Aspen Plus Dynamics軟件在多變量模型預測控制中的應用

艾丹亭，孔秋生，王照成，李繁榮

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

隨著過程工業(yè)日益復雜化、精細化、數(shù)字化，對過程控制的品質(zhì)要求也隨著計算機技術(shù)和控制理論的發(fā)展而不斷提升。常規(guī)的DCS控制僅能實現(xiàn)單個變量的控制，基于比例計算、積分計算和微分計算等的傳統(tǒng)控制算法，多為反饋控制。在大滯后、強耦合和非線性的過程對象中，DCS控制很難實現(xiàn)過程變量的平穩(wěn)控制。為克服DCS控制的局限性，國內(nèi)外很多化工園區(qū)已開始使用先進控制技術(shù)(APC)來提高裝置的自控程度和智能化水平。

多變量模型預測控制[1]是一種常用的先進控制算法，其特點是控制器內(nèi)置多輸入、多輸出的預測模型，可對過程對象進行卡邊控制，既能提高裝置自控率，又能提高運行經(jīng)濟性。但多變量模型預測控制在實施過程中需對實際裝置進行大量測試以獲得數(shù)據(jù)，進而對控制器內(nèi)置的預測模型作參數(shù)回歸，因此測試過程的實施周期較長，且由于缺乏科學的指導，效率比較低。

本文介紹了一種利用Aspen Plus Dynamics軟件對過程對象進行動態(tài)仿真建模，并基于仿真的對象模型進行測試、獲取模型預測控制器參數(shù)的方法，可極大縮短先進控制項目的實施周期，提升控制品質(zhì)。

1 Aspen Plus Dynamics軟件介紹

Aspen Plus Dynamics 動態(tài)建模是 Aspen Plus 穩(wěn)態(tài)建模的擴展，通過在穩(wěn)態(tài)模擬的基礎上添加靜設備尺寸、動設備性能曲線、管線參數(shù)、儀表閥門參數(shù)和控制器等實現(xiàn)對過程對象的動態(tài)建模，內(nèi)部主要使用壓力驅(qū)動的建模方法，對理解過程對象動態(tài)變化、確定控制策略和設計控制系統(tǒng)很有幫助。Aspen Plus Dynamics可以設計且驗證過程控制方案、進行安全性分析(如泄壓)、研究裝置開停車方案和搭建操作員培訓系統(tǒng)。目前從事先進控制工作的多為自動化公司的團隊，采用現(xiàn)場階躍測試的方法獲得預測模型參數(shù)，Aspen Plus Dynamics軟件在先進控制模型開發(fā)應用上鮮有論述。

2 Aspen Plus Dynamics軟件應用

下文將以硫磺回收裝置的溶劑再生塔為例，講述Aspen Plus Dynamics軟件應用于先進控制模型開發(fā)的過程，主要包括如下3個步驟：①利用Aspen Plus軟件進行穩(wěn)態(tài)模型的搭建；②利用Aspen Plus Dynamics軟件進行動態(tài)模型搭建；③基于動態(tài)模型辨識控制器參數(shù)。

2.1 穩(wěn)態(tài)建模

石油煉制工藝中常采用復合型甲基二乙醇胺(MDEA)溶劑吸收和脫除產(chǎn)品中的H2S和CO2等酸性氣體，吸收了酸性氣體的MDEA溶劑稱為富溶劑，需要進行再生，溶劑再生塔則是完成這一單元操作的關鍵設備。溶劑再生塔的進料是富溶劑，再沸器通入蒸汽進行間接汽提，塔釜得到貧溶劑，塔頂氣相通過冷凝器和分離器進行氣液分離，氣相送至后續(xù)工序或裝置，液相全回流進塔。

在本文選取的案例中，溶劑再生塔進料MDEA富溶劑溫度為98℃，壓力為700kPa，流量為414 120kg/h，其組成見表1，分離要求為塔釜H2S質(zhì)量分數(shù)≤800mg/kg。利用Aspen Plus軟件進行溶劑再生塔的穩(wěn)態(tài)模型搭建，物性方法選用ELECNRTL，汽提塔基于Rate-Based計算，理論塔盤數(shù)為19塊(包含再沸器和冷凝器)，進料位置為第5塊塔盤，塔頂操作壓力為180kPa，塔盤上定義相關反應(見表2)，完成穩(wěn)態(tài)模型搭建(見圖1)。

