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热集成精馏系统的建模、优化与控制的研究进程

2020-05-25 来源：步旅网

2007年第11期节　　　能

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(总第304期)—35—

祝雪妹

(南京师范大学电气与自动化工程学院,江苏南京210042)

摘要:对热集成精馏系统的各种操作方式进行了介绍,并针对热集成精馏系统的特点,总结该系统的建模、优化和控制研究进程,提出了该系统的建模、优化和控制期待解决的问题。关键词:热集成精馏系统;优化;控制

中图分类号:TQ028.1+3　文献标识码:A　文章编号:1004-7948(2007)11-0035-04

1引言

装置的全面自动化,使用的控制工具也从气动单元组合仪表、电动单元组合仪表到DCS;控制水平也从单参数简单控制回路到多变量复杂控制回路,先进控制系统、优化控制系统在各种场合都有成功应用的典范[8～9]。

随着工业规模的进一步扩大,快速反应、临界稳定工艺、能量综合平衡等工艺的成功开发,对自动化技术提出了更高的要求。另外,激烈的市场竞争也对自动化技术提出了新的目标与要求。同时,信息技术为流程工业自动化技术的发展注入了新的活力。

本文结合热集成精馏系统的特点,回顾热集成精馏的建模、优化和控制的研究进程,并且提出了要实现热集成精馏系统的优化控制需要解决的问题。2热集成精馏系统介绍

20世纪70年代以来,随着全球范围的能源危

在石油加工工业和化学工业中,精馏是非常重要的操作单元,也是应用最早和最广泛的分离技术之一。精馏塔是一个高耗能设备,精馏技术对提高产品质量、降低能耗和环境保护有着重要的意义,尤其在能耗方面。据美国化学过程工业协会1991年的统计,在石油加工工业和化学工业中,平均每年消耗相当于9186亿桶原油的能源,其中,大约43%的能源消耗在分离过程上[1]。

某一精馏塔塔顶产品浓度降低012%,即从9919%下降到9917%,那么可节约高达1315%的能量。相反,如果塔顶产品的工艺指定的浓度要求为9918%,而实际精馏操作设定为9919%,其结果是

过程需要10%的额外能源消耗。由此可见,如果准确地设计和控制精馏过程,在获得合格产品的基础上,安全裕度最小,或所谓的质量卡边控制,那么就可以达到节能的操作效果。

精馏过程是一个复杂的传质、传热过程,它不仅具有严重的非线性、分布参数、不确定及时变特性,而且各通道之间存在着强的耦合作用。这一特点就使得精馏过程的控制并非轻而易举,它不仅要求控制系统具有良好的控制效果,而且有较强的鲁棒性,因此常规控制难于胜任。目前已将先进的控制技术应用到精馏控制中,并已取得了可喜的成果[3～7]。

几十年来,流程工业自动化技术随着工艺和装备技术的不断发展而提高,从初期简单的手工操作到连续工艺及负荷不断加大,对生产稳定性要求越来越高,对控制的要求及自动化水平也越来越高,仪表使用越来越普遍,从简单回路的闭环控制到单元

基金项目:江苏省普通高校自然科学研究项目(06KJD510096);

工业控制技术国家重点实验室开放课题(0708010)。

[2]

机和日益高涨的环保要求,研究者已经从热力学、操作原理及控制技术等角度提出了大量的精馏过程的节能方法。这些方法的主要途径是利用精馏过程的大量吸热、放热环节,通过过程集成的方法将热源与冷源进行匹配,以达到能量的再利用,提高精馏过程的热力学效率,从而达到节约能耗的目的。

常用的方法[10]有单塔热回收,热泵循环,热集成精馏系统(heat2integrateddistillationcolumnsystem)等。热集成精馏系统又称为能量集成精馏系统(energy2in2tegrateddistillationcolumnsystem)可分成两种形式:一种是双塔热集成精馏系统,一种是内部热耦合热集成精馏[10～12](ITCDIC:internalthermallycoupleddistilla2tioncolumn)。也有称热泵精馏为热集成系统[13]。其

中双塔热集成精馏系统又称为双效精馏系统(double2effectdistillationsystem),该操作方式是非常有效的节能方式,据报道可节约能耗50%[14],但操作和控制比

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(总第304期)—36—普通的精馏过程复杂和困难,因此,对于这些过程的

建模、优化和控制的研究得到了广泛的关注,前人做了许多有意义的工作,像刘兴高[10]、黄克谨[15]等学者在内部热耦合精馏塔的优化、建模和控制中做了许多深入的研究工作。

