碳化塔的優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、碳化塔的優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用曾瑩 程良倫 朱燕飛(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 廣東 廣州 )摘要：本文應(yīng)用控制技術(shù)以及工程建模技術(shù)，結(jié)合南方制堿廠碳化工藝的生產(chǎn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以提高碳化塔的操作平穩(wěn)性和轉(zhuǎn)化率為主要目標(biāo)的效能優(yōu)化控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：純堿碳化 建模 優(yōu)化控制Designing and Application of Soda Towers Optimization and Control SystemYing Zeng, Liang-lun Cheng, Yan-fei Zhu(Faculty of Automation, Guangdong Uni

2、versity of Technology, Guangdong, Guangzhou, )Abstract: Based on the control technology and modeling technology, the paper design an optimization and control system which aims to improve the stabilization of soda towers operation and the rate of transformation.Keywords: Soda Carbon

3、ization, Modeling, Optimization Control1 引言純堿（Na2CO3）是一種重要的基本化工原料，也是一種具有多年生產(chǎn)和使用歷史的傳統(tǒng)化工產(chǎn)品，它廣泛地應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、玻璃、冶金以及造紙等諸多行業(yè)中，每年的需求量很大，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要的基礎(chǔ)地位，純堿工業(yè)的發(fā)展好壞直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高。碳化工藝是制堿工藝的關(guān)鍵工藝，機(jī)理較為復(fù)雜。碳化塔是整個(gè)純堿生產(chǎn)的核心單元，既有化學(xué)反應(yīng)、傳熱、傳質(zhì)、結(jié)晶等多種過(guò)程，又有氣、液、固三相物質(zhì)的存在，并且每塔又分為清洗和制堿兩種狀態(tài)，是既有連續(xù)，又有間歇的復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程。其各項(xiàng)操作指標(biāo)完成的好壞直接

4、關(guān)系到產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，從而影響產(chǎn)品的成本和經(jīng)濟(jì)效益。到現(xiàn)在為止，國(guó)內(nèi)各堿廠碳化過(guò)程雖然大多已經(jīng)采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如DCS和PLC等，但仍然停留在僅有少量的控制點(diǎn)采用單回路手動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，如廣州南方制堿廠的DCS系統(tǒng)所采用的PID控制點(diǎn)雖然有自動(dòng)控制，但并未考慮各個(gè)控制量間的相互耦合性，且生產(chǎn)過(guò)程波動(dòng)頻繁，人工干預(yù)頻繁，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大并且控制品質(zhì)也比較差。因此，碳化過(guò)程實(shí)現(xiàn)控制與優(yōu)化對(duì)整個(gè)純堿工業(yè)具有重要的意義。在碳化塔內(nèi)，從碳化塔上部的氣流兩相反應(yīng)，即二氧化碳的吸收和氨的解吸，到碳化塔中下部碳酸氫鈉的生成，以及碳酸氫鈉結(jié)晶析出和結(jié)晶成長(zhǎng)的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的多相傳質(zhì)傳熱過(guò)程，氣液固三相存著相互

5、聯(lián)系、相互制約、相互促進(jìn)的復(fù)雜關(guān)系?？刂铺蓟?nèi)的吸收和反應(yīng)過(guò)程，直接的手段是控制碳化塔的中部溫度、上部溫度和出堿液的溫度控制，而出堿液的溫度控制，只要碳化塔下部水箱的冷卻系統(tǒng)的冷卻效果足夠強(qiáng)，就容易做到的。因此，碳化塔的中上部溫度控制的好壞，是衡量碳化過(guò)程控制品質(zhì)的主要標(biāo)志。然而，要想碳化塔的中上部溫度能夠穩(wěn)定在理想值，使碳化塔運(yùn)行于最佳工況，首先就要了解碳化塔的當(dāng)前特性，即建立符合碳化塔目前運(yùn)行特性的模型。以此模型為基礎(chǔ)，通過(guò)一定的優(yōu)化算法，在各運(yùn)行參數(shù)的取值范圍內(nèi)，搜尋到一個(gè)變量組合，使碳化塔在此組合的作用下，性能達(dá)到最優(yōu)。由于氨鹽水的碳酸化過(guò)程是一個(gè)具有氣、液、固三相參與的，包括吸收、