表1 MDEA富溶劑組成

圖1 工藝流程穩(wěn)態(tài)模擬

表2 溶劑再生塔塔盤反應定義

根據(jù)分離要求進行穩(wěn)態(tài)模擬計算，再沸器能耗為30MW，回流比為1.9。

2.2 動態(tài)建模

進行動態(tài)建模前，在Aspen Plus穩(wěn)態(tài)環(huán)境下輸入溶劑再生塔的水力學參數(shù)：按照工程設計計算，塔徑選擇4.4m，板間距為0.7m，堰高為0.05m，塔板類型為浮閥，起泡因子為0.85。塔頂回流罐為臥式罐，橢圓形封頭，長度為8m，直徑為2.6m。塔釜采用橢圓形封頭，高度為5.3m，直徑為4.2m。塔釜再沸器和塔頂冷凝器的熱傳遞選擇恒定功率計算類型。完成相關輸入后，選擇壓力驅(qū)動模式，轉(zhuǎn)為動態(tài)文件。

在Aspen Plus Dynamics環(huán)境下打開動態(tài)文件，并配置控制器。進料流量控制器(FC1)配置為反作用控制器，量程為0～828 240kg/h，比例為1，積分時間為10s；塔壓控制器(PC1)配置為正作用控制器，量程為0～360kPa，比例為2，積分時間為120s；塔釜液位控制器(LC1)配置為正作用控制器，量程為0～100%，比例為4，積分時間為600s；回流罐液位控制器(LC2)配置為正作用控制器，量程為0～100%，比例為3，積分時間為1 200s；塔溫控制器(TC1)配置為反作用控制器，量程為0～216℃，比例為1，積分時間為1 800s，微分時間為10s，輸出調(diào)整再沸器功率。完成的動態(tài)模型見圖2。

2.3 控制器參數(shù)辨識

多變量模型預測控制器內(nèi)置多輸入、多輸出的預測模型，工程實踐中通常采用的測試方法為單變量階躍測試，并基于測試數(shù)據(jù)回歸控制器參數(shù)，關鍵參數(shù)包括增益、滯后時間和時間常數(shù)[2]等，完成所有變量測試后，控制器建模過程中不同變量的耦合關系基于疊加原理產(chǎn)生。此節(jié)內(nèi)容僅闡述一組輸入變量(再沸器功率)和輸出變量(塔溫)的控制器參數(shù)獲取過程。

圖2 工藝流程動態(tài)模擬

利用Aspen Plus Dynamics軟件創(chuàng)建了溶劑再生塔的動態(tài)模型，并設計了塔溫控制器，仿真過程中將塔溫控制器設置為開環(huán)狀態(tài)，對再沸器功率進行階躍測試(見圖3)，獲取塔溫隨再沸器功率的動態(tài)響應數(shù)據(jù)，以此辨識出再沸器功率對塔溫的控制器參數(shù)，增益為0.44，滯后時間為0.61min，時間常數(shù)為4.99min。

圖3 再沸器功率對塔溫階躍測試曲線

3 結(jié)語

工業(yè)園區(qū)實施先進控制項目的關鍵步驟是對裝置進行階躍測試并獲取測試數(shù)據(jù)，通過對測試數(shù)據(jù)進行辨識回歸得到多變量預測模型參數(shù)，完成控制器設計。對實際運行的裝置進行測試需要耗費大量的人力和時間，不合理的測試方案也會影響生產(chǎn)，借助Aspen Plus Dynamics軟件對過程進行動態(tài)建模，在仿真的機理模型上進行測試和數(shù)據(jù)辨識獲取控制器參數(shù)，將大幅縮短先進控制項目的實施周期。

Aspen Plus Dynamic助力先進控制項目的關鍵在于建立高精度的仿真模型，應盡可能收集準確的工程設計資料，包括物料平衡、設備形式及尺寸、動設備性能曲線、管線參數(shù)、儀表閥門參數(shù)、控制和聯(lián)鎖邏輯等，同時，進行控制器仿真設計時還應充分了解實際裝置的DCS(集散控制系統(tǒng))，保證控制器的動作特性與現(xiàn)場一致。另外，在已運行的裝置開展先進控制項目，可采集長期的運行數(shù)據(jù)對仿真對象模型進行模型校正，以進一步提高模型的精度。