本发明专利技术涉及精馏塔控制与优化方法。其特征是根据物料平衡关系和组分平衡关系对精馏塔进行控制，使用代理模型对精馏塔实现优化。根据精馏原理和精馏塔的物料平衡和组分平衡关系，采用塔顶轻产品和塔底重产品抽出比率（以下简称为轻重产品比率）作为主要被控变量，通过调节回流量和再沸器热负荷，控制轻重产品比率、温度、回流比达到平稳操作。通过流程模拟软件，实现对实际过程的仿真，并训练神经网络模型作为过程优化的代理模型。利用原料及产品的化验数据，使用代理模型进行操作优化，达到产品的卡边优化，在保证产品质量合格的前提下，增加高价值产品的收率，并实现装置的节能降耗。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及精馏塔的自动控制与优化方法，属于化工精馏塔和生产过程自动控制领域。
技术介绍
在石油炼制、化工过程中，几乎每个装置都涉及到了液-液分离过程，精馏塔是实现互溶物液-液分离的主要过程单元。精馏塔根据产品数目和分离精度不同，可以分为两类一类称为分馏塔，目的是将组成非常复杂的如石油等原料按馏程分割成多个产品，因此除塔顶、塔底外存在多个产品侧线，如常减压装置常压蒸馏塔、催化裂化装置主分馏塔等等，其产品质量的主要衡量指标为馏程及类似参数；另一类是精馏塔，目的是将组成相对简单的原料中的各个主要组分分离，分离的精细程度视生产需要决定。每个精馏塔只有塔顶、塔底两个产品，每个组分只能主要存在于塔顶或者塔底产品中，如气分装置丙烯精馏塔、苯乙烯装置苯乙烯精馏塔等等，产品质量的主要衡量指标为杂质的含量。要将液-液混合物中的N类主要组分分离，则至少需要N-1个精馏塔。精馏塔是根据精馏原理设计的过程装置。精馏塔的塔板自上而下温度逐渐升高，原料从中部进入精馏塔后，在各层塔板上进行闪蒸，实现分离目的。塔顶溢出的气相物质经冷凝后部分作为塔顶产品出装置，部分作为回流用作调控手段。塔底抽出的液相物质经再沸器加热后，汽化部分返塔作为主要热源，液相部分作为塔底产品出装置。合理地设计回流比，获得足够的分离精度；调控塔顶塔底温度，使得塔顶塔底产品杂质含量都符合标准。由于精馏塔应用的广泛性，对精馏塔的控制与优化就具有十分重要的意义。通过对精馏塔的控制与优化，使得装置操作平稳，提高产品合格率，减少高价值产品到低价值产品中的流失，同时节能降耗，减少再沸器的热负荷。因此，对精馏塔的控制与优化就具有较高的经济效益。现有的精馏塔产品质量控制方案几乎均采用了基于产品质量软测量的方式。如乙烯装置中丙烯精馏塔的智能控制方法(专利号02111034)，乙烯装置中乙烯精馏塔的智能控制方法(专利号02148476)等。通过建立精馏塔的产品质量软测量模型，利用精馏塔的温度、压力、流量等过程实时数据，在线实时计算产品质量，在此基础上实现控制与优化。这种软测量建模实现分馏塔切割点计算是可行的，但难以达到精馏塔的要求，因为软测量模型输入变量如流量检测的精度低，输出变量为杂质浓度，数量级通常在千分之几到万分之几，且常为一位有效数字，截断误差大。同时，由于精馏的需要，一般塔板数都比较多，另外为提高塔板的分离效率，其回流罐和塔板积蓄量与处理量之比相对较大。这就造成了精馏塔的动态特性具有大延迟、大时间常数的特点。当操作条件发生变化时，产品质量发生变化并达到稳定的时间相当长，超出了预测控制的接受程度。这也不利于基于产品质量软测量的控制方案。根据实际精馏塔的操作过程分析和基于流程模拟软件的仿真研究发现当精馏塔的操作条件变化，产品质量发生变化并达到稳定的时间相当长，但塔顶轻产品和塔底重产品抽出比率会产生较快的明显变化，并经常发生振荡，它是引起塔的操作不稳的主要原因。塔顶轻产品和塔底重产品抽出比率偏离满足产品质量指标所需要的物料平衡关系和组分平衡关系是影响塔的产品质量的主要影响因素，并且对于精馏塔这样具有大滞后的过程，影响持续时间很长，也就是说当前的干扰对产品质量的影响会在较长时间以后才会显现出来，这时再进行调节就为时已晚了。因此，能够在塔顶、塔底操作条件变化(如塔顶空冷机组启停、气候变化引起的回流温度变化，塔底蒸汽温度变化等)和进料条件变化(如进料流量、进料温度等变化)引起轻重产品比率时，保持其它稳定不变，将能够克服进一步引起产品质量变化的扰动因素，维持塔的产品质量平稳，这样就能等到新的时刻塔的产品质量化验数据到来，进行新一轮的优化和产品质量的细调。对于进料组分变化的干扰，当包括进料组分的化验数据到达时，在此时的优化和产品质量细调时给予补偿，这主要可以由前馈补偿来实现。
