí)我們提出了根據(jù)回流量的變化調(diào)節(jié)采出量的設(shè)定值的方案,使采出量隨回流量成比例變化,在有外界擾動(dòng)的情況下仍能保持回流比基本不變,確保裝置整體運(yùn)行的平穩(wěn)性,也便于后期進(jìn)行裝置節(jié)能優(yōu)化工作時(shí)回流比的調(diào)節(jié),而這一點(diǎn)是其它控制方案無法實(shí)現(xiàn)的。按照此控制方案,回流比可實(shí)時(shí)進(jìn)行更改。在目前階段回流比是由現(xiàn)場(chǎng)操作人員根據(jù)裝置當(dāng)前運(yùn)行情況給出,當(dāng)丁烯裝置在線優(yōu)化項(xiàng)目完成之后,可由優(yōu)化程序根據(jù)在線色譜儀的檢測(cè)計(jì)算出優(yōu)化的回流比,在保證塔頂產(chǎn)品質(zhì)量符合工藝要求的前提下降低裝置蒸汽單耗,實(shí)現(xiàn)裝置優(yōu)化節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。由于回流量與采出量共同對(duì)回流罐液位的調(diào)節(jié)能力與單純依靠采出量的調(diào)節(jié)能力相比有明顯增大,在運(yùn)行中可以保證回流罐液位的穩(wěn)定,并且采出量的波動(dòng)與原控制方案比也會(huì)小的多。為進(jìn)一步確保塔頂產(chǎn)品質(zhì)量,在回流量與采出量的比例關(guān)系間加入低通濾波器,以減少由于回流量的高頻擾動(dòng)給采出量帶來的不必要的波動(dòng)。同時(shí)在控制系統(tǒng)中加入監(jiān)督級(jí),對(duì)塔頂采出量進(jìn)行限幅。由監(jiān)督級(jí)比較通過回流量和回流比計(jì)算出的采出量設(shè)定值與事先給定采出量上限的大小,使塔頂采出始終不大于由系統(tǒng)負(fù)荷及進(jìn)料成分所確定的最大采出量,防止由于采出過多造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格。按照此方案,不僅可以穩(wěn)定控制回流罐液位,使回流比穩(wěn)定,而且還在一定程度上對(duì)塔底溫度的穩(wěn)定有所裨益。當(dāng)塔底溫度有變化時(shí),回流量也會(huì)做出相應(yīng)變化,使塔底溫度穩(wěn)定。例如:當(dāng)塔底溫度升高時(shí),會(huì)造成塔頂餾出物增加,即進(jìn)入回流罐的物料量增大;此時(shí),回流罐液位控制系統(tǒng)就會(huì)做出相應(yīng)動(dòng)作,增大塔頂回流量的流量設(shè)定值,以保持回流罐液位的穩(wěn)定?；亓髁康脑龃髸?huì)使塔底溫度有所降低,從而達(dá)到穩(wěn)定塔底溫度的目的。類似地,當(dāng)塔底溫度降低時(shí),控制系統(tǒng)也會(huì)做出相應(yīng)動(dòng)作,降低回流量,使塔底溫度升高。4組件狀態(tài)和參數(shù)的定義4.1控制組狀態(tài)首先我們?cè)赥PS-3000DCS操作站上對(duì)裝置的組態(tài)進(jìn)行了修改,以實(shí)現(xiàn)事先設(shè)計(jì)的控制器結(jié)構(gòu)。組態(tài)回路圖如圖4所示。4.2回流量型pid參數(shù)的自整定在完成控制器組態(tài)工作后就可進(jìn)行控制器參數(shù)整定,其中最主要是PID控制器參數(shù)的整定。PID控制器的具體參數(shù)與過程所處的工況有關(guān)。一旦工況發(fā)生變化,要保證系統(tǒng)仍然能有較好的性能,控制器的參數(shù)也應(yīng)作相應(yīng)調(diào)整。傳統(tǒng)的PID參數(shù)人工整定方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且由于工況變化而需要重新調(diào)整控制器參數(shù)時(shí),由于生產(chǎn)過程的連續(xù)性以及人工參數(shù)整定所需的時(shí)間較長,使得人工整定的困難較大。PID自動(dòng)整定是指通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)確定比例帶、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù),使系統(tǒng)的某種控制性能達(dá)到最優(yōu)的PID參數(shù)整定方法。在這里,我們采用基于模型的自整定方法來進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)節(jié),具體先使用相關(guān)系數(shù)法來對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行辨識(shí),在辨識(shí)出的模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行PID參數(shù)尋優(yōu),獲取最優(yōu)PID參數(shù)。在采用相關(guān)系數(shù)法辨識(shí)出系統(tǒng)的模型參數(shù)之后,就可以對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。