林土明,陳軍,陳楚渝,寧德龍,王嘉炯,潘奇,施雯,4*

(1.廣東石油化工學院,廣東 茂名 525000;2.中國石化銷售股份有限公司 吉林分公司,吉林 長春 130000;3.中國石化 茂名石化分公司,廣東 茂名 525011;4.廣東省石油化工腐蝕與安全工程技術研究中心,廣東 茂名 525000)

石油化工過程系統(tǒng)的控制研究一直是新工藝放大應用的關鍵技術,由于全流程動態(tài)行為的復雜性,控制系統(tǒng)的開發(fā)給工程師提出了更大的挑戰(zhàn)。

為了促進新工藝的工業(yè)化應用,保障連續(xù)生產過程中產品質量和收率,探尋與全流程新工藝相匹配的控制技術十分重要[1-3]。復雜網(wǎng)絡分析方法已經成為一種研究過程系統(tǒng)的有力工具,可協(xié)助工程師分析過程數(shù)據(jù)及其相互之間蘊含的復雜關系[4-5]。王政等[6]采用復雜網(wǎng)絡分析方法研究了換熱器的關鍵變量對過程影響的模型開發(fā),通過逼近理想解排序法(TOPSIS)對換熱過程變量進行整理,實現(xiàn)換熱器保護性策略的制定。Cui等[7]基于復雜網(wǎng)絡理論討論了廢水處理工藝中不同變量的重要程度,根據(jù)分析結果建立了全廠控制策略,使用Aspen Dynamics軟件證明了控制系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力。

本文選取乙酸仲丁酯生產新工藝為案例,提出了基于數(shù)據(jù)采集的復雜網(wǎng)絡技術以構建全流程控制系統(tǒng)的研究方法。即在動態(tài)過程中提取不同工況下的模擬數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)標準化處理以生成網(wǎng)絡模型,計算結果可作為指導高度集成構型的控制方案的開發(fā),本研究可為新工藝流程控制系統(tǒng)的開發(fā)提供新思路。

1 全流程工藝案例介紹

醋酸仲丁酯的全流程工藝如圖1所示。

圖1 醋酸仲丁酯的全流程工藝簡圖

本文以反應精餾塔制備乙酸仲丁酯工藝的全流程工藝為案例。原料醋酸和混合C4,進入反應精餾系統(tǒng)得到塔底產品,應產物中包含過量的乙酸,要想獲得純度較高的目標產品,還需在上述流程基礎上增加產品精制工段,完成乙酸仲丁酯生產裝置的全流程模擬。為解決復雜流程的能量集成利用,需要考慮不同操作單元之間的冷熱物流匹配,以實現(xiàn)能量的跨梯級網(wǎng)絡優(yōu)化。

2 復雜網(wǎng)絡分析方法

開發(fā)化工過程運行過程中會產生數(shù)據(jù),當系統(tǒng)發(fā)生改變必然導致數(shù)據(jù)的變化。相反情況下,系統(tǒng)運行實時數(shù)據(jù)的改變也能反映變量之間的關聯(lián)。所以,基于數(shù)據(jù)驅動的復雜網(wǎng)絡建模方法具有其合理性[8-10]。將復雜化工過程產生的數(shù)據(jù)轉化為標準化數(shù)據(jù),實現(xiàn)不同變量的量綱統(tǒng)一,其公式如下:

(1)

(2)

(3)

其中,i=1,2,…m;j=1,2,…n。 同時,m代表采樣數(shù)據(jù)個數(shù),n代表變量種類。然后,使用基于偏相關系系數(shù)法描述變量之間的聯(lián)系,在此之前需要求解相關系數(shù)ξ,即變量x和變量y相關系數(shù)公式,其表達形式如下:

(4)

其中,xj和yj是變量對應的第j個值,x和y表示平均值,然后可得到相關性矩陣Г。

(5)

復雜系統(tǒng)往往包括大量變量,且變量之間會相互影響,相互制約。本文利用偏相關系數(shù)來減輕這種影響,首先對相關性矩陣求逆。

(6)

任意兩個變量之間的偏相關性系數(shù)定義為:

(7)

構建偏相關性系數(shù)矩陣Ω為:

(8)

本文利用基于動態(tài)數(shù)據(jù)獲取的偏相關性系數(shù)矩陣可以在UCINET軟件中構建網(wǎng)絡拓撲模型,然后從網(wǎng)絡拓撲結構出發(fā),計算每個節(jié)點的中心性特征,以定量描述網(wǎng)絡的節(jié)點對應的被控變量重要性指數(shù)。

3 結果與討論

3.1 復雜網(wǎng)絡的構建

根據(jù)圖1的工藝流程選取過程變量,結果如表1所示。在動態(tài)模擬環(huán)境下,對各個變量輸入階躍變化,以提取系統(tǒng)不同工況下的實時數(shù)據(jù)。然后,基于實時數(shù)據(jù),采用上述提出的計算公式可以獲取偏相關性系數(shù)矩陣。

