（系统工程专业论文）高纯内部热耦合精馏塔的先进控制策略研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 精馏操作是炼油、化工生产过程中一个十分重要的环节。在精馏过程动态和 控制研究中，高纯精馏一直是个难点和热点，化工工业日趋精细化的今天，高纯 精馏控制是我国化工工业向前发展的最大瓶颈之一。 内部热耦合精馏塔( i t c d i c ) 是精馏节能研究的前沿，具有极大的工业应 用前景，但是至今并没有被广泛应用。其中很大的一个原因就是该过程动态的复 杂性，强非线性，变量之间的强耦合性以及对干扰高度敏感。高纯下，这些特性 更加明显。这就对内部热耦合精馏塔的控制带来了新的困难，新的命题。本文着 眼于高纯内部热耦合精馏塔的先进控制研究，尝试能找到一种或多种优秀的控制 解决方案，为这项新技术的工业化提供控制支持，主要的工作与成果如下： 1 对高纯精馏过程的动态特性和控制做了综述性研究，特别着眼于一些典型的 先控方案，为下面高纯内部热耦合精馏塔的先控研究拓展思路。对内部热耦 合精馏技术的特点及国内外研究现状做了综述性研究。 2 实现高纯内部热耦合精馏塔的一般模型控制系统设计，并以苯一甲苯物系作 为研究实例，研究表明一般模型控制是解决高纯内部热耦合精馏塔对象强非 线性的一种有效方法。 3 实现了高纯内部热耦合精馏塔的动态矩阵控制系统设计。研究结果表明， d m c 作为一个典型的模型预测控制算法，能实现高纯内部热耦合设定值的跟 踪，但动态效果并不理想。 4 提出了高纯内部热耦合精馏塔的自适应广义预测控制系统，首先介绍了自适 应广义预测控制的基本算法，然后结合高纯内部热耦合精馏对象，阐明系统 的实施办法并对几种广义预测控制算法做了较为详细的比较研究，结果表明， 自适应广义预测控制是高纯i t c d i c 对象一个很有应用前景的控制方案。 5 为了克服系统的强非线性，并且考虑到工业现场经常变更操作状况的要求， 提出了基于纯机理d a e 描述的数学模型并采用在线求解动态优化的非线性 模型预测控制方案。研究表明本文提出的这种非线性模型预测控制方法能很 好的实现高纯内部热耦合精馏塔设定值的稳定操作和及时消除外界干扰对过 程的影响，并且在大范围的设定值阶跃下也能保持很好的控制效果。 关键词：内部热耦合精馏、高纯精馏、精馏节能、先进过程控制、一般模型控 制、动态矩阵控制、广义预测控制、非线性模型预测控制 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i s t i l l a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n to p e r a t i o nu n i t si nc h e m i c a la n dp e t r o l e u m i n d u s t r i e s a n dd i s t i l l a t i o nc o l u m n sp r o d u c i n gh i g hp u r i t yp r o d u c t sa l s ob e c o m em o r ea n d m o r ei m p o r t a n to w i n gt ot h eg r o w i n gd e m a n d so fs u c hp r o d u c t sa n dt h er e q u i r e m e n to fw a s t e r e d u c t i o n ，a n dh a v eb e e no n eo ft h ek e y sf o rt h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i c c h e m i c a l i n d u s t r i e s i n t e r n a lt h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l a t i o nc o l u m n ( i t c d i c ) h a sl o n gb e e nr e g a r d e da sa p r o m i s i n ge n e r g y - e f f i c i e n td i s t i l l a t i o nc o l u m nt h a th a st h ep o t e n t i a lf o rd r a s t i c a l l yr e d u c