6、反應(yīng)、結(jié)晶、流動(dòng)等物理化學(xué)過(guò)程的復(fù)雜過(guò)程，具有多輸入輸出、非線性、強(qiáng)藕合、時(shí)變性等，用機(jī)理性建模的方法建立符合碳化塔當(dāng)前特性的模型存在很大的困難，本文采用了工程上較為簡(jiǎn)單的響應(yīng)曲線辨識(shí)法來(lái)確定過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，該法簡(jiǎn)單實(shí)用，運(yùn)算速度快，能在線的修正模型的參數(shù)。建立碳化塔模型的目的是為了指導(dǎo)碳化過(guò)程的控制量的優(yōu)化。通過(guò)優(yōu)化算法得到一組最優(yōu)控制參數(shù)，再將這組參數(shù)作為控制系統(tǒng)的基本設(shè)定參數(shù)，指導(dǎo)控制系統(tǒng)，達(dá)到運(yùn)行目標(biāo)最優(yōu)。本文是以廣州南方制堿廠的碳化系統(tǒng)為背景，該廠目前采用的是杭州和利時(shí)的SmartPro DCS控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程的控制與管理，本文基于此控制系統(tǒng)之上，用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，即應(yīng)用其

7、上位機(jī)軟件facview進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)軟件的優(yōu)化控制。2 基于碳化塔內(nèi)溫度分布穩(wěn)定的建模2.1 基于響應(yīng)曲線辨識(shí)法建模圖1 一階無(wú)時(shí)延階躍響應(yīng)曲線若過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線如圖1所示，t0時(shí)，曲線斜率最大，之后斜率逐漸減小，逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，則該曲線可用一階無(wú)時(shí)延環(huán)節(jié)來(lái)近似。式（1）表示一階無(wú)時(shí)延過(guò)程，只需確定T0 和K0兩個(gè)參數(shù)，其確定方法常用直角坐標(biāo)圖解法。 (1)直角坐標(biāo)圖解法設(shè)階躍輸入量為X0，可求得一階無(wú)時(shí)延環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)為： (2)由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定階躍響應(yīng)曲線在過(guò)程穩(wěn)定在某一值時(shí)進(jìn)行的，只是在原來(lái)輸入量的基礎(chǔ)上疊加了X0的階躍變化量，因此，式（2）所示的輸出表達(dá)式是對(duì)應(yīng)原來(lái)輸出值基礎(chǔ)上的增量表

8、達(dá)式。用輸出測(cè)量數(shù)據(jù)作階躍響應(yīng)曲線時(shí)，應(yīng)減去原來(lái)的穩(wěn)態(tài)值。也就是說(shuō)，圖1所示階躍響應(yīng)曲線是以原來(lái)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的增量變化曲線。對(duì)式（2），當(dāng)時(shí)，得 (3)則 (4)式中，y（0）為t0時(shí)刻過(guò)程輸出的穩(wěn)態(tài)值。當(dāng)t0時(shí)，曲線的斜率為 (5)此時(shí)切線的斜率為最大，切線方程為，當(dāng)t時(shí)，有 (6)由以上可得直角坐標(biāo)圖解法確定T0 和K0的步驟為：1） 由階躍響應(yīng)曲線定出，再由式（4）確定K0值。2） 過(guò)t0點(diǎn)作曲線的切線，該切線與線交于A點(diǎn)，則OA在時(shí)間軸線上的投影即為時(shí)間常數(shù)T0，見圖1。T0也可以由測(cè)試數(shù)據(jù)直接求得。根據(jù)式（2）和（3）可有 (7)由上式可求得，t1T0/2時(shí)，y(T0/2)

9、=0.39*;t2= T0時(shí)，y(T0)=0.63*;t3=2* T0時(shí)，y(2)=0.87*;見圖1。因此，不難計(jì)算出時(shí)間常數(shù)T0。2.2 應(yīng)用響應(yīng)曲線辨識(shí)法對(duì)縱向溫度建模碳化過(guò)程整個(gè)反應(yīng)為一放熱反應(yīng)，因此，從化學(xué)反應(yīng)的角度，控制塔內(nèi)溫度分布的穩(wěn)定是保證碳化穩(wěn)定反應(yīng)的首要條件。根據(jù)工人經(jīng)驗(yàn)，塔內(nèi)溫度的高低主要受中段氣流量和下段氣流量大小的影響。而根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，塔化塔可測(cè)的溫度有5圈溫度、12圈溫度、17圈溫度、23圈溫度，即要建立的數(shù)學(xué)模型為12圈溫度T12、17圈溫度T17、23圈溫度T23分別與中段氣流量Q1、下段氣流量Q2之間的線性關(guān)聯(lián)模型(5圖溫度較低且相對(duì)穩(wěn)定，不予考慮)，由下列式

