丙烯精餾塔的在線優(yōu)化及應(yīng)用

魏奇業(yè) 魏毓良

(吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022)

在線優(yōu)化就是根據(jù)生產(chǎn)過程的穩(wěn)態(tài)實時測量數(shù)據(jù)，首先利用數(shù)據(jù)校正技術(shù)，使模型與裝置相匹配，然后根據(jù)目標函數(shù)的要求，求解出決策變量的最優(yōu)操作條件，用于指導(dǎo)生產(chǎn)。在線優(yōu)化技術(shù)綜合了計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和過程優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)校正、過程模擬、優(yōu)化計算和自動控制的一體化[1]。

由于嚴格工藝模型的在線優(yōu)化系統(tǒng)ROMeo具有與PRO/II一致的嚴格熱力學(xué)方法和單元過程模型，可采用基于方程的開放式求解算法，是集建模、模擬、數(shù)據(jù)校正、優(yōu)化和性能監(jiān)測功能于同一人機交互界面環(huán)境中的集成應(yīng)用環(huán)境，因此只需要建立一個模型就可以進行模擬、數(shù)據(jù)校正和優(yōu)化，便于使用，易于維護[2,3]。

1 丙烯精餾塔優(yōu)化模型的建立①

1.1 問題描述

圖1為丙烯精餾塔的流程簡圖。丙烯精餾塔(T5511)的原料來自汽提塔(T5301)，回流共有兩股，一股來自塔頂凝液，由FIC55511控制；另一股來自另一丙烯精餾塔(T5501)側(cè)線采出的化學(xué)級丙烯，由FIC55502控制，T5501、T5511兩塔分別生產(chǎn)聚合和化學(xué)級丙烯。T5511塔頂采用循環(huán)水冷卻，冷凝后的液態(tài)丙烯送入丙烯精餾塔回流罐(D5511)，回流經(jīng)流量FIC55511控制返回T5511。產(chǎn)品化學(xué)級丙烯經(jīng)流量FFIC5503調(diào)節(jié)送出界區(qū)。再沸器(E5511)的熱量由入塔C3流量和產(chǎn)品化學(xué)級丙烯產(chǎn)量控制，T5511塔底丙烷經(jīng)流量FV55505控制返回裂解爐。T5511的分離要求為：化學(xué)級丙烯產(chǎn)品中丙烯摩爾分率不小于96%，塔釜中丙烯摩爾分率不大于10%。精餾塔共有90塊實際板，塔板序號按工藝包由下至上編號，進料位置為73塊板。在優(yōu)化時假定塔釜丙烷價格為每噸3 000元、化學(xué)級丙烯價格為每噸5 000元、1kW塔釜熱負荷價格為每噸0.1元。

1.2 丙烯精餾塔模擬模型

根據(jù)之前提供的條件，在ROMeo中建立了如圖2所示的模擬模型。

假定精餾塔板效(或每塊板的級數(shù)，Stages per Tray)為90%，塔頂冷凝器溫度為泡點，為了簡化模型，T5511_REF_MX兼具混合器和泵的功能?？蛻艋KT5511_REB_CU用來規(guī)定再沸器循環(huán)量，在ROMeo中，原料和產(chǎn)品需要用SOURCE和SINK連接。設(shè)定條件并在模擬模式運行后，計算結(jié)果作為后續(xù)模型的初值。

1.3 丙烯精餾塔數(shù)據(jù)校正模型

在模擬模型中添加儀表，形成如圖3所示的數(shù)據(jù)校正模型。為了讀取實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，儀表位號的名稱與實時數(shù)據(jù)庫對應(yīng)。數(shù)據(jù)校正模型中的客戶化模塊T5511_DP_CU利用測量得到的塔壓降計算全塔壓力分布。

圖1 丙烯精餾塔流程簡圖

圖2 模擬模型

儀表類型和量程會對儀表的標準差產(chǎn)生影響，從而影響到數(shù)據(jù)校正的結(jié)果，需要根據(jù)儀表情況進行設(shè)置。對于測量儀表失靈造成的過失誤差，可以通過設(shè)置篩選條件進行剔除或修正。塔壓降應(yīng)為正值，而現(xiàn)場實際測量所得的壓降為-1 854.8Pa，因此在篩選條件中規(guī)定塔壓降最小值為0，當測量值小于該值時認為是壞值，對于壞值，用插入值代替測量值，插入值設(shè)定為35kPa。

儀表設(shè)置完成后，將某一工況下的裝置操作數(shù)據(jù)(實時數(shù)據(jù)庫儀表數(shù)據(jù))添加到儀表中，操作數(shù)據(jù)的添加既可以以手工方式輸入，也可以通過外部數(shù)據(jù)接口自動輸入。數(shù)據(jù)添加完成后，將模型轉(zhuǎn)入到數(shù)據(jù)校正模式運行，第一次運行結(jié)束后，數(shù)據(jù)校正目標值由1 397.090 00變?yōu)?.737 81，說明數(shù)據(jù)校正后的模型與實際裝置匹配得更好。