i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n h o w e v e r ，i th a sn o ty e tb e e nw i d e l ya p p l i e dt oi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s o n ed i f f i c u l t yt h a tp r e v e n t i n gt h ep r o c e s sf r o mb e i n gc o m m e r c i a l i z e di st h eo p e r a t i o n a l d i f f i c u l t i e sd u et ot h en o n l i n e a r i t y ，c o m p l e xd y n a m i c sa n di n t e r a c t i n gn a t u r eo ft h ep r o c e s s ， e s p e c i a l l yf o rt h eh i g hp u r i t yi t c d i c t h a tp o s e sc o n t r o lp r o b l e mw i t ht h es y s t e m i nt h i s w o r k , t h ea d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o ls c h e m e sf o rh i g hp u r i t yi t c d i ca r ee x p l o r e d ，a n d h o p e f u l l y ，o n eo rs e v e r a lo ft h e mw i l lg i v eg r e a tp e r f o r m a n c e ，a n dh e l pt h i sn e wt e c h n o l o g y b ei n d u s t r i a l i z e d t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ep r o g r e s sa n dc u r r e n ts t a t u so fd y n a m i ca n dc o n t r o lr e s e a r c h e s o fh i g hp u r i t y d i s t i l l a t i o na r es u m m a r i z e d t h ep r o g r e s sa n dc u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fi n t e r n a lt h e r m a l l y c o u p l e dd i s t i l l a t i o nc o l u m n ( i t c d i c ) a r es u m m a r i z e d 2 ag e n e r i cm o d e lc o n t r o l ( a r g m c ) s y s t e mf o rh i g hp u r i t yi t c d i ci s p r e s e n t e da n d p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ns h o w si t se f f e c t i v e n e s so fo v e r c o m i n gt h ep r o c e s sn o n l i n e a r i t i e s 3 ad y n a m i cm o d e lc o n t r o l ( d m c ) s y s t e mf o rh i g hp u r i t yi t c d i ci sd e r i v e d t h er e s u l t s s h o wt h a ta sat y p i c a lm o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l l e r , d m cc a nr e a l i z et h es e t - p o i n tt r a c i n g b u tt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ei sn o tt h a tg o o d 