Upload
ladonna-amaya
View
164
Download
10
Embed Size (px)
DESCRIPTION
精馏塔的控制( Part II ). 戴连奎 浙江大学工业控制研究所 2013/06/12. 内 容. 精馏段质量指标的控制问题与常用控制方案介绍 提馏段质量指标的控制问题与常用控制方案 两端质量控制问题与常用的控制方案 精馏塔其它控制系统 水 - 乙醇双组分精馏塔的动态模型及其控制系统仿真. 精馏段质量指标控制问题. CVs: L D , L B +T R MVs: L , Q H + F 、 D 、 B 中的两个 DVs: x F + F 、 D 、 B 之一. 控制目标:在平稳操作的前提下,克服干扰对塔顶产品质量的影响 - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
精馏塔的控制( Part II )
戴连奎
浙江大学工业控制研究所 2013/06/12
内 容 精馏段质量指标的控制问题与常用控制方案
介绍 提馏段质量指标的控制问题与常用控制方案 两端质量控制问题与常用的控制方案 精馏塔其它控制系统 水-
乙醇双组分精馏塔的动态模型及其控制系统仿真
精馏段质量指标控制问题CVs: LD, LB +TR
MVs: L , QH + F 、 D 、 B 中的两个
DVs: xF + F 、 D 、 B 之一
控制目标:在平稳操作的前提下,克服干扰对塔顶产品质量的影响
讨论:如何确保塔顶产品质量 ?
D
BQH
L
LT21
LT22
TT32 TR
LB
LD
F, xF
塔顶产品纯度控制问题的分解
塔底液位合适的 MV 的选择 ? 塔顶产品纯度的 MV 选择原则:
“ 物料平衡控制”( D 或 F )“ 能量平衡控制”( L )
精馏塔
D
L
B
TR
LB
LD
MVs CVs
(1)
QH
F, xF
精馏塔
F
L
B
TR
LB
LD
MVs CVs
(2)
QH
D, xF
精馏塔
D
L
F
TR
LB
LD
MVs CVs
(3)
QH
B, xF
顺流操作模式下塔顶产品纯度控制问题的分析
精馏塔
D
L
B
TR
LB
LD
MVs CVs
QH
F, xF塔底液位合适的变量配对:
B → LB
塔顶配对方案 B1 :
L → TR , D → LD
塔顶配对方案 B2 :
D → TR , L → LD
顺流操作模式下塔顶产品纯度控制方案 B1
D
F
BQV
L
FT11
FC11
FT12
FC12
LT21
LC21
LT22
LC22
FT13
FC13
TT32
TC32
TR
( 1 ) L 对 TR 的控制作用快且强
( 2 )当回流比很大时,难以控制 LT22
方案特点分析
顺流操作模式下塔顶产品纯度控制方案 B2
(1) 容易控制 LT22 (当回流比较大时)(2) 塔顶产品量 D 对 TR 的调节作用慢 (3) 回路 TC32 与 LC22 之间存在强耦合
F
TT32
TC32
TR
DL
LT22
LC22
FT14
FC14
方案特点分析
顺流操作模式下塔顶产品纯度控制方案 B2+
(1) 容易控制 LT22 (对于任意 D/L )(2) TC32 与 LC22 的耦合较弱 (3) 塔顶产品量 D 对 TR 的调节作用迅速与灵
敏
F
TT32
TC32
TR
DL
LT22
LC22
FT14
FC14
FT15
FC15
方案特点分析
逆流操作模式 #1 下塔顶产品纯度控制问题的分析
塔底液位合适的变量配对:
B → LB
塔顶配对方案 B1D :
L → TR , F → LD
塔顶配对方案 B2D :
F → TR , L → LD
精馏塔
F
L
B
TR
LB
LD
MVs CVs
QH
D, xF
逆流操作模式 #1 下塔顶产品纯度控制方案 B1D
( 1 ) L 对 TR 的控制作用快且强
( 2 )产品质量能保证,但回流罐液位控制难度大。改进?
方案特点分析D
FT14
FC14
F
BQV
L
FT11
FC11
FT12
FC12
LT21
LC21
LT22
FT13
FC13
TT32
TC32
TR
LC22
逆流操作模式 #1 下塔顶产品纯度控制方案 B1D+
问题:如何防止因塔顶产品量提(降)量过大导致的回流罐液位失控?