本文将重点讨论双塔热集成精馏系统(以下简称热集成精馏系统)的建模、优化和控制现状。

此类热集成精馏系统由一个高压塔和一个低压塔组成,高压塔的塔顶冷凝器与低压塔的塔底再沸器相关联,对低压塔塔釜供热。该系统一般情况下两个塔只需要三个换热器,同时只有一个塔消耗能量,实现两个塔的操作,以节约能耗。

双塔热集成精馏系统可有多种的操作方式,如前向的物料和能量的集成,或者是逆向的物料和能量的集成等[16]。根据进料方式不同,可以分为串联或并联进料的方式,其中并联进料方式又称为SF(splitfeed)双效精馏系统。热集成精馏方式除了是一种高效的节能方式以外,它还是利用双塔的压力不同来分离恒沸物的一种很有意义的方法[17]。

采用热集成方式的精馏系统,两个塔之间不仅物料上关联,而且在能量上互相关联,使关联变得十分严重,给操作和控制带来了很大的困难。最理想的操作状况是当进料流量和浓度发生变化时,及时调整两个塔的操作条件,使它们的产量在稳态和非稳态的条件下必须保持合理的匹配,避免补充热量和冷量。

3热集成精馏系统的建模、优化和控制研究进程

节能方法虽然在理论上可以提高精馏过程的热力学效率达到节能的效果,但对于它们的控制和优化有许多的问题需要解决。由于两个塔之间的关联十分严重,尽管通过采用两个塔的热集成操作方式能够有效地降低精馏过程的能耗,但如果两个塔的操作、控制不合理,不仅不能达到节能的效果,反而会影响正常的生产。正由于上述理由,热集成精馏系统的控制系统设计问题,早在20世纪的70年代就得到了关注。

1976年,Tyreus和Luyben[18]通过对丙烯和丙烷分离塔的动态仿真,最早提出了热集成精馏系统的控制问题。因为从理论上来说,通过热集成高压塔不需要冷凝器,低压塔不需要再沸器,他们的主要思想是通过添加辅助的再沸器和冷凝器的方法减少两个塔之间的关联,提高控制效果。

1982年,Lenhoof和Morari[19]对分离甲醇和水

的三种不同热集成工艺过程进行了研究,用一阶惯性加纯滞后模型来近似描述系统的特性,研究发现SF进料的双塔热集成精馏系统的可控性最差。他们对Tyreus和Luyben的观点提出了质疑,认为并没有发现引入辅助设备带来的明显效果。1984年,Frey等[20]利用静态的RGA(relativegainarray)分析方法,对控制四个产品的四种不同控制方案进行了比较,建议使用进料量的比例系数作为控制变量。1989年,Al2Elg和Palazoglu[21]利用一阶惯性加纯滞后模型,对分离甲醇和水混合物的热集成系统的可控性进行了仿真研究,对三种不同结构的双效热集成精馏系统研究发现了同样的结论,采用SF进料方式的双塔热集成精馏系统最难以控制。在该研究中忽略了持汽量、系统的热损失和塔的压力降。1990年,Ding和Luyben[22]设计了不同的SISO控制器来控制低纯度和高纯度的双效精馏系统,对于分离甲苯和二甲苯混合液而言,高纯度的精馏系统只能克服很小的进料浓度的变化。2004年,Lin和Yu[23]主要对热集成精馏系统的静态经济目标和动态可控性方面如何折衷进行了研究,并且利用精确的非线性模型来检验控制系统的性能,最后结果表明40%的能耗可以节约。

上述的大部分研究工作都是基于简单的模型,而没有考虑一些重要的特性,如流体的流体力学特性、塔压、塔板持液量、传热面积等。在实际系统中,这些参数对系统的特性具有很大的影响。为了简化模型,在建立模型中的这些事先的假设,大多数是没有通过实验来验证的,因此,基于简化模型的仿真结果可能会导致错误的结论。例如Koggersbo和Jor2gensen(1994)[24]详细说明了在精馏过程仿真中通常忽略塔压动态特性所带来的错误结论。Mandler等(1989)[25]、Vester等(1992)[26]、Gross等(1998)[27]通过对工业精馏过程研究指出,高保真和复杂模型,对获得有用和实用的研究结果是绝对需要的。Gross(1998)等[27]实现了热集成精馏系统基于机理模型的可控性分析以及非线性动态仿真。他们提出了这样的观点:为了能够详细了解其基本特性,精确的模型是必不可少的。