一般所謂的最優(yōu)PID參數(shù),都是針對(duì)求取某一個(gè)具體的目標(biāo)函數(shù)的極值而言的。在此,我們采用的目標(biāo)函數(shù)是極小化二次型性能準(zhǔn)則:minJ=Σk=0M{(1?α)e2(k)+αK?2[Δu(k)]2}minJ=Σk=0Μ{(1-α)e2(k)+αΚ^2[Δu(k)]2}式中:α——加權(quán)系數(shù),0≤α<1;K?Κ^——增益估計(jì)值;Δu(k)=u(k)-u(k-1);e(k)=R(k)-Z(k),R(k)——參考軌跡,Z(k)——模型響應(yīng);M——評(píng)價(jià)域。將PID調(diào)節(jié)器和對(duì)象模型組成閉環(huán)系統(tǒng),對(duì)一組PID調(diào)節(jié)器參數(shù),計(jì)算閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng),求得所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)J。采用Hooke-Jeeves模式搜索法優(yōu)化PID控制器參數(shù),以獲得在此目標(biāo)函數(shù)下的最優(yōu)PID參數(shù)值。具體整定步驟:首先令前饋系數(shù)322K.PV為0,切換開關(guān)322AF2SW斷開,回流量322AF20與采出量322AF20P2回路設(shè)定值均由人工給定,即在不考慮前饋?zhàn)饔煤痛?jí)控制外回路的作用下對(duì)回流量流量322AF20控制回路與采出量流量322AF20P2控制回路的PID參數(shù)進(jìn)行整定。之后將322AF20回路投串級(jí),對(duì)回流罐液位303AL40控制回路進(jìn)行整定,使回流罐液位可實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定的控制后,再對(duì)前饋系數(shù)322K.PV的值進(jìn)行整定,使回流罐液位達(dá)到預(yù)期的控制效果。待上述步驟都完成后,根據(jù)裝置當(dāng)時(shí)的運(yùn)行情況,給出合適的回流比322R.PV,并將322AF20SW開關(guān)接通,就完成了回流罐液位控制系統(tǒng)的參數(shù)整定過程,使回流罐液位控制完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)。5回流罐液位控制系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整通過采集實(shí)施控制方案前后各24h,共48h的運(yùn)行數(shù)據(jù),可得如圖5所示的對(duì)比曲線:調(diào)整前液位標(biāo)準(zhǔn)差為2.36%,最大波動(dòng)為10.5%;調(diào)整后的液位標(biāo)準(zhǔn)差為0.3966%,最大波動(dòng)為2.1%。進(jìn)一步對(duì)控制器各參數(shù)進(jìn)行整定,可得如圖6所示的回流罐液位運(yùn)行曲線。回流罐液位標(biāo)準(zhǔn)差為0.425%。之所以液位標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)更大,是為了減小由于回流量波動(dòng)而帶來的采出量的波動(dòng),這樣就必須在一定程度上犧牲回流罐液位控制的精度。因此在整定回流罐液位控制系統(tǒng)的參數(shù)時(shí),我們折衷考慮了回流罐液位與回流量的波動(dòng)。雖然回流罐液位的波動(dòng)有所增大,但回流量與采出量的波動(dòng)減小,保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。塔頂采出原為手動(dòng)控制,其運(yùn)行曲線如圖7所示。在手動(dòng)控制時(shí),采出量的標(biāo)準(zhǔn)差為6.052kg/h,最大波動(dòng)為40kg/h;在回流罐液位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制后的運(yùn)行曲線如圖8所示,采出量的標(biāo)準(zhǔn)差為3.817kg/h,最大波動(dòng)為22kg/h?？梢姴沙隽康牟▌?dòng)有所減小,使塔頂回流比更穩(wěn)定,有利于后續(xù)優(yōu)化工作的進(jìn)行。作為回流罐液位控制系統(tǒng)最主要的控制量,回流量對(duì)塔底溫度有較大的影響,因此我們還考察了回流罐液位控制系統(tǒng)的改變對(duì)塔底溫度造成的影響。分別采集系統(tǒng)改變前和改變后塔底溫度24h的運(yùn)行數(shù)據(jù),得到的運(yùn)行曲線分別如圖9和圖10所示:調(diào)整前塔底溫度的標(biāo)準(zhǔn)差為0.0994℃,最大波動(dòng)為0.55℃;調(diào)整后的標(biāo)準(zhǔn)差為0.0856℃,最大波動(dòng)為0.52℃?？梢?回流罐液位控制方式的改變并未對(duì)塔底溫度的控制造成負(fù)面影響;相反,正如前文所分析的,改造后的回流罐液位控制方式有助于塔底溫度的穩(wěn)定。6回流罐液位控制系統(tǒng)通過在DCS上進(jìn)行