10、子表示：式中，K112、K117、K123、K112、K117、K123為放大系數(shù)，T012、T017、T023為時(shí)間常數(shù)。應(yīng)用facview軟件和響應(yīng)曲線辨識(shí)法對(duì)縱向溫度進(jìn)行建模的算法步驟如下：a) 從趨勢(shì)服務(wù)器中導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)，在本算法中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)應(yīng)為從碳化塔開塔到塔穩(wěn)定運(yùn)行的過(guò)渡階段，時(shí)間范圍為一天。b) 應(yīng)用搜索算法搜索中、下段氣流量值從0變至大于3000的時(shí)刻t(0)，并以此時(shí)刻t(0)作為階躍響應(yīng)的初始時(shí)刻。c) 計(jì)算12圈溫度、17圈溫度、23圈溫度、中段氣流量、下段氣流量的初始階躍值：T12(0)、T17(0)、T23(0)、Q1(0)、Q2(0)。d) 計(jì)算12圈溫度、17圈溫

11、度、23圈溫度、中段氣流量、下段氣流量的階躍穩(wěn)態(tài)值：T12()、T17()、T23()、Q1()、Q2()。e) 根據(jù)公式（4）可計(jì)算各模型的參數(shù)K0值，在本算法中的計(jì)算公式為：K112(T12()- T12(0)/(Q1()- Q1(0)K212(T12()- T12(0)/(Q2()- Q2(0)K117(T17()- T17(0)/(Q1()- Q1(0)K217(T17()- T17(0)/(Q2()- Q2(0)K123(T23()- T23(0)/(Q1()- Q1(0)K223(T23()- T23(0)/(Q2()- Q2(0)f) 計(jì)算各圈溫度在過(guò)渡階段的響應(yīng)值，即計(jì)算y(T

12、0)=0.63*的y(T0)值，在本算法中的計(jì)算公式為：T12(T012)0.63*( T12()- T12(0)+ T12(0)T17(T017)0.63*( T17()- T17(0)+ T17(0)T23(T023)0.63*( T23()- T23(0)+ T23(0)g) 利用搜索算法搜索出溫度值分別等于T12(T012)、T17(T017)、T23(T023)的時(shí)刻T012、T017、T023，即得到了模型的時(shí)間常數(shù)。至此建模結(jié)束。3 效能優(yōu)化控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在原有PID控制規(guī)律的前提下，考慮變量間相互影響的耦合特性，建立塔內(nèi)溫度分布與中、下段氣流量的線性關(guān)聯(lián)模型，并以此模型作為

13、控制參數(shù)優(yōu)化的整定依據(jù)，添加到原控制系統(tǒng)中，以提高塔內(nèi)溫度分布的穩(wěn)定性。控制方案的總體框架如圖2所示：塔化過(guò)程建模計(jì)算優(yōu)化參數(shù)建立優(yōu)化控制模型效能優(yōu)化控制軟件DCS控制回路在線學(xué)習(xí)模型更新數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)圖2 優(yōu)化控制方案總體框圖(1) 回歸分析為尋求塔內(nèi)溫度分布與中段氣流量、下段氣流量間的關(guān)系，對(duì)過(guò)程運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。為保證結(jié)果的一致性，選取多個(gè)時(shí)段相對(duì)較能體現(xiàn)模型特性的數(shù)據(jù)，分別分析12圈溫度T12、17圈溫度T17、23圈溫度T23與中段氣流量Q1、下段氣流量Q2之間的線性相關(guān)特性(5圖溫度較低且相對(duì)穩(wěn)定，不予考慮)。以時(shí)間段為2007年10月19日 5:006:00的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，

14、其線性關(guān)聯(lián)系數(shù)如下表如示：關(guān)聯(lián)系數(shù)12圈溫度17圈溫度23圈溫度中段氣流量-0.0.0.下段氣流量-0.0.0.從上述關(guān)聯(lián)系數(shù)來(lái)看，中段氣量Q1對(duì)23圈溫度T23影響較大，而對(duì)12圈溫度T12、17圈溫度T17影響相對(duì)較小；下段氣流量Q2對(duì)T12、T17影響較大，對(duì)T23也有較強(qiáng)的影響，為保證塔內(nèi)溫度分布的穩(wěn)定性，應(yīng)采用Q1控制T23，Q2控制T17的方案，并同時(shí)考慮Q2對(duì)T23影響的耦合特性。而T17的大小在優(yōu)化狀態(tài)下基本與T12成一比例關(guān)系，因此，保持T12與T17有一定的關(guān)系比即可，注意T12T17。其他時(shí)段，從相關(guān)特性結(jié)果和數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)分析，結(jié)論相類似。(2) 線性關(guān)聯(lián)模型的建立提取某