表1 全流程工藝的被控變量

根據(jù)變量間的偏相關性系數(shù)矩陣生成全連接的有向網(wǎng)絡,但由于復雜系統(tǒng)變量較多,有向網(wǎng)絡非常龐大,可依據(jù)偏相關系數(shù)的大小將網(wǎng)絡進行簡化,對于較小的數(shù)值,判定其兩端的節(jié)點間無連接。在不同情況下,偏相關系數(shù)的閾值設定是不同的,需要根據(jù)計算結果具體分析。本文閾值設定為0.4,生成的有向網(wǎng)絡關聯(lián)矩陣和模型如圖2所示。通過觀察可以定性判斷不同變量之間的交互關系,但要找到關鍵變量還需要進一步完成定量計算。

圖2 復雜網(wǎng)格拓撲模型

3.2 計算結果分析

根據(jù)拓撲模型計算評價的每個節(jié)點與最優(yōu)解、最劣解的距離來進行排序。變量重要性排序如表2所示。從表中可以看出,變量F3和T6的重要性指數(shù)較高,即反應分隔壁精餾塔內耦合物流液相回流量和ADC塔內第20塊板溫度是全流程中的關鍵變量。因此,我們認為關鍵變量F3和T2是系統(tǒng)控制穩(wěn)定性的決定變量,在制定控制系統(tǒng)時圍繞這兩個變量進行設計,開發(fā)一些復雜控制結構,將有助于全流程動態(tài)性能,包括超調量、調節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)誤差,可為尋找最佳控制方案提供數(shù)據(jù)支撐。

表2 不同被控變量重要性指數(shù)的計算結果

3.3 過程動態(tài)控制

3.3.1 基礎控制方案

通過圖1穩(wěn)態(tài)模擬流程中添加必要的閥門、機泵和壓縮機等元件,實現(xiàn)物流的壓力驅動,然后將穩(wěn)態(tài)模型輸出為動態(tài)過程,并設置相關控制器。設置基礎控制回路的詳細說明如下:

1)ADC塔底采出的循環(huán)乙酸與新鮮乙酸混合流入進料緩沖罐,利用控制器LC1(反向作用)控制緩沖罐內的物料液位,同時使用溫度控制器TC6(反向作用)確保乙酸進料溫度維持在80 ℃左右;

2)通過兩個液位控制器LC7(正向作用)和LC10(正向作用)分別調節(jié)ACD和SRC塔的塔釜液位;

3)利用兩個壓力控制器PC6(正向作用)和PC8(正向作用)分別調節(jié)ACD和SRC塔的頂部壓力;

4)通過操作塔底再沸器負荷,溫度控制器TC7(反向作用)和TC9(反向作用)分別被用于調節(jié)ADC塔內第20塊靈敏板溫度和SRC塔內第19塊靈敏板溫度;

5)通過調節(jié)冷公用工程用量,溫度控制器TC8(反向作用)和TC10(反向作用)分別用于調整ACD和SRC塔的采出物流溫度;

6)采用控制器LC8(反向作用)調節(jié)ADC塔頂分相器的水相液位,并使用控制器FC4(反向作用)固定ADC塔頂回流夾帶劑流量;

7)利用油相采出量,控制器LC9(正向作用)調節(jié)ADC塔頂分相器的油相液位;

8)ADC塔頂含有極少量不凝氣,通過控制器PC7(正向作用)調節(jié)分相器的操作壓力;

9)兩個液位控制器LC11(正向作用)和LC12(正向作用)分別被用于調節(jié)SRC塔頂分相器的水相液位和油相液位。

將C4混合物的進料流量與其組成中的正丁烷含量作為考察系統(tǒng)動態(tài)性能的干擾變量。系統(tǒng)在閉環(huán)運行1 h后,分別引入進料流量和進料組分擾動,以系統(tǒng)中濃度和溫度的變化作為觀察變量,響應時間為10 h。當添加±10%進料流量擾動后,乙酸純度在經過6 h調節(jié)后可為恢復穩(wěn)定,調節(jié)時間較長,并且存在較大的穩(wěn)態(tài)誤差。在面對進料減少時,產品純度小于99.5%(質量分數(shù)),不符合設計規(guī)格要求。觀察乙酸仲丁酯濃度變化,其響應曲線在穩(wěn)態(tài)誤差、超調量和調節(jié)時間方面都表現(xiàn)較好,最小產品純度滿足要求值0.998。觀察溫度變化曲線,響應曲線的最大超調量大于1 ℃,系統(tǒng)振蕩頻率較小,但超調量較大。REA塔內第8塊靈敏板溫度和REC塔內第20塊靈敏板溫度有很小的穩(wěn)態(tài)誤差,其值小于0.2 ℃,基本滿足準確性要求;ADC塔和SRC塔的靈敏板溫度消除了穩(wěn)態(tài)誤差,并在6 h后可以返回至設定值。