D
FT14
FC14
F
L
FT11
FC11
LT22
FT13
FC13
TT32
TC32
TR
LC22×
逆流操作模式 #1 下塔顶产品纯度控制方案 B2D
( 1 ) F 对 TR 的控制作用慢 ( 2 )回流罐液位控制容易,但 产
品质量控制难度大(不推荐)
方案特点分析F
TT32
TC32
TR
DL
LT22
LC22
FT14
FC14
FT11
FC11
逆流操作模式 #2 下塔顶产品纯度控制方案的分析
塔底液位合适的变量配对:
F → LB
配对方案 B1B :
L → TR , D → LD
配对方案 B2B :
D → TR , L → LD
精馏塔
D
L
F
TR
LB
LD
MVs CVs
QH
B, xF
请自行提出相应的控制方案,并进行特点分析
小 结 当进料组成变化较大且塔顶产品纯度要求高
时,需要实施精馏段质量指标控制。 各种操作模式下的精馏段质量控制,
( 1 )塔底液位宜选择物料平衡控制;( 2 )须保持塔底加热量的充分;( 3 )对于精馏段灵敏板温度,既可采用塔顶能量平衡控制( L ),也可采用物料平衡控制( D 或 F )。 具体采用哪种方案,取决于回流比与回流罐的容量。
提馏段质量指标控制问题CVs: LD, LB +TS
MVs: L , QH + F 、 D 、 B 中的两个
DVs: xF + F 、 D 、 B 之一
控制目标:在平稳操作的前提下,克服干扰对产品质量的影响
讨论:如何确保塔底产品质量 ?
TT31 TS
DF
BQH
L
LT21
LT22
LB
LD
塔底产品纯度控制问题分解
精馏塔
D
L
B
TS
LB
LD
MVs CVs
QH
F, xF
精馏塔
F
L
B
MVs CVs
QH
D, xF
TS
LB
LD 精馏塔
D
L
F
MVs CVs
QH
B, xF
TS
LB
LD
( 1 )塔顶部分与前述的物料平衡控制问题相同;
( 2 )塔底部分涉及到塔底产品纯度(或塔底液位)的MV 的选择问题。
顺流操作模式下提馏段指标控制问题的分析
精馏塔
D
L
B
TS
LB
LD
MVs CVs
QH
F, xF
塔底合适的变量配对:
QH → TS , B → LB
塔顶配对方案 C1 :
D → LD
塔顶配对方案 C2 :
L → LD
塔底产品纯度控制方案 C1
控制方案特点分析(1) 蒸汽量 QH 对 TS 的调节灵
敏(2) 为减少塔顶产物中可能含有
的重组分,需要确保充分大的回流量(为什么?)。
D
F
BQH
L
FT11
FC11
LT21
LC21
LT22
LC22
FT13
FC13
TT31
TC31 TS
塔底产品纯度控制方案 C2
( 1 )加热蒸汽量 QH 对 TS 的调节灵敏
( 2 )回流量 L 与蒸发量 V自动平衡,可减少能耗
( 3 ) TC31 与 LC22 存在耦合
控制方案特点分析F
QH
FT11
FC11
LT21
TT31
TC31
TS
DL
LT22
LC22
FT14
FC14
B
LB, spTS, sp
Fsp
Dsp
C102
LC21
塔底产品纯度控制方案 C2+
若进料的轻组分含量增大,则控制系统如
何响应?
DL
LT22
LC22
FT14
FC14
FT15
FC15
F
BQV
FT11
FC11
LT21
LC21
TT31
TC31 TS
逆流操作模式 #2 下提馏段指标控制问题的分析
塔底合适的变量配对:
F → LB , QH → TS
(为什么?)
塔顶配对方案 C1B :
D → LD
塔顶配对方案 C2B :
L → LD
精馏塔
D
L
F
MVs CVs
QH
B, xF
TS
LB
LD
逆流模式 #2 下提馏段质量控制方案
方案特点分析
F
BQH
FT11
FC11
LT21
LC21
TT31
TC31 TS
FT15
FC15
LB
LB, sp
RF, sp
逆流操作模式 #1 下提馏段指标控制方案讨论
请自行提出适宜的变量配对,给出相应的控制方案,并进行特点分析
精馏塔
F
L
B
MVs CVs
QH
D, xF
TS
LB
LD
小 结 当进料组成变化较大且塔底产品纯度要求高时,
需要实施提馏段质量指标控制。 各种操作模式下的提馏段质量控制,
( 1 )塔底液位宜选择物料平衡控制,塔底产品纯度宜选择能量平衡控制;( 2 )须保持塔顶回流量的充分;( 3 )而对于回流罐液位,既可采用能量平衡控制( L ),也可用物料平衡控制( D 或 F )。
两端产品纯度控制问题的应用背景
CVs: LD, LB , TR, TS
MVs: L , QH + F 、 D 、 B 中的两个DVs: xF + F 、 D 、 B 之一
CVs & MVs 如何配对 ?