4 t h ec o n t r o ld e s i g no fa d a p t i v eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ( g p c ) s y s t e mf o rh i i g h p u r i t yi t c d i ci sg i v e n a r e ri n t r o d u c i n gt h eb a s i ca l g o r i t h m s ，t h ed e t a i l e dp e r f o r m a n c e i sd e m o n s t r a t e d ，a n ds h o w st h a ta d a p t i v eg p cg i v e sg r e a tp e r f o r m a n c ef o rh i g hp u r i t y i t c d i c 5 t oo v e r c o m es y s t e m ss t r o n gn o n l i n e a r i t y a n da l s oc o n s i d e rt h et r a n s i t i o nc o n t r o l p r o b l e m ，an o n l i n e a rm o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l ( n m p c ) s y s t e mb a s e do nf i r s t - p r i n c i p l e m o d e la n du s i n gd y n a m i cp r o g r a m m i n gi s p r o p o s e df o rh i g hp u r i t yi t c d i c n e r e s e a r c hs h o w st h ep r o p o s e dn m p cc o n t r o l l e rg i v e so u tg r e a tp e r f o r m a n c eb o t hi nt h e s e r v oc o n t r o la n dr e g u l a t o r yc o n t r 0 1 a n da l s oc a nd e a lw i t hd r a m a t i cs e t - p o i n tc h a n g el i k e f r o m0 9 9 9 ( h i g hp u r i t y ) t o0 9 9 9 9 ( e x t r e m e l yh i g hp u r i t y ) k e yw o r d s ：i n t e r n a lt h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l a t i o nc o l u m n ；h i g hp u r i t yd i s t i l l a t i o n ；e n e r g y s a v i n g ；a d v a n c ep r o c e s sc o n t r o l ；g e n e r i cm o d e lc o n t r o l ；d y n a m i c m o d e lc o n t r o l ； g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ；n o n l i n e a rm o d e lp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 i i 第1 章绪论 1 1 精馏过程的控制研究概述 精馏操作是炼油、化工生产过程中一个十分重要的环节。精馏塔的控制直接 影响到产品质量、产量和能量的消耗，因此精馏塔的自动控制长期以来一直受到 人们的高度重视。精馏塔的动态特性和控制经过超过半个世纪的发展，或许可能 被视作非常成熟甚至是毫无生机的研究领域。但事实不然，伴随着节能精馏技术， 高纯精馏技术，反应精馏等精馏工艺的发展以及过程动态学和过程控制领域的高 速发展，对精馏塔动态特性和控制方法的探索一直没有停歇，并保持着日益高涨 的态势 s s k o g e s t a d ，1 9 9 7 】。 1 2 高纯精馏动态及其控制研究 在精馏过程动态和控制研究中，高纯精馏一直是个难点和热点，它具有非常 大的时间常数，强定向增益性，强非线性，被学者普遍视为病态系统，。