基于溫度波模型預(yù)測控制的內(nèi)部熱耦合精餾控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于精餾節(jié)能過程中的非線性控制領(lǐng)域,具體地說,涉及一種基于溫度波 模型預(yù)測控制的內(nèi)部熱耦合精餾控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 精餾過程能耗占國民經(jīng)濟(jì)總能耗的20%,占石油化工行業(yè)的67%,是石油、化工、 冶金、煤化等行業(yè)廣泛使用的單元操作,與我國國民經(jīng)濟(jì)的諸多支柱產(chǎn)業(yè)息息相關(guān)。然而, 精餾過程能源利用率極低,僅為5% -10%,嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
[0003]內(nèi)部熱耦合精餾技術(shù)充分利用精餾段與提餾段之間的熱交換,比常規(guī)精餾節(jié)能 30%以上。然而,內(nèi)部熱耦合精餾過程的熱耦合導(dǎo)致該過程具有顯著的非線性動態(tài)特性,使 得該塔的控制策略設(shè)計顯得尤為困難。傳統(tǒng)的PID控制方案等已經(jīng)不能滿足要求,在內(nèi)部 熱耦合精餾塔的過程控制當(dāng)中,這些方案已經(jīng)很難使精餾過程穩(wěn)定。而基于線性辨識模型 的控制方案只能工作在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近,稍微增大干擾幅度,或者設(shè)定值階躍變化,系統(tǒng)控 制質(zhì)量則出現(xiàn)明顯下降。因此,基于內(nèi)部熱耦合精餾塔的非線性特性,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)內(nèi) 部熱耦合精餾塔高效節(jié)能過程有效的的非線性控制方案,是提高內(nèi)部熱耦合精餾過程的產(chǎn) 品品質(zhì)的保障,已經(jīng)成為一項(xiàng)關(guān)鍵的精餾節(jié)能技術(shù),具有十分重要的意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有內(nèi)部熱耦合精餾的控制裝置存在的在線運(yùn)行效率低下、抑制干擾 能力差、控制效果差、對噪聲敏感度低等上述不足,提供了一種基于溫度波模型預(yù)測控制的 內(nèi)部熱耦合精餾控制裝置,該控制裝置能夠?qū)崿F(xiàn)精確迅速的設(shè)定值跟蹤,具有在線運(yùn)行速 度快,抗噪聲能力強(qiáng)、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于溫度波模型預(yù)測控制的內(nèi)部熱耦合精餾控制裝 置,包括內(nèi)部熱耦合精餾塔、智能儀表、控制站、數(shù)據(jù)存儲裝置及上位機(jī),所述智能儀表與所 述內(nèi)部熱耦合精餾塔連接,用于進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;所述控制站與所述內(nèi)部熱耦合精餾塔連接, 用于實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部熱耦合精餾塔的控制;所述數(shù)據(jù)存儲裝置與所述智能儀表和所述控制站連 接,用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲;所述上位機(jī)與所述數(shù)據(jù)存儲裝置和所述控制站連接,用于實(shí)現(xiàn)控制 參數(shù)的求解,所述上位機(jī)包括用于觀測濃度及濃度梯度的濃度梯度描述模塊、用于觀測溫 度梯度的溫度梯度描述模塊、用于觀測溫度波靜態(tài)的溫度波靜態(tài)描述模塊、用于觀測溫度 波動態(tài)的溫度波動態(tài)描述模塊、用于實(shí)現(xiàn)設(shè)定值轉(zhuǎn)換的設(shè)定值轉(zhuǎn)換模塊及用于求解控制參 數(shù)的控制參數(shù)求解模塊;其中,
[0006] ( -)所述濃度梯度描述模塊觀測濃度及濃度梯度的步驟為:通過智能儀表中的 溫度檢測元件、壓力檢測元件、流量檢測元件采集相應(yīng)的溫度、壓力、流量參數(shù),傳輸至數(shù)據(jù) 存儲裝置,再由數(shù)據(jù)存儲裝置傳輸至所述濃度梯度描述模塊,通過所述濃度梯度描述模塊 確定出濃度梯度與進(jìn)料熱狀況之間的關(guān)系,所述濃度梯度描述模塊包括各塔板的濃度觀測 和各塔板的濃度梯度觀測兩部分;
[0007] 1)各塔板的濃度觀測,根據(jù)公式(1)、⑵獲得各塔板當(dāng)前時刻的濃度值,并將結(jié) 果傳輸至數(shù)據(jù)存儲裝置,公式(1)、(2)的表達(dá)式如下:
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于溫度波模型預(yù)測控制的內(nèi)部熱耦合精餾控制裝置,其特征在于:包括內(nèi)部 熱耦合精餾塔、智能儀表、控制站、數(shù)據(jù)存儲裝置及上位機(jī),所述智能儀表與所述內(nèi)部熱耦 合精餾塔連接,用于進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;所述控制站與所述內(nèi)部熱耦合精餾塔連接,用于實(shí)現(xiàn)對 內(nèi)部熱耦合精餾塔的控制;所述數(shù)據(jù)存儲裝置與所述智能儀表和所述控制站連接,用于實(shí) 現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲;所述上位機(jī)與所述數(shù)據(jù)存儲裝置和所述控制站連接,用于實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的求 解,所述上位機(jī)包括用于觀測濃度及濃度梯度的濃度梯度描述模塊、用于觀測溫度梯度的 溫度梯度描述模塊、用于觀測溫度波靜態(tài)的溫度波靜態(tài)描述模塊、用于觀測溫度波動態(tài)的 溫度波動態(tài)描述模塊、用于實(shí)現(xiàn)設(shè)定值轉(zhuǎn)換的設(shè)定值轉(zhuǎn)換模塊及用于求解控制參數(shù)的控制 參數(shù)求解模塊;其中, (一)所述濃度梯度描述模塊觀測濃度及濃度梯度的步驟為:通過智能儀表中的溫度 檢測元件、壓力檢測元件、流量檢測元件采集相應(yīng)的溫度、壓力、流量參數(shù),傳輸至數(shù)據(jù)存儲 裝置,再由數(shù)據(jù)存儲裝置傳輸至所述濃度梯度描述模塊,通過所述濃度梯度描述模塊確定 出濃度梯度與進(jìn)料熱狀況之間的關(guān)系,所述濃度梯度描述模塊包括各塔板的濃度觀測和各 塔板的濃度梯度觀測兩部分; 1) 各塔板的濃度觀測,根據(jù)公式(1)、⑵獲得各塔板當(dāng)前時刻的濃度值,并將結(jié)果傳 輸至數(shù)據(jù)存儲裝置,公式(1)、(2)的表達(dá)式如下:
式中,t為當(dāng)前采樣時刻,已⑴為t采樣時刻的精餾段壓強(qiáng)、Ps(t)為t采樣 時刻的提餾段壓強(qiáng),?α)為t采樣時刻第i塊塔板的溫度,i表示塔板編號α = 1,2, · · ·,f,f+1,· · ·,n,1為塔頂編號,f為進(jìn)料板編號,η為塔底編號),Pr (t)、PS (t)及Ti (t) 可由智能儀表測得,α為相對揮發(fā)度,a、b、c為安東尼常數(shù),Xi (t)為t采樣時刻第i塊板 塔的液相輕組分的濃度測量值; 2) 各塔板的濃度梯度觀測,根據(jù)公式(3)、(4)、(5)、(6)獲得各塔板當(dāng)前時刻的濃度 梯度與進(jìn)料熱狀況之間的關(guān)系,并將結(jié)果傳輸至溫度梯度描述模塊,公式(3)、(4)、(5)、(6) 的表達(dá)式如下:
式中,H為持液量,Vi (t)為t采樣時刻第i塊板塔的氣相流率,Li (t)為t采樣時刻第 i塊板塔的液相流率,Xi (t)為t采樣時刻第i塊板塔的液相輕組分的濃度測量值,Yi (t)為 t采樣時刻第i塊板塔的氣相輕組分濃度,^^為t采樣時刻第i塊板塔的液相輕組分 dt 的濃度梯度值,i表示塔板編號(i = 1,2,. . .,f,f+1,. . .,n,1為塔頂編號,f為進(jìn)料板編 號,η為塔底編號),F(xiàn) (t)為t采樣時刻的進(jìn)料流量,Zf (t)為t采樣時刻的進(jìn)料組分;Yi (t) 由公式(7)得到,公式(7)的表達(dá)式如下: YiU) = aXi(t)/[(a-l)Xi(t)+l]i = I, 2, . . . , f, f+1, . . . , η (7) 式中,a為相對揮發(fā)度,i表示塔板編號(i = 1,2, . . .,f,f+1,. . .,η,1為塔頂編號,f 為進(jìn)料板編號,η為塔底編號),Xi (t)為t采樣時刻第i塊板塔的液相輕組分的濃度測量 值; 所述氣液相流率由公式(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(14)得到,公式(8)、(9)、 (10)、(11)、(12)、(13)、(14)的表達(dá)式如下: 戶
QiU) = UAX (TiU)-Τ?+Μα)), i = (14) 式中,i表示塔板編號,f為進(jìn)料板編號,Qi (t)為t采樣時刻第i塊塔板上的熱耦合量, UA為傳熱速率,λ為汽化潛熱,q(t)為t采樣時刻的進(jìn)料熱狀況,其中,q(t)為所述控制 裝置下一時刻的兩個控制參數(shù)之一; 通過公式(3) - (14),建立濃度梯度與進(jìn)料熱狀況之間的關(guān)系,濃度梯度與進(jìn)料熱狀況 之間的關(guān)系由公式(15)簡化表示,公式(15)的表達(dá)式如下:
式中,i表示塔板編號(1為塔頂編號,η為塔底編號),Α表示由公式(3)-(14)得到的 結(jié)構(gòu)已知的非線性函數(shù)關(guān)系; (二)所述溫度梯度描述模塊觀測溫度梯度的步驟為:通過數(shù)據(jù)存儲裝置提取智能儀 表中的溫度檢測元件、壓力檢測元件收集的溫度、壓力參數(shù),以及所述濃度梯度描述模塊得 到的濃度梯度信息,通過所述溫度梯度