圖3 數(shù)據(jù)校正模型

精餾塔的板效對模擬結(jié)果有較大影響，前面已經(jīng)將精餾塔板效設(shè)為90%，但在實際生產(chǎn)中板效并不是固定的，需要根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對假設(shè)的精餾塔板效進行實時修正。ROMeo的Tuning Parameter模塊類似于軟儀表，一方面可以獲得裝置難以直接測量的參數(shù)，另一方面也可以使模型與裝置的匹配性更好。為精餾塔提餾段默佛里效率添加Tuning Parameter模塊，可以實時更新精餾塔的分離效果，使模型與過程契合得更好。在數(shù)據(jù)校正模式下通過Tuning Parameter模塊獲得的精餾塔提餾段默佛里效率為85%，此時數(shù)據(jù)校正目標值由9.737 81變?yōu)?.815 73，說明對板效進行修正后，模型與裝置的匹配性得到進一步改善。預(yù)先對板效(每塊板的級數(shù))進行設(shè)置可以減少模型中方程組的個數(shù)，從而減少模型占用內(nèi)存量，提高求解速度。

通過多次在數(shù)據(jù)校正模式的運行和不斷更新模型初值和調(diào)節(jié)參數(shù)的公稱值，當數(shù)據(jù)校正目標值小于某值或不再顯著變化時，就可以認為在目前的儀表狀況下，模型能夠與裝置相匹配。模型中Tray_Eff_TP為調(diào)節(jié)參數(shù)模塊，目標貢獻值為0.361，目標值占比4.619%，其他數(shù)據(jù)校正結(jié)果見表1。

表1 數(shù)據(jù)校正結(jié)果

(續(xù)表1)

在數(shù)據(jù)校正模型中，由于ETU2_PDT_55502.PV和ETU2_UIC_55504.PV觸發(fā)了篩選條件，因而這兩塊儀表不參與數(shù)據(jù)校正計算。因為在模型中已經(jīng)將塔釜壓力設(shè)定為儀表ETU2_PIC_55501.PV的測量值，因此該儀表也不參與數(shù)據(jù)校正計算。

在模型中，流量表ETU2_FIC55009.PV和ETU2_FIC_55502.PV的實際測量值分別為0.008、13.288t/h，兩者的加和為13.296t/h。已知條件中，精餾塔T5501側(cè)線采出量15.000t/h，兩塊流量測量儀表測量值的加和小于此值，而且ETU2_FIC_55502.PV測量值與模型值的偏差在數(shù)據(jù)校正目標值中的占比超過30%，說明該表測量值可能存在誤差，需要校對。

1.4 丙烯精餾塔優(yōu)化模型

數(shù)據(jù)校正模型調(diào)試完成后，就可以進行優(yōu)化模型的開發(fā)了。開發(fā)優(yōu)化模型前，首先要確定優(yōu)化變量，假定T5511的進料和塔壓不能調(diào)整，那么可以選擇回流量(ETU2_FIC_55511.PV)、再沸器熱負荷(ETU2_UIC_55504.PV)和T5501側(cè)采到化學(xué)級丙烯產(chǎn)品的流量(ETU2_FIC55009.PV)作為優(yōu)化調(diào)節(jié)變量，然后在優(yōu)化變量對應(yīng)的可調(diào)節(jié)儀表上添加SISO模塊，并對SISO模塊參數(shù)進行設(shè)置。完成優(yōu)化模型的搭建后(圖4)，需要添加原料及產(chǎn)品價格等數(shù)據(jù)。

圖4 開發(fā)完成的優(yōu)化模型

在優(yōu)化模型中，目標函數(shù)表達式根據(jù)模型信息自動建立，不需要人工建立。優(yōu)化模型中的再沸器熱負荷為成本項，可通過建立虛擬SOURCE使其包含在目標函數(shù)中，客戶化模塊Get_Duty_CU、Set_Duty_CU和Duty_SOURCE分別是熱負荷獲取模塊、熱負荷設(shè)置模塊和虛擬SOURCE模塊，Duty_SOURCE流量的數(shù)值實際上是再沸器熱負荷值。在優(yōu)化模型中，還需要進行約束設(shè)置。例如，為了保證化學(xué)級丙烯產(chǎn)品中丙烯摩爾含量不小于96%，可設(shè)置塔頂物流中丙烷摩爾含量不大于4%。

當輸入完成后，模型就可以轉(zhuǎn)入優(yōu)化模式進行優(yōu)化運行了，以效益最大化為目標優(yōu)化運行后，計算結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化運行結(jié)果