當系統(tǒng)添加進料組分干擾時,乙酸產品純度仍然存在穩(wěn)態(tài)誤差,其值約為0.1%(質量分數(shù)),但產品濃度的最小值約等于要求值,基本符合設計規(guī)格。乙酸仲丁酯產品純度的響應曲線在4 h后可以恢復穩(wěn)定,穩(wěn)態(tài)誤差幾乎被消除,動態(tài)性能較好。觀察溫度響應曲線,在前3 h的考察時段內有較大波動,最大超調量小于1 ℃。同流量擾動表現(xiàn)出的動態(tài)變化相類似,REA塔和REC塔內靈敏板溫度存在穩(wěn)態(tài)誤差,而ADC塔和SRC塔的靈敏板溫度可以消除穩(wěn)態(tài)誤差,這與兩部分工藝過程的變量間耦合程度相關。綜上所示,系統(tǒng)在面對不同進料擾動時表現(xiàn)出的控制效果整體較好,但響應曲線存在較大的穩(wěn)態(tài)誤差,為了改善系統(tǒng)性能,可考慮進一步升級控制結構。

3.3.2 改進控制方案

從復雜網(wǎng)絡分析結果可以看出,反應分隔壁精餾塔內耦合物流液相回流量(F3)和ADC塔內第20塊板溫度(T6)是全流程中的關鍵變量?；谶@兩個關鍵變量進行控制系統(tǒng)改進將有助于降低進料擾動的放大與傳播,對消除穩(wěn)態(tài)誤差,改善系統(tǒng)動態(tài)性能有較大幫助。

針對塔內耦合物流液相回流量,可采用塔返回耦合物流流量與REC塔內耦合物流位置的總流量成比例控制結構。而為改善ADC塔內第20塊板溫度控制效果,采用濃度-溫度串級控制策略,即以ADC塔底采出物流中乙酸的濃度作為輸入的校正值,調節(jié)溫度控制器TC7的操作幅度,并將溫度控制調至串聯(lián)狀態(tài)。根據(jù)基礎控制方案的動態(tài)響應可以發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)在面對進料干擾時,ADC塔底濃度變化較大?？紤]采用ADC塔進料與回流量成比例的控制策略,提升共沸精餾過程的分離效果。

系統(tǒng)改造后引入擾動變量,進料流量變化時系統(tǒng)動態(tài)性能得到顯著改善,在考察時間5 h以后,兩種目標純度的響應曲線逐漸恢復平穩(wěn)。值得注意的是,乙酸產品純度變化曲線消除了穩(wěn)態(tài)誤差,在10 h的考察時間內可以恢復到設定值。同時,乙酸仲丁酯產品純度的最小值大于0.998,符合設計規(guī)格要求。觀察控制系統(tǒng)的靈敏板溫度變化情況,響應曲線同樣經過5 h以后逐漸向設定值靠近,響應曲線的最大超調量小于1 ℃,表明在面對進料擾動時,控制結構具有較好的穩(wěn)定性。同樣,REA塔內第8塊靈敏板溫度和REC塔內第20塊靈敏板溫度有很小的穩(wěn)態(tài)誤差,其值小于0.2 ℃,基本滿足準確性要求。相較于基礎控制方案,ADC塔內第20塊靈敏板的溫度響應曲線出現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)誤差,這與濃度-溫度串級控制結構有關,利用ADC塔底乙酸的濃度調整再沸器熱負荷,有效改善了產品純度的限制。SRC塔的靈敏板溫度消除了穩(wěn)態(tài)誤差,并且在調節(jié)時間和超調量方面也比較理想。

當引入進料組分擾動時,乙酸產品純度的響應曲線得到明顯改善,在4 h調節(jié)時間過后,濃度曲線可以返回至設定值,消除了穩(wěn)態(tài)誤差。觀察乙酸仲丁酯的產品濃度變化,動態(tài)響應結果在穩(wěn)態(tài)誤差、超調量和調節(jié)時間方面都表現(xiàn)較好,符合設計規(guī)格要求。觀察溫度響應曲線,最大超調量仍然小于1 ℃,且沒有明顯的波動,表明系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。除了SRC塔內第19塊靈敏板溫度以外,其余三個溫度響應曲線均存在穩(wěn)態(tài)誤差,其數(shù)值較小,并在一定可控范圍內變化。相比于基礎方案,改進方案在穩(wěn)態(tài)誤差和超調量方面得到了顯著改善,可以作為生產乙酸仲丁酯全流程工藝的優(yōu)選控制策略。

4 結論

本文利用動態(tài)過程實時數(shù)據(jù),在UCINET軟件中構建有向網(wǎng)絡關聯(lián)模型,以定量描述網(wǎng)絡的節(jié)點對應的被控變量重要性指數(shù)。結果表明,新工藝流程內耦合物流液相回流量(F3)和ADC塔內第20塊板溫度(T2)是全流程中的關鍵被控變量。根據(jù)復雜網(wǎng)絡分析結果,可構建關鍵變量控制系統(tǒng),為探尋最佳控制策略提供了一種有效分析方法。