化工工 业日趋精细化的今天，高纯精馏控制是我国化工工业向前发展的最大瓶颈之一。 突破了这个瓶颈，中国才可能实现从如今原料出口大国向产品加工大国的转变， 从宏观上支持国家改粗放型经济为集约型经济的整体改革方向。 1 2 1 高纯精馏过程的动态特性 高纯精馏具有一系列独特的过程动态特性，包括复杂的动态、强非线性、和 变量之间的耦合性等，也正是这些动态特性给高纯精馏过程的控制带来难度。 高纯精馏塔主要特征之一是大的时间常数，早在1 9 8 7 年s k o g e s t a d 和m o r a r i 给出了一个简单的关于双组分分离和微小干扰下时间常数的分析公式，从该公式 中可以得出结论，在两端产品纯度要求都很高的情况下，过程的时间常数非常大。 这就导致开环设定值阶跃下，系统达到稳态的时间高纯比一般精馏要花更多的时 间。 再是它的稳态特性是“病态的 ，或者说具有很强的“方向性”，简单的说， 通过改变外部流股d 和b 的值，能简单的使某一端产品纯度变高，但以牺牲另 一端产品纯度为代价。相比较，让两端产品纯度同时变高就非常困难。 高纯精馏另外一个主要特征是它的强非线性。一方面过程具有较大的稳态增 益和纯滞后，另一方面这里的增益和纯滞后对干扰的幅度和方向具有很强的依赖 性。 另外，高纯精馏塔操作变量和被控变量之间往往存在很强的交互作用，所以 需要多输入多输出的控制设计。 最后，高纯下，精馏塔对内部流体的动态变化响应更加敏感，特别是进料的 干扰对系统的影响，所以实际操作中要比一般精馏要更加多的考虑不确定性。 以上动态特性的分析表明高纯精馏过程是相当复杂，而且充满不确定性。 1 2 2 高纯精馏过程的控制研究 高纯精馏过程由于其所表现出来的复杂的动态特性、强烈的非线性、和回路 之间的耦合性，传统的如p i d 等线性控制方案很难对其得到较好的控制效果。 所以一直以来对高纯精馏塔的控制都是作为一个热点和难点受到研究者们的重 视。1 9 9 5 年以前，大多数精馏控制的文章是从一个控制方法出发，利用精馏作 为一个合适的例子，少量的文章先从一个给定的塔体出发比较不同的控制方法最 终得到最优方案。9 5 年以后，随着节能精馏塔以及反应精馏，间歇精馏等的研 究增多，学者们开始就某个对象应用多种可行方案，比较并寻求其最佳的控制方 案。一 控制结构设计最平常的做法是双输入双输出多变量控制，采用l v 配置，即 用回流量和再沸量作为控制变量，塔顶塔底的产品组成为对应的被控变量。首 先被工业应用的是传统非线性控制策略，这些方法在专著( ( n o n l i e a rp r o c e s s c o n t r 0 1 ) ) ，h e n s o n 和s e b o r g ，1 9 9 7 有详细的介绍。最早的三种非线性控制策略有： 1 对标准的p i d 控制算法进行非线性修正。2 。对输入和输出变量进行非线性变 换。3 控制器参数表。例如增益表。s h i n s k e y 在1 9 9 4 提供了这些方法和相关技 术的详细综述。 其中第二种方法在高纯精馏过程有一些成功例子，一个非常有效的方法是对 数化，在组分经对数化后，精馏塔的响应明显线性化。k o u n g 和h a r r i s 于1 9 8 7 在他们的研究结果中得到了较为满意的效果。g e o r g i o u s 于1 9 8 9 所提出来的非线 性动态矩阵控制的非线性，实质上也是基于对输入输出的变化，确切的说是对数 变化。这种变化的优点在于简单，而且多年的研究和实践证明了它的有效性，它 的缺点是它不可能是通用的方法。 上个世界5 0 年代以来，大量的先进控制方案被陆续的提出，它们几乎都被 用到了高纯精馏过程中，有些停留在实验层面，有些则被大量运用到工业现场中。 最早运用到高纯精馏过程的是自适应控制器，其中包括自校正( s e l f - - t u n i n g ) 控 制方案【s a d a h l q v i s t ，1 9 8 1 ，增益调度( g a i ns c h e d u l i n g ) 自适应控制方案【a t s o g a s ，；m c a v o y , 1 9 8 5 1 ，在实验研究中验证了其可行性。但是由于自适应控制本 身的局限性，它本身并未能在工业现场上广泛应用。 实际控制对象一般很难用精确的数学模型描述。鲁棒控制基于被控对象的不 确定性和不完全信息建模，再根据该模型设计能够满足期望性能指标的控制器。 鲁棒控制的基本理论包括h 。控制理论和理论。 寸7 鲁棒控制在精馏过程的应用研究主要集中在高纯下。虽然现在鲁棒控制本身 并没有在现实过程中广泛应用，但是鲁棒性分析已经成为判断控制系统好话的一 个重要标准之一。 