F
B
QV
LT21
TT31
TS
V
TT32 TR
DL
LT22
LB
LD
两端产品纯度控制系统的变量配对
精馏塔
D
L
B
TS
LB
LD
MVs CVs
QH
F, xF
TR
精馏塔
F
L
B
MVs CVs
QH
D, xF
TS
LB
LD
TR
精馏塔
D
L
F
MVs CVs
QH
B, xF
TS
LB
LD
TR
( 1 )塔顶涉及到塔顶产品纯度(或回流罐液位)的 MV的选择问题;
( 2 )塔底涉及到塔底产品纯度(或塔底液位)的 MV的选择问题。考虑到塔底液位控制的快速性,宜选择物料平衡控制( B 或 F )作为调节手段。
顺流操作模式下两端产品纯度控制问题分析
精馏塔
D
L
B
TS
LB
LD
MVs CVs
QH
F, xF
TR
塔底合适的变量配对:
B → LB , QH → TS
塔顶配对方案 D1 :
D → LD , L → TR
塔顶配对方案 D2 :
L → LD , D → TR
分析方法:先考虑两液位的平衡控制,使被控过程成为稳定对象;再对新对象进行关联分析,最后选择合适的控制方案。
配对 D1 与 D2 ,哪个好?
物料平衡控制下的稳定对象 #1
分析该对象对于 u1, u2 阶跃变化的动态响应,并估计稳态增益矩阵各元素的正负
F
QH
FT11
FC11
LT21
LC21
TT31
TS
L
LT22
LC22
TT32
TR
y2
y1u1
u2
D, xD
B, xB
FT12
FC12
FT13
FC13
LD
LB
稳定对象 #1 的关联分析
12 211
11 22
K K
K K
1
1 1
1
1 1
1
1 1
1
1 1
稳态增益方程:1 11 12 1
2 21 22 2
y K K u
y K K u
相对增益为: 1111
12 21 111
22
1,
1
KK K
KK
相对增益矩阵为: 假设 12 211
11 22
0 1K K
K K
则……
物料平衡控制下的稳定对象 #2
分析该对象输出 y1, y2 对于 u1, u2 阶跃变化的稳态增益矩阵,并估计该矩阵各元素的正负
F
QV
FT11
FC11
LT21
LC21
TT32 TR
L
LT22
LC22
FT14
FC14
y1
TT31
TS
y2
u1
D, xD
B, xB
u2
FT12
FC12
LD
LB
稳定对象 #2 的关联分析
12 212
11 22
K K
K K
2
2 2
2
2 2
1
1 1
1
1 1
稳态增益方程:1 11 12 1
2 21 22 2
y K K u
y K K u
相对增益为: 1111
12 21 211
22
1,
1
KK K
KK
相对增益矩阵为: 假设 12 212
11 22
1 0K K
K K
则……
两端产品纯度控制方案 D1
结合稳态增益矩阵,分析 TC31 与 TC32 之间的耦合
F
BQV
FT11
FC11
LT21
LC21
TT31
TC31 TS
DL
LT22
LC22
TT32
TC32
TR
两端产品纯度控制方案 D2
TC31 、 TC32 与 LC22 关联分析
F
BQV
FT11
FC11
LT21
LC21
TT31
TC31 TS
TT32
TC32
TR
DL
LT22
LC22
FT14
FC14
两端产品纯度控制方案 D2+
TC31 、 TC32 与 LC22 关联分析
F
BQV
FT11
FC11
LT21
LC21
TT31
TC31 TS
TT32
TC32
TR
DL
LT22
LC22
FT14
FC14
FT15
FC15
两端产品纯度控制方案讨论 同时控制塔顶与塔底产品纯度不容易,但有时为
节能或其它目标,仍是很有意义的; 最多只有一个产品流量可用于控制其产品纯度
(即至少有一个产品流量需要用于控制液位),另一个产品纯度需要由 V 或 L来控制;
两产品纯度控制回路可能存在强耦合; 为减少耦合,需要采用一些特殊的控制策略,例
如解耦、预测控制与其它 APC ( Advanced Process Control ,先进过程控制)算法