技术实现思路
本专利技术的目的提出一种新型的精馏塔控制与优化方法。根据精馏原理和精馏塔的物料平衡关系及组分平衡关系，采用轻重产品比率作为主要被控变量，通过调节回流量和再沸器热负荷，控制轻重产品比率、温度、回流比达到平稳操作。通过流程模拟软件或任何其它精馏塔的机理数学模型，实现对实际过程的仿真，并训练神经网络模型作为过程优化的代理模型。利用原料及产品的化验数据，使用代理模型进行操作优化，达到产品的卡边优化，在保证产品质量合格的前提下，增加高价值产品的收率，并实现装置的节能降耗。本专利技术的特征在于该方法依次含有以下离线训练和在线实施2个阶段离线训练阶段含有以下步骤步骤A1使用HYSYS流程模拟软件模拟实际的精馏塔，并根据此模拟软件产生的过程数据和产品质量数据建立优化代理神经网络模型；此步骤依次按以下子步骤进行步骤A1.1使用HYSYS流程模拟软件模拟精馏塔，并根据通过集散控制系统采集到的现场实际数据对模型参数进行调整，以获得与实际接近的模拟结果；步骤A1.2对上述流程模拟软件产生的过程数据和产品质量数据样本按下式进行标准化处理xo＝(x-mx)/σx，其中x为原始数据，xo为对应的标准化数据；mx、σx分别表示该数据样本的算术平均值和标准差；所述数据样本是通过以下步骤得到的改变操作条件，获得不同工况下的过程数据和产品质量数据，从而得到的多组数据；步骤A1.3根据步骤A1.2得到的多组数据样本建立最终的神经网络模型，该模型是多个神经网络中最终训练误差和预测误差均为最小的一个模型Ctopo=NNtop((D/B)o,Ttopo,Tboto,(R/F)o,(Q/F)o),]]>Cboto=NNbot((D/B)o,Ttopo,Tboto,(R/F)o,(R/F)o),]]>其中NNtop、NNbot表示神经网络模型，实际为5×10×1的RBF网络；步骤A2对实际精馏塔进行测试建模，建立回流量、再沸器热负荷与塔顶产品流量、塔底产品流量、塔顶温度、塔底温度的下述阶跃响应模型DcBcTtopTbot=f(G,RQ),]]>其中f为卷积运算；G为测试建模所建立的阶跃响应模型；在线实施阶段包含以下步骤步骤B1上位机初始化设置定时器周期；塔顶产品杂质分率Ctop的权重值WCtop；塔底产品杂质分率Cbot的权重值WCbot；热负荷量Q的权重值wQ；实际轻重产品比率超限量Δη的权重值wΔη；塔顶温度超限量ΔTtop的权重值wΔTtop；塔底温度超限量ΔTbot的权重值wΔTbot；回流比超限量Δr的权重值wΔr；使适应度函数J为正数而设定的常数Const；步骤B2判断控制时刻到否若控制时刻到，则执行下一步否则，等待；步骤B3上位机经OPC通讯接口通过集散控制系统采集以下的精馏塔现场数据且存入实时数据库塔顶产品量D、塔底产品量B、塔顶温度Ttop、塔底温度Tbot、回流量R、热负荷量Q以及进料量F；同时按下式计算液位动态补偿后的塔顶、塔底产品流量，以避免因塔顶、塔底液位波动而产生的产品积蓄变化而导致的产品流量测量偏差Dc＝D+(htop(Ltop，now)-htop(Ltop，old))/t， Bc＝B+(hbot(Lbo，now)-hbot(Lbot，old))/t，其中htop、hbot为基于容器数学模型的将液位转换为质量积蓄量的函数；Ltop，new、Ltop，old分别为当前和一段时间之前的塔顶回流罐液位检本文档来自技高网...