表2中優(yōu)化后的變量值可作為儀表的設(shè)定值，用于生產(chǎn)操作，優(yōu)化后的效益每小時增長528元。

2 優(yōu)化模型的實時在線運行

ROMeo有兩個獨立運行的系統(tǒng)：模型開發(fā)系統(tǒng)和實時系統(tǒng)。ROMeo的實時系統(tǒng)是一個集成的圖形化調(diào)度環(huán)境，可以調(diào)用已開發(fā)的裝置模型進行優(yōu)化并生成報表。用實時序列和實時調(diào)度系統(tǒng)(RTS)能夠輕松為開、閉環(huán)優(yōu)化定義復(fù)雜的事件序列，系統(tǒng)自動執(zhí)行而無需人工干預(yù)。圖5是一個典型的實時系統(tǒng)模型。

圖5 實時系統(tǒng)模型

圖5中的SEQUENCE模塊是實時系統(tǒng)模型的必備模塊，同時也總是第一個模塊。SEQUENCE模塊的主要功能一是確定需要運行的裝置模型，二是設(shè)定裝置模型運行的時間間隔。INPUT模塊用來運行裝置模型的輸入模塊，以便讀取裝置運行數(shù)據(jù)、經(jīng)濟數(shù)據(jù)和模型參數(shù)，并下載到模型中。Data Rec Preprocess(Data Reconciliation Preprocessor，DRPP)模塊用于更新公稱值、最終儀表測量值及最終校正值等數(shù)據(jù)，并進行篩選。Solve模塊用于選擇計算模式，在線優(yōu)化時，實時系統(tǒng)模型中的第一個Solve模塊選擇數(shù)據(jù)校正模式進行裝置模型求解，以便通過數(shù)據(jù)校正使模型與裝置匹配。Data Rec Review(Data Reconciliation Review，DRR)模塊通過給定的最大目標函數(shù)值來評定數(shù)據(jù)校正的結(jié)果，當數(shù)據(jù)校正結(jié)果小于給定的最大目標函數(shù)值時，數(shù)據(jù)校正結(jié)果可用，繼續(xù)進行下一項任務(wù)；當數(shù)據(jù)校正結(jié)果大于給定的最大目標函數(shù)值時，可以選擇停止任務(wù)序列的運行、繼續(xù)進行下一項任務(wù)或者重新進行校正。Store Case模塊用于存儲前一個任務(wù)運行后的裝置模型狀態(tài)，包括裝置運行數(shù)據(jù)、裝置模型求解成功信息或不收斂信息，以便進行工況研究或故障診斷。第二個Solve模塊選擇優(yōu)化模式進行裝置模型求解，以便獲得滿足優(yōu)化目標函數(shù)的優(yōu)化變量設(shè)定值。OUTPUT模塊用于向?qū)崟r數(shù)據(jù)庫或ACCESS數(shù)據(jù)庫輸出計算結(jié)果，輸出時首先從裝置模型上傳數(shù)據(jù)，然后通過外部數(shù)據(jù)接口(External Data Interface，EDI)輸出到數(shù)據(jù)庫。需要輸出的計算結(jié)果主要包括兩類：一類是數(shù)據(jù)整定模式下的運行結(jié)果數(shù)據(jù)，包含模型與裝置的匹配情況及通過軟儀表獲得的設(shè)備性能等信息；另一類是優(yōu)化模式下的運行結(jié)果數(shù)據(jù)，包含目標函數(shù)變化情況及優(yōu)化變量設(shè)定值等信息。

由于ROMeo的在線優(yōu)化是基于裝置運行穩(wěn)定情況下的優(yōu)化，因此在裝置模型運行前需要判斷當前裝置運行是否穩(wěn)定，即需要進行穩(wěn)態(tài)檢測，通過監(jiān)測裝置關(guān)鍵測量點的數(shù)據(jù)來判斷裝置是否穩(wěn)態(tài)運行，穩(wěn)態(tài)檢測的運行周期一般設(shè)定為1min。ROMeo穩(wěn)態(tài)檢測方法基于一段時間內(nèi)測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計檢驗，借以濾掉或減少噪聲和測量誤差，得到較為準確的判定。

3 結(jié)束語

在ROMeo中進行丙烯精餾塔的在線優(yōu)化研究，可以充分利用其豐富的物性數(shù)據(jù)、嚴格熱力學(xué)方法和單元過程模型，確保計算的準確性和可靠性。通過ROMeo的數(shù)據(jù)校正功能，既可以使模型與實際裝置相匹配，也可以計算難以直接測量的參數(shù)，筆者列出的工況下得到的精餾塔提餾段默佛里效率為76.5%。通過優(yōu)化，得到了優(yōu)化變量的目標值，在該操作條件下，效益每小時增長528元。通過ROMeo的實時系統(tǒng)，可以按設(shè)定的要求運行裝置模型，自動實現(xiàn)裝置的在線優(yōu)化。