精馏塔其它控制系统 进料热焓控制
为减少产品质量控制的干扰,需要对进料温度或热焓进行定值控制
进料前馈控制为提高精馏塔控制系统的鲁棒性,需要对进料流量的变化进行有效的前馈控制
精馏操作的节能控制 基于在线分析仪的产品纯度闭环控制
进料流量前馈控制方案
分析该控制方案的自动调节过程与优缺点
F
B
L
TT32
TC32
TR
×
FT11
D
QV
FT12
FC12
×
FT13
FC13KVF
在线分析仪在产品纯度控制中的应用
( 1 )控制周期不同的离散控制算法的引入( 2 )三串级系统控制参数整定方法讨论
D
F
BQH
L
FT11
FC11
FT12
FC12
FT13
FC13
TT32
TC32
TRAT52
AC52 工业应用背景:
多组分精馏塔的产品纯度控制
水 - 酒精体系精馏塔的动态模型与控制系统仿真
水 - 酒精体系精馏塔的动态模型详见《过程控制工程》(第三版)11.2 节, P242-247
精馏塔物料平衡控制的仿真详见 11.4节, P253-254
塔顶与 /或塔底产品质量控制的仿真详见 11.4节, P259-267
物料平衡控制下回流量阶跃变化的系统输出响应
0 50 100 150 2000.1
0.12
0.14
0.16
D,
kmol
/min
0 50 100 150 2000.95
1
1.05
LD,
kmol
0 50 100 150 2000.26
0.28
0.3
L, k
mol
/min
0 50 100 150 2000.92
0.93
xD
0 50 100 150 2000.16
0.18
0.2
0.22
B,
kmol
/min
0 50 100 150 200
1LB
, km
ol
0 50 100 150 200-1
0
1
2
V,
kmol
/min
min0 50 100 150 200
0
0.1
0.2
xB
min
物料平衡控制下(回流量不变时)塔底加热量的阶跃响应
200 400 600 80070
75
80
85
90
%
xD
200 300 400 500 600 700 80049
50
51
52
53
%
LD
200 400 600 8000
2
4
6
8
10
t/s
%
xB
200 300 400 500 600 700 80048.5
49
49.5
50
50.5
t/s
%
LB
物料平衡控制下(塔顶产出不变时)塔底加热量的阶跃响应
200 300 400 500 60089.9
90
90.1
90.2
90.3
90.4
%
xD
200 300 400 500 60049
50
51
52
53LD
%
200 300 400 500 6006
6.5
7
7.5
8
8.5
t/s
%
xB
200 300 400 500 600
49.6
49.8
50
50.2
t/s
%
LB
精馏塔控制仿真研究1. 液位控制方案: D LD, B LB
(1.1) V 或 L 阶跃变化对 CVs 及 D, B 的影响;(1.2) 塔顶产品纯度控制: L xD, 而 V 不变;(1.3) 塔底产品纯度控制: V xB, 而 L 不变;(1.4) 两端产品纯度控制: L xD, V xB.
2. 液位控制方案: L LD, B LB
3. 液位控制方案: L+D LD, B LB
控制方案课堂练习
F
QV
FT11
FC11
LT21
LC21
TT31
TC31
TS
DL
LT22
LC22
FT14
FC14
B
FT15
FC15
LB, sp
Bsp
TS, sp
Fsp
Dsp
C102
假设塔底产品为后续连续反应器的进料,要求正常情况下 B 稳定不变(但可根据市场情况作调整)。
试更新现有的控制方案以满足上述控制目标,并说明 B提量时控制系统的自动响应过程
精馏塔控制小结 精馏过程控制目标 常规多回路控制方案
塔顶压力控制,进料温度(或热焓)控制,塔底与回流罐液位控制,塔顶与 /或塔底产品纯度控制,主要干扰(如进料量)的前馈控制等
先进控制策略的应用产品纯度的在线分析与闭环控制,基于模型的多变量预测控制,实时操作优化等