由上面的讨论可以看出,由于精确机理模型的建立是一项复杂的工作,因此,仅仅是为了控制系统设计这样单一的目标,很少考虑用精确的机理模型来进行设计。Roffel和Fontein(1979)[28]、Engelien等(2003)[14]做了一项相似的工作,进行基于静态经

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济目标的约束控制问题研究。Han和Park(1996)[29]提出了一个多变量控制器,取得了满意的仿真效果。Weitz和Lewin(1996)[30]根据静态流程信息来推导过程动态模型,用在热集成精馏系统的可控性分析中。Roffel等(2000)[31]通过对低温热集成精馏系统分析,得出这样的结论:由于过程变量之间强的耦合特性,过程变量的变化必须缓慢进行,否则容易出现操作变量的饱和情况。Engelien和Skogested(2004)[32]对前向热集成结构精馏系统进行了静态经济目标优化和控制特性研究,通过仿真计算得出这样的结论:在高压塔上利用进料流量和流出液的比值控制,具有较好的控制效果。

由于它的复杂性以及诱人的节能效果,除了在热集成精馏系统的建模和控制方面受到了关注以外,前人还开展了其他方面如最短时间启动等研究[33,34]。

理论上说,热集成方法提高了热力学效率,但如何进行操作优化,以及操作优化结果是否切实可行,都是值得研究的问题。在我国有一些石油、化工企业和研究机构,也开始关注和利用这样的操作工艺以及它的控制问题[35～37]。

此外,随着在石油化工工业中竞争的日益激烈和全球化,要求企业必须采用更加灵活的方式来尽快组织生产,也即:柔性操作方式,以满足市场的需要,以提高企业的经济效益和降低消耗。这要求对企业的生产以经济效益为目标进行优化。那么,现有的像基于线性模型控制及静态的优化控制技术不能满足这样的操作目标需要。尤其是需要专门考虑其动态操作过程的批量生产和连续生产过程中产品质量等级的变化过程等问题[38]。为了实现这样的操作目标,很明显地需要一个能够描述过程动态的非线性特性的模型,基于这样的模型开发过程的控制策略。

由于获得精确模型不是一件轻而易举的事情,因此基于精确模型的动态优化和控制在热集成精馏系统成功应用的有关文献报道并不多见。文献[39]和[40]详细介绍了热集成精馏系统基于精确机理模型的优化和控制策略,在该策略中,以最小能耗为目标,采用二级优化控制策略,上一级是以最小能耗为目标的动态优化,下一级为跟踪上一级优化目标的多变量控制。动态优化由正交配置结合SQP的计算方法来实现。此外,该策略中还包含了模型参数、状态变量的在线估计工作。

4实现热集成精馏系统的优化控制必须解决的问题

(1)模型建立。模型的建立要保证模型的精度

和简单实用,一方面要求模型精确反映过程的特性,另一方面,必须能够满足实时的在线应用。精馏过程机理比较成熟,并且有很多的现成软件可以使用,可以用作上一层优化的模型,但机理模型一般比较复杂,模型阶次往往很高,不适用于下一层的实时多变量控制器设计中的应用,必须对模型进行简化。

(2)优化方法。热集成精馏过程的最小能耗优化过程是一个大规模的、非线性的动态优化问题。优化方法的选取和实现是必须要解决的问题。目前,正交配置离散化结合SQP以及各种改进的方法,如rSQP等大系统的动态优化方面得到了广泛的采用[41]。并且,可以调用一些比较成熟的商业软件,如VisualNumerics公司的工业标准的IMSL数值计算程序库,它包含了C、C#、Java及FORTRAN多种语言,让使用者专心在自己的应用程序的开发中[39]。5结语

人们试图利用先进的控制策略和思想,以解决像热集成精馏这样的复杂系统的控制和操作问题。热集成精馏系统是一种高效节能操作方式,必将会得到广泛的重视。本文对热集成精馏系统的分类、特点进行了简单介绍,并且回顾了热集成精馏的建模、优化和控制的现状,以及提出了以后的期待需要解决的问题。参考文献

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作者简介:祝雪妹(1965-),女,浙江桐乡人,博士,副教授,从事教学与科研工作。收稿日期:2007-05-30