1 9 8 9 年s s k o g e s t a d 较早提出了高纯精馏的鲁棒控制，并未得到非常好的控 制效果，但是文中提到鲁棒控制的分析方法对分析和理解复杂的现象非常有用。 1 9 9 1 年，i p o s t l e t h w a i t e 成功的将基于“理论的“一k 迭代鲁棒控制思想运 用到高纯精馏过程。文中结尾作者提到了某些阶跃响应并未能够实现。 1 9 9 3 年，s j w a n g 和s w y u 较早的成功将鲁棒控制运用到高纯精馏过程 中，并取得很好的控制效果。1 9 9 4 年，h e m u s c ha n dm s t e i n e r 将自整定p i d 控制算法，加了不确定性的模型描述，运用到高纯精馏过程，大幅度的提高了系 统的鲁棒性。 1 9 9 7 年，a r e h m ta n df a l l g o w e r t t 指出一个严谨的非线性模型的得出非常 困难，而且也不利用控制系统设计，所以文中他们将h 理论基于了一个降阶的 低阶模型，研究表明这种方法的运用效果良好。 1 9 9 7 年，f w u 将鲁棒h 2 分析结果运用到高纯精馏它来评估鲁棒控制的 效果，研究发现，控制器能有效满足白噪声干扰，但是却不能满足有界能量干扰。 据此揭露出传统h 判据的保守性，而相反应该用随机干扰描述。另外文中还提 到h 2 分析在系统阶跃和脉冲干扰下的响应估计方面比h 要出色，而h 比“分 析计算效率要差。 1 9 9 7 年，u c h r i s t e n 等人将h 控制和u 理论在精馏过程中的控制效果进行 了对比，结果表明两者都能非常有效的实现控制效果，h o o 控制相对计算量较小， 所以有一定的优势，但是必须添加一个额外的环节消除系统反向响应的影响。 不同与其它的先进控制算法，预测控制本身就“出生”于工业，所以倍受实 际工业应用的青睐。它的提出引发了一场过程控制算法研究的热潮，模型预测控 制算法包括预测模型、滚动优化、反馈校正三个过程，使其本身具有很强的稳定 性，很宽广的适应性，值得一提的是它在多变量控制问题中具有较大的优势，它 可以成功的应用于含有时滞、约束的多变量过程，其特有的隐式解耦能力可有效 地克服传统分散控制、解耦控制所带来的繁琐和存在的缺陷。虽然当时的m a c 【j ? j j r i c h a l e t ，1 9 7 8 】和d m c c r c u l t e r , 1 9 8 0 具有如此多的优点，但是却在高纯精馏 控制上遇到了困难，高纯精馏过程的高度非线性使基于线性模型的m a c 、d m c 控制效果大大恶化，甚至不在适用。 m a u r a t h 等人在19 8 5 年运用基于d m c 原理的多变量模型预测控制对低纯度 双组分精馏塔控制做了分析，得到很好的控制效果的同时，发现控制效果直接受 到模型误差的影响。差不多同时，m c d o n a l d 和m c a v o y 于1 9 8 5 将d m c 应用 到中等和高等纯度下，发现此时很难找到一个对应的模型来表针实际对象，也就 很难得到较好的控制效果。为了解决这个问题，作者采用了在线多变量增益和时 间常数整定技术来更新过程模型。结果表明非线性d m c 控制方案明显由于标准 d m c 。a g e o r g i o u 等人在19 8 8 年对动态矩阵控制在精馏过程的应用做了更为 浙江大学硕士学位论文 含了在中等、高等、超高三种纯度下的实验分析。结果表明，线性的d m c 控制 算法在精馏控制中从中等纯度( 9 9 ) 过渡到高纯( 9 9 9 ) 后，控制效果大大 恶化，而在超高纯( 9 9 9 9 9 ) 下，甚至不可控，但相对于p i 控制，d m c 系统 在中等和高等纯度下还是有一定优势。作者运用的非线性变化后，在中等和高纯 下，控制效果都大幅度提高，超高纯下也实现了两端组分的平稳操作，但是控制 效果于非线性p i 控制相比并没有显示出其优越性。 大多过程控制应用不仅要求保持被控变量在它的设定点上，而且还必须保证 过程在操作限制以内。自从d m c 提出后，在接下来的几年现场应用中，人们发 现需要在d m c 控制系统的基础上加以更加严格的约束控制。于是1 9 8 5 年c a r l o s 等s h e l l 公司的工程师提出了q d m c ( q u a d r a t i cd y n a m i cm a t r i xc o n t r 0 1 ) 算法， 用线性不等式组的方式求解q p 问题，从而使控制方案更加严谨。 1 9 8 7 年c l a r k e 提出了基于参数模型的广义预测控制( g p c ) 。