【技术保护点】
精馏塔的一种自动控制和优化方法，其特征在于该方法依次含有以下离线训练和在线实施２个阶段：离线训练阶段含有以下步骤：步骤Ａ１：使用ＨＹＳＹＳ流程模拟软件模拟实际的精馏塔，并根据此模拟软件产生的过程数据和产品质量数据建立优化代理 神经网络模型；此步骤依次按以下子步骤进行：步骤Ａ１．１：使用ＨＹＳＹＳ流程模拟软件模拟精馏塔，并根据通过集散控制系统采集到的现场实际数据对模型参数进行调整，以获得与实际接近的模拟结果； 步骤Ａ１．２：对上述流程模拟软件产生的 过程数据和产品质量数据样本按下式进行标准化处理：ｘ↑［ｏ］＝（ｘ－ｍ↓［ｘ］）／σ↓［ｘ］，其中ｘ为原始数据，ｘ↑［ｏ］为对应的标准化数据；ｍ↓［ｘ］、σ↓［ｘ］分别表示该数据样本的算术平均值和标准差；所述数 据样本是通过以下步骤得到的：改变操作条件，获得不同工况下的过程数据和产品质量数据，从而得到的多组数据；步骤Ａ１．３：根据步骤Ａ１．２得到的多组数据样本建立最终的神经网络模型，该模型是多个神经网络中最终训练误差和预测误差均为最小的一个 模型；Ｃ↓［ｔｏｐ］↑［ｏ］＝ＮＮ↓［ｔｏｐ］（（Ｄ／Ｂ）↑［ｏ］，Ｔ↓［ｔｏｐ］↑［ｏ］，Ｔ↓［ｂｏｔ］↑［ｏ］，（Ｒ／Ｆ）↑［ｏ］，（Ｑ／Ｆ）↑［ｏ］），Ｃ↓［ｂｏｔ］↑［ｏ］＝ＮＮ↓［ｂｏｔ］（（Ｄ／Ｂ）↑［ｏ］，Ｔ↓ ［ｔｏｐ］↑［ｏ］，Ｔ↓［ｂｏｔ］↑［ｏ］，（Ｒ／Ｆ）↑［ｏ］，（Ｑ／Ｆ）↑［ｏ］），其中ＮＮ↓［ｔｏｐ］、ＮＮ↓［ｂｏｔ］表示神经网络模型，实际为５×１０×１的ＲＢＦ网络；步骤Ａ２：对实际精馏塔进行测试建模，建立回流量、再 沸器热负荷与塔顶产品流量、塔底产品流量、塔顶温度、塔底温度的下述阶跃响应模型：＊＊＊其中ｆ为卷积运算；Ｇ为测试建模所建立的阶跃响应模型；在线实施阶段包含以下步骤：步骤Ｂ１：上位机初始化：设置： 定时器周期；塔顶产品杂质分率Ｃ↓［ｔｏｐ］的权重值ｗ↓［Ｃｔｏｐ］；塔底产品杂质分率Ｃ↓［ｂｏｔ］的权重值ｗ↓［Ｃｂｏｔ］；热负荷量Ｑ的权重值ｗ↓［Ｑ］；实际轻重产品比率超限量Δη的权重值ｗ↓［Δη］； 塔顶温度超限量ΔＴ↓［ｔｏｐ］的权重值ｗ↓［ΔＴｔｏｐ］；塔底温度超限量ΔＴ↓［ｂｏｔ］的权重值ｗ↓［ΔＴｂｏｔ］；回流比超...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄德先，吕文祥，王宇红，金以慧，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。