专利名称：气分装置生产物料平衡微机在线优化控制方法
技术领域：
本发明是一种微机在线优化控制方法，适用于炼油工业中气体分馏、MTBE及烷基化联合型化工装置及类似的其它化工装置。
炼油厂中气分装置的任务就是为MTBE和(或)烷基化装置提供原料。其中，MTBE装置要求异丁烯纯度达18.81％以上为宜；烷基化装置新鲜原料烷烯比为1∶1为宜。如何同时满足两装置的工艺要求，使其发挥最佳处理能力，并依据原料组成的变化，实时进行微机在线处理及优化控制是原有生产工艺的一大难题。我国大部分炼厂所采用的模拟仪表控制及DCS系统控制都只能处理单一物料的流程控制，而不能处理整套装置的物料平衡分配。如洛阳石化设计院设计的模拟仪表控制FC系统(1987—1989)、日本的横河DCS系统、美国的TDC—3000系统等，物料平衡都只能靠操作员凭经验人为掌握，因此，其平衡度差，失衡状态严重。即使物料分配较合理，采用目前工业较先进的串级控制，其物料平衡控制仍不理想。串级主参数波动一般在10％以上，副参数波动在30％以上。物料成分等一旦有稍大波动就又会导致失衡，因而使物料平衡的控制难度大，操作复杂。
本发明的目的是针对当前生产存在的上述问题，以最优控制原理中多约束条件下寻找优化点的优化思想为依据，结合对串级控制的改进，给出一种可与原料组分在线色谱仪配套使用的气分装置生产物料平衡微机在线优化控制方法。从而可较好的解决气体分馏装置长期无法自动在线平衡物料的难题。
为实现上述目的，本发明在现有DCS系统或其它计算机控制系统上设置一台完成优化运算与控制的上位计算机，上位机CPU处理能力要求80386以上的IBM或兼容机。在分气原料线上由在线色谱仪采样分析，若无在线色谱仪也可人为离线设定组分，将原料组成分析结果送至DCS系统或其它计算机控制系统的下位机，再由下位机将原料组成分析结果和原料处理量的采样值一起通过上、下位机通讯发给上位机进行物料平衡优化运算，将计算出的分气装置各塔间的物料分配量赋给相应的可变步长控制器作为相应物料的初始控制量，将得到的最佳控制量通过上、下位机通讯发给下位机，由下位机的现场控制单元完成控制功能；再将现场控制结果反馈给上位机，重复上述控制过程，以实现物料平衡在线优控。
本发明的生产物料平衡微机在线优化控制方法，可用于气分装置的物料优化生产模拟，又可结合装置现有的DCS计算机控制系统等直接用于在线实时生产过程控制。因此，计算机程序的系统设计共有两大部分组成，其一为物料平衡优化生产模拟，这部分子系统可单独计算、显示、打印，形成独立模拟生产系统；其二为物料平衡优化生产在线控制。下面分述两部分程序的设计思想、数学模型和技术特征1、物料平衡优化(模拟)运算程序(算法1)。
气分生产线的原料组成分析结果如表1表1<
>设优化决策效用因子为X(代表脱异丁烷塔顶正丁烷与顺、反丁烯虚拟组分之和)，最优控制目标函数为Q(X)。保证气分物料平衡共有三个约束条件，分别为1、保证气分装置烷烯比为1∶1(±0.05)；2、保证异丁烯纯度要求达到或超过设计指标18．81％；3、脱异丁烷塔异丁烷纯度要求50％(±5X)。
分别设定子目标函数为J1(X)，J2(X)、J3(X)。那么。最优控制函数为。Q(X)=min∫LH[(J2(X)+J3(X)]dx]]>使J1(X)满足1±0.15的条件为H≤20，L≥4，其中。J3(X)=|iC40·100/(iC40+iC4=+C4-1=)·(1+X/100)-50|]]>J2(x)=丨(100-J3(x)-x-50+2)/200-18.81丨在线色谱仪成分每隔2分钟采集、运算一次，同时优化也相应运算出结果产生物料平衡方案。通过微机在线运算求解最优决策效用因子X，结合表1并按图2所示的气分装置物料流程计算求得各塔间物料分配量及异丁烷、异丁烯纯度。