15、個(gè)時(shí)段相對(duì)較體現(xiàn)模型特性的數(shù)據(jù)，分別通過(guò)上節(jié)所敘的算法建立穩(wěn)定工況下T12、T17、T23隨Q1、Q2變化的線性關(guān)聯(lián)模型，模型結(jié)構(gòu)以一階線性模型即可，即為：.模型具有在線修正參數(shù)的能力，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)工況及工人經(jīng)驗(yàn)，確立修正參數(shù)的間隔時(shí)間。(3) PID控制器參數(shù)及整定依據(jù)關(guān)聯(lián)模型，設(shè)計(jì)PID控制器，以Q1控制T23為例(Q1控制T17類似)，如下圖，并通過(guò)仿真整定其控制參數(shù)。雖然仿真過(guò)程能表達(dá)實(shí)際過(guò)程的特性，但并不等于實(shí)際過(guò)程，在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中還需對(duì)PID參數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行工程整定。Q2控制T17的過(guò)程同上。在應(yīng)用facview軟件編程實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)整定時(shí)，算法實(shí)現(xiàn)了四種PID參數(shù)整定方法和

16、三種PID調(diào)節(jié)器類型。PID參數(shù)整定方法分別為：絕對(duì)誤差積分法（IAE）、誤差積分法（ISE）、時(shí)間乘絕對(duì)誤差積分法（ITAE）、CohenCoon法及手動(dòng)整定法。PID調(diào)節(jié)器類型分別為：常規(guī)PI調(diào)節(jié)器、增量型PID調(diào)節(jié)器、微分先行PID調(diào)節(jié)器?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)過(guò)程注意考慮各參數(shù)的最佳穩(wěn)定范圍。通過(guò)對(duì)2007年8月-11月數(shù)據(jù)的分析，認(rèn)為各參數(shù)的給定值及控制范圍為以下較佳：T12： 62 (6162.5)T17： 65.5 (6466.5)T23： 56 (5257.5)Q1： 6000 Nm3/h (58006200 Nm3/h)Q2： 4000 Nm3/h (38004200 Nm3/h)(4

17、) 優(yōu)化補(bǔ)償器的設(shè)計(jì) 補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)主要考慮控制作用的相互耦合問(wèn)題，即Q1作用對(duì)T12、T17的影響，及Q2作用對(duì)T23的影響，設(shè)立兩個(gè)主控制系統(tǒng)的算法修正系統(tǒng)，其修正方法如下： 考慮Q2對(duì)T23影響的耦合特性，這是保證整個(gè)控制穩(wěn)定的關(guān)鍵。通過(guò)建立T23與Q2之間的線性關(guān)聯(lián)模型，并整定PID參數(shù)；將此參數(shù)與Q2T17控制系統(tǒng)中PID參數(shù)做比較，在保證過(guò)程穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，按參數(shù)對(duì)Q2T17控制作用較大，而對(duì)Q2T23影響較小為標(biāo)準(zhǔn)折中選取，從而減小Q2對(duì)T23影響耦合性的影響。 控制設(shè)計(jì)時(shí)采用Q2控制T17，未加入T12，因此需保證T12T17，如果某時(shí)刻出現(xiàn)T1262.5，或T1764，應(yīng)適當(dāng)

18、加大Q2，以保證T12、T17恢復(fù)正常水平。 因原有PID控制為人工手動(dòng)控制，在優(yōu)化控制輸出偏離正常值時(shí)，可利用手動(dòng)控制的特點(diǎn)，降低系統(tǒng)運(yùn)行的危險(xiǎn)性，此時(shí)可在優(yōu)化控制輸出和原有PID控制輸出之間設(shè)立切換系統(tǒng)。 過(guò)程控制中，依據(jù)廠方工程師經(jīng)驗(yàn)，要求：中段氣量Q1中CO2含量 與下段氣量Q2中CO2含量相等，從實(shí)際數(shù)據(jù)分析得知二者并不完全相等，具有一定差值，因此，在CO2含量均衡問(wèn)題上，需要對(duì)中下段氣流量進(jìn)行約束計(jì)算，以避免二者的CO2含量差值太大。(5) 控制器的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用上位機(jī)軟件facview編程實(shí)現(xiàn)，控制算法如上所敘，系統(tǒng)最后得到的輸出為原系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，這樣可避免直接控制底層的執(zhí)行機(jī)構(gòu)即閥門的動(dòng)作，增加了系統(tǒng)的安全性，且系統(tǒng)可隨時(shí)進(jìn)行自手動(dòng)切換，便于操作員進(jìn)行操作。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的投入試運(yùn)行，該系統(tǒng)的優(yōu)化效果較佳，能夠平衡地調(diào)整和跟蹤流量，減少了流量的頻繁波動(dòng)，也使CO2的轉(zhuǎn)化率得到了一定的提高。4 總結(jié)本文是針對(duì)廣州南方制堿廠的碳化工藝而設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了碳化工藝針對(duì)