2007年第11期节　　　能

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Abstract:AimingatGuohuaElectricPowerCorporationobjectofener2

gy2saving,introducedstrategyofachievingobject,fromboilerequipmentlectotype,operationoptimize,energy2savingreform,etc,furthermore,forecastingeffectonthoseconcretemeasuresofenergy2saving.Keywords:boiler;energy2saving;strategy

Applicationstateonthesurfaceevaporationair

coolerinthemetallurgicalindustryLIAn2jun,XINGGu2iju,ZHOULi2wen

(UniversityofScienceandTechnologyLiaoning,Anshan114051,China)

29Asurveyofmodeling,optimizationandcontrolfor

heat2integrateddistillationsystems

ZHUXue2mei(CollegeofElectricalandAutomationEngineering,NanjingNormalUniversity,Nanjing210042,China)

Abstract:Variouskindsofheat2integrateddistillationcolumnsystemswereintroduced.Thesurveyofmodelling,optimizationandcontroloftheheat2integrateddistillationcolumnsystemswasproposedaccordingtothepropertiesofthesystems.Theopenproblemswerepresented.Keywords:heat2integrateddistillationsystem;optimization;control

Abstract:Theapplicationstateofsurfaceevaporationaircoolerinthemetallurgicalindustrywasintroduced,specificapplicationexamplesindi2catesthattheheattransferequipmenthasmoreadvantagesthanothers,bothsavingfieldareaoperatingcosts.Thisequipmentincorporateswa2ter2cooledandair2cooled,heatandmasstransferprocess,processofheattransferincludeslatentheattransferanddistinctheattransfer,heattransferefficiencywasgreatlyenhanced.

Keywords:surfaceevaporationaircooler;metallurgy;heattransferef2ficiency

47Analysisonbuildingheatconsumptioncaused

byairleakageinwinterYANMing2hui,MENGFan2kang,XIAOLi2ping(LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)Abstract:Analyzedtheoryofairinfiltrationheatingloadthroughbuild2

ingexteriorenvelopeinwinteraccountingforlatentheatload.Seperatelycalculatedthehourlysensibleheatloadandlatentheatload.Theconclu2sionindicatedthatunderthestandardconditionofheatingandaircondi2tioning,latentheatloadisabout8%ofsensibleheatloadin24hours.Soitisnecessarytoconsiderlatentheatloadwhencaculatingheatingloadforhigh2risebuildingorthatoneswithmorerequireontemperatureandhumidity.

Keywords:airleakage;latentheatload;hourlyheatingload;heatingconsumption

35Researchandapplicationofhigheffectandlongevity

materialregenerativeonreheatingfurnace

WANGWei2shan,LUOGuo2min

(GuangdongSongshanPolytechnicCollege,

Qujiang512122,China)

Abstract:Regenerativeisapithmeterialoftheregenenrtor,Itistrans2ferquantityofheat.Thispaperintroducedtheresearchofregenerative,Itconsistofsize,figure,matter,andsoon.Alsointroducedtheapplica2tionofhigheffectandlongevitymaterialregenerativeonSGIS’reheat2ingfurnace.

Keywords:regenerative;higheffect;reheatingfurnace

39Applicationofinsulationcoatinginoutsidefloatingroof

tank,reduceheatlossandraiseenergysaving

PENGXin2bao(ProductingdivisioninChanglingbranchofChinaPetroleum

andChemicalCompany)

50Theapplicationoffieldsourceheatpumpinloessplateauarea

WUWen2hua,LIUYi

(Xi’anChangqingTechnologyEngineeringCo.ltd,

Xi’an710021,China)Abstract:Introducedtheapplicationoffieldsourceheatpumpinloess

plateau.Therewereinnovativeinalotofaspect,suchasthedesigninsoilheatexchangerandselectincirculationmedium.Afterputintooper2ation,varioustestingdatareachedexpectedindicators,ithasestablishedsolidbasistoextendsthattechnologyintheloessplateauarea.Keywords:fieldsourceheatpump;loessplateau;energy2saving

Abstract:Thispapermainlyanalysisanewdomesticinsulationcoating

utilizedinthepetrochemicaltank,studiesshowthatthepaintinmanyaspectsofpetrochemicaltankinsulationmaterialisanirreplaceableeffi2cientthermalinsulationcoating,especiallyintheapplicationoftheout2sidefloatingrooftankinpetrochemicalindustry.Theenergysavingef2fectisverynotable.Thevalueofpromotionandmarketdemandisverymuch.

Keywords:outsidefloatingrooftank;heatloss;paint;energysaving

5241声　　明

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