气分脱异丁烷塔异丁烷纯度J=F·iC40/B]]>气分脱异丁烷塔异丁烯纯度I=(100-J-X+2)/200其中F为气分原料线气分处理量，可由在线色谱仪采集，B为脱异丁烷塔顶输出量，B=F·(iC40+iC4=+C4-1=)%·(1+X%)]]>2、物料平衡优化生产在线控制程序(算法2)以液位——流量串级表为例。设液位——主控参数为L0，允许波动偏差为±△L0，允许波动值域为L0±ΔL0设流量——副控参数为F0，允许上、下限为F0大、F0小；初始控制量F0由算法1获得或按公式F0＝(F0大＋F0小)/2波动幅度为ΔF＝|F0大－F0小|/2初始步长为K×ΔF×ΔL/ΔL0；其中，K为滞后因子，可依表类型调整，适宜值为0.1——10；ΔL为主控参数实测值与L0之差。
线性关系为ΔL——F＋K·ΔF·ΔL/ΔL0副控约束边界为F0小≤F＋K·ΔF·ΔL/ΔL0≤F0大控制过程设实测主参数变化值为LPV，紧后变化值为LPV′，波动偏差为ΔL＝LPV－L0首先判断ΔL当|ΔL|≤|ΔL0|时，则当LPV′＞L0 且 LPV′－LPV＜0此时对应的副回路流量实测值记为F′大；当LPV′＜L0且LPV′－LPV＞0此时对应的副回路流量实测记为F′小。F′大、F′小成对后，如下进行F′＝(F′大＋F′小)/2；ΔF′＝| F′大－F′小|/2；控制动作为ΔL——F＋K·ΔF′·ΔL/ΔL0；否则当|ΔL|＞|ΔL0|时无条件执行串级控制。
随着流量的平稳，值域变窄，相应的步长也随之变小最终达到平稳调节的目的。当处理量变化或其它因素造成主控参数测量值不收敛跃出ΔL0范围时将自动恢复串级控制，同时副控参数首控重新选取相应的物料平衡优化值。待主控参数测量值进入预定值域后，再重新执行可变步长先进控制，以确保整体优控过程的稳定和连续。
采用本方法进行物料优化控制后，可使气分装置生产自动调节物料平衡，并使控制精度大大提高，可变步长控制器与原串级控制相比，主参数波动不高于5％，副参数波动不高于20％，收到了优质、低耗、控制抗扰性强的功效。
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
图1为算法1的子目标函数曲线图；图2为气分装置物料流程图；图3为控制过程框图；图4为物料平衡优化运算指导程序流程图；图5为物料平衡优化运算流程图；图6为变步长先进控制相关参数设定流程图；图7为变步长先进控制流程图；图8为寻找F′大、F′小子程序流程图；图9为气分装置物料平衡优化控制设计构思框图。
图1中，J3(X)为异丁烷纯度随优化因子变化函数；J2(X)为异丁烯纯度随优化因子变化函数。
图2中，F为气分处理量，其组成见表1，以重量百分比表示；A、B、C、D、E、G、H、L为各塔间物料输入输出量；T101为脱丙烷塔，T102为脱乙烷塔，T103为脱丙烯塔，T104为脱异丁烷塔，T105为脱戊烷塔；T2J为脱乙烷塔进料量，T2D为脱乙烷塔底输出，T3J为脱丙烯塔进料量，T3D为丙烯产量，T3C为丙烷产量；M为MTBE产量，N为烷基化油产量，Q为乙烯输入量，W为顺反丁烯去储罐，V=为气分脱异丁烷塔至烷基化C4=烯烃量，V==(B-D)。[(100-J)-(X/2+2)]/100，Vi0为气分脱异丁烷塔至烷基化异丁烷量，Vic=(B-D)·J/100，M=为MTBE萃取塔至基化C=4烯烃量，M==H[D·(100-J-X/2-2)/100-0.98DI]/(H+0)；Mci为MTBE萃取塔至烷基化异丁烷量，M0i-H(D·J/100-M·0.05/100)/(H+Q)；tc为气分脱戊烷塔顶顺反丁烯纯度，tc=(F·C4-2=/100-B·(X/2-2)/100)/(C-F·C5/100);]]>V为烷基化新鲜原料按一定烷烯比控制时，需气分脱戊烷塔顶补人量，V=[(Vic+Mic)-Vb·(V++M+)]/(Vb·tc)；Vb为烷基化新鲜原料烷烯比，Vb=1；ed为气分丙烯塔丙烯纯度，ed=0.93——0.98。
图3中，T10l为脱丙烷塔；T104为脱异丁烷塔，SP为气相色谱仪，F为气分小时处理量，即脱丙烷塔进料量，LT为液位变送器，FT为流量变送器，FV为调节阀；XWJ为下位机，KBT为可变步长控制器，即上位机，DQ为电气转换器，FS为T101进料组成或流量组成，01代表算法1，02代表算法2。
图9是系体总体程序设计的构思框图，共设计了九个模块，其中数据通讯模块是连接物料优化系统与现行计算机控制系统的数据通讯结构。其通讯方式可以选择与该计算机控制系统网络配置相同的通讯协议，也可以通过RS-232接口与原有控制系统的计算机互通数据，本系统是采用美国ARCNET网络协议与原有的控制系统共享数据。
优化系统设计按照物料平衡优化模拟和在线优控两大部分分成两条线，即选择A和选择B。选择A为物料平衡优化生产模拟程序，它包括入口1——入口6，各模块的内容在图4中定义。其中入口3、入口4、入口5为必须编定和执行的程序，其它入口均可根据需要编写。选择B为物料平衡优化生产在线控制程序，它包括入口1、入口5、入口4、入口7和在线先进变步长模块，其中入口1、入口5及入口4在选择A中会准备好，而入口7将准备可变步长控制的所需参数，图6为该模块参数设定流程图。
构成程序的关键模块为入口4、入口7及在线变步长先进控制模块。图5为入口4模块的程序流程图。随着变量i的循环(40——200)计算异丁烯纯度与设计指标18.81％的差的绝对值；计算异丁烷纯度与设计指标50％的差的绝对值；寻找两个绝对值的和的最小值，并将这一点的循环变量除以10后，赋给变量Point。那么，此时point的值即为最佳决策效用因子X。
入口7是可变步长控制器所需参数设定模块，图6为其流程图。物料平衡优化运算结果若要投入在线控制，需要经过可变步长控制器实现，而实现变步长控制需要设定每个串级表的有关参数值，即主表的初始优化点、优控报警点及副表的优控报警点、F0大、F0小及计算优控输出时的滞后因子K0，其设定范围为主控参数液位的初始控制量L0＝35——75％；允许偏差量ΔL0＝3——15％；报警上限为L0＋ΔL0，报警下限为L0－ΔL0；副控参数流量的约束上限F0大≤仪表测量上限，约束下限F0小≥仪表测量下限；初始控制量F0为优化运算结果或F0＝(F0大＋F0小)/2；滞后因子K＝0.1——10。设定完毕后，可以从程序选择全部串级表投优化控制，或选择当前某串级表投优化控制，一旦选定，系统将对此串级表应用物料平衡的优化结果进行控制。在线变步长先进控制模块，其流程图如图7、图8，该程序是用中断方式产生，因而运行具有实时性，每一秒钟运行一次优控程序，不受其它程序是否运行完毕的影响，这样就保证了控制的实时性及连续性。物料平衡微机在线优化控制就是针对气体分馏装置各塔或回流罐料位与其相应物料间在串级基础上实现料位与相应物料优化值自动平衡控制。现以其中一路控制为例，即脱丙烷塔底料位与脱异丁烷塔进料串级表作以说明。假定气分小时处理量30吨，首先在上位机上将脱丙烷塔底料位按工艺设置在60％，允许波动偏差设定为5％，依算法2允许波动值域为55——65％，脱丙烷塔塔底流量上限设为24吨/小时，下限设定为13吨/小时。滞后因子K设置为1.0，投优控，此时，由色谱仪将原料组成分析数据送至DCS系统或其它控制系统的下位机，再由下位机将原料组成分析结果和原料处理量的采样值(或设定值)一起通过上、下位机通讯发给上位机，并按算法1进行运算；再将运算出的脱丙烷塔底物料量的优化值赋给可变步长控制器，作为脱丙烷塔底物料的始控量；再将经过可变步长控制器得到的最佳控制量通过上、下位机通讯发给下位机，再由下位机的现场控制单元，即调节器完成脱丙烷塔塔底料位于该塔底物料优化值附近或物料上、下限设定内的平衡调节。再将现场控制结果由LT、FT反馈给上位机，然后重复上述控制过程。当处理量变化或其它因素造成主控参数测量值不收敛，跃出55——65％范围时将自动恢复串级控制。同时副控参数首控量重新选取相应的物料平衡优化值。待主控参数测量值进入预定值域后，再重新执行可变步长先进控制，以确保整体优控过程的稳定和连续。
权利要求
1.一种气分装置生产物料平衡微机在线优化控制方法，是在气分生产线上采用在线色谱仪样分析，将原料组成分析结果送至计算机控制系统；其特征是在DCS系统或其它现行计算机控制系统上设置一台完成优化运算与控制的上位算机，并按如下步骤进行a、给出气分装置物料优化运算的数学模型；b、根据优化数学模型编制物料平衡优化运算程序；c、按优化运算结果编制物料平衡在线优化控制程序；d、通过运行优化运算、控制程序实现在线优控。
2.根据权利要求1所述的优化控制方法，其特征是所说的气分装置物料优化运算的数学模型，是在给定的约束条件下，按气分装置物料流程的优化设计指标，求取代表脱异丁烷塔顶正丁烷与顺、反丁烯虚拟组分之和的优化决策效用因子X的数学运算式，即Q(X)=min∫LH(J2(X)+J3(X))dx]]>其中H≤20，L≥4；J3(X)=|iC40·100/(iC40+iC4=+C4-1=)·(1+X/100)-50|]]>J2(X)＝|(100－J3(X)－X－50＋2)/200-18.81|
3.根据权利要求1所述的优化控制方法，其特征在于所说的物料平衡优化运算程序内容如下a、随着变量i的循环，计算异丁烯纯度与设计指标18.81％的差的绝对值；b、计算异丁烷纯度与设计指标50％的差的绝对值；c、导找两个绝对值的和的最小值，并将这一点的循环变量除以10后，赋给变量Point，此时Point的值即为最佳决策效用因子X。
4.根据权利要求3所述的优化控制方法，其特征在于循环变量i的取值范围为40——200。
5.根据权利要求1所述的优化控制方法，其特征在于所说的物料平衡在线优化控制程序为在线实时变步长控制程序，它包括a、在线优控相关参数设定；b、初始步长为KΔFΔL/ΔL0c、主参数波动偏差ΔL＝LPV-L0；d、调用寻找F′大、F′小子程序；e、控制动作为ΔL－F＋KΔFΔL/ΔL0。
6.根据权利要求5所述的优化控制方法，其特征是所说的寻找F′大、F′小子程序的内容是a、判断|ΔL|≤|ΔL0|是否成立，若是，则b、当LPV′＞L0且LPV′－LPV＜0，此时对应的副回路流量实测值记为F′大；c、当LPV＜L0且LPV′－LPV＞0，此时对应的副回路流量实测值记为F′小；d、若|ΔL|＞|ΔL0|，无条件执行串级控制。
7.根据权利要求5所述的优化控制方法，其特征在于在线优控相关参数设定的内容为主控参数液位的初始控制量L0＝35——75％；允许偏差量ΔL0＝3——15％；报警上限为L0＋ΔL0，报警下限为L0－ΔL0；副控参数流量的约束上限F0大≤仪表测量上限，约束下限F0小≥仪表测量下限；初始控制量F0为优化运算结果或F0＝(F0大＋F0小)/2滞后因子K＝0.1——10。
全文摘要
本发明公开了一种气分装置生产物料平衡的微机在线优控方法。它是在现行计算机控制系统上设一优化机，通过采样分析、物料平衡优化运算和在线优控，解决了气分装置物料不能自动在线平衡的问题。具有控制精度高、控制参数波动小的特点，达到了优质、低耗、控制抗扰动性强的效果，适合气体分馏、MTBE及烷基化联合型化工装置使用。
文档编号B01D3/14GK1123306SQ95111930
公开日1996年5月29日 申请日期1995年8月10日 优先权日1995年8月10日
发明者张龙祥, 许智勇, 林锡镇, 金晶浩, 王树贵, 金福江 申请人:抚顺石油化工公司石油二厂, 抚顺石油学院计算机技术开发公司