由于它是在广 义最小方差控制的基础上，在优化中引入了多步预测的思想，抗负载扰动、随机 噪声、时延变化等能力显著提高，有较强的鲁棒性，适用于有纯时延、开环不稳 定的非最小相位系统。又由于采用传统的参数模型，参数数目较少，对于过程参 数慢时变的系统，易于在线估计参数，实现自适应控制。1 9 9 8 年，s k a r a c a n 等 人对精馏塔的( 3 p c 控制方案做了理论和实验的研究，最后实验得到的结果和理 论分析非常吻合，都能很好的达到控制效果。他们并于2 0 0 1 年对此做了更深入 的研究和对比，更加验证了精馏塔的g p c 控制方案是确实可行的。 h h a p o g l u 等人于2 0 0 1 年对精馏塔的g p c 控制方案和d m c 控制方案做了 专门的对比和分析，结果表明g p c 由于引入了自适应控制，在控制效果上对比 d m c 有很大的提高，相比之下g p c 比d m c 具有更小的波动和更少的调节时间。 预测控制研究之初以及如今工业上广为应用的都是基于线性模型，但是事实 上工业过程包括本文提到的高纯精馏过程普遍具有非线性。于是，从上个世纪 9 0 年代末至今，非线性模型预测控制作为一个研究热点受到学者们的关注，发 表了许多关于非线性预测控制及其算法的文章，并且其中很大一部分研究都取高 纯精馏塔为应用对象。非线性模型预测控制故名思议就是采用非线性模型，但是 这样就丧失了优化求解的方便性，它的缺点就在于求解的负担变重，如果不能及 浙江大学硕士学位论文 时求解，解的可靠性及控制的实时性就不能保证，所以必须避免直接运算非线性 优化程序，或者尽量采用最简单的求解非线性优化的方法。m d i e h l ，2 0 0 2 ，e a l l g o w e r ，2 0 0 4 等都将采用实时优化的非线性模型预测控制算法应用到高纯精馏 塔，他们的研究表明采用高效的优化算法以及合理的模型预测控制方案，非线性 模型预测控制具有被广泛应用的前景。 智能控制是控制理论发展的高级阶段，它是人工智能、运筹学和自动控制三 者的交叉，被认为是自动控制一个非常有前景的发展方向，于鲁棒控制相同，它 也在原理上避开了对模型匹配问题的要求，通过大量的先验知识集的离线训练， 在线训练，在线决策等人工智能的概念有效的控制过程对象。它在高纯精馏过程 的应用的研究得到了非常好的结果【a m s h a w ，1 9 9 7 。虽然现在它没有像预测 控制一样成为主流在工业现场大量应用，但是在很多辅助功能上却应用甚广，如 故障诊断【d n b a t a n o v ，1 9 9 5 1 ，报警系统【f j a k o b ，1 9 8 7 1 ，系统启动【h y a z d i ， 1 9 9 5 等。 特别值得一提的是神经网络，1 9 9 5 年，s r a m e h a n d r a n 将神经网络运用到 精馏过程中，并于传统的p i 控制相比较，达到了很好的控制效果。同时，j c m a e m u r r a y 也得到了同样的结果。另外神经网络预测控制算法【j o u , 2 0 0 3 】也 被证实其有效性。 为了使精馏塔得到较高的精馏效果，基于模型的方法经常被使用。但是这些 模型大多是非线性的，或者描述的并不够充分。而波模型基于高纯精馏塔在进料 干扰或控制作用下，组成分布的在塔两端的移动作为依据。这种特殊的动态特性 被归纳为非线性波传播，非线性的波在维持一定的形状下在一定的空间内做等速 运动。h w a n g 于1 9 9 1 提出一个非线性波理论来解释精馏塔的这种非线性现象。 利用波模型理论，1 9 9 3 年，m h a a ，s p a r k 成功的将其应用到高纯精馏塔的 控制中。它的主要思想是将w a v e 理论描述的模型，结合g m c 算法，构成副回 路来快速消除进料的干扰和设定值的瞬间阶跃。而用普通的p i 控制策略构成外 回路来消除余差。 2 0 0 4 年，s k h o w i n i j 将波模型运用到模型预测控制中，构成高纯精馏塔的 非线性模型预测控制。 浙江大学硕士学位论文 1 3 精馏节能技术 上个世纪7 0 年代的能源危机尚记忆犹新，潜在的新的能源危机正在悄悄的 来临，并威胁着人类的发展。世界的原油价格能在一定程度上透露当前能源的短 缺，根据美国政府官方能源调查显示，1 9 7 8 年原油的价格是1 3 0 8 美元每桶，到 1 9 9 8 年，它的价格保持在1 5 2 1 美元每桶，但是当前的原油价格已经攀升到了 1 3 0 美元每桶附近，这是1 0 年前原油价格的1 0 倍。能源短缺问题是人类在2 1 世纪必须面临的问题，上个世纪物质文明告诉发展的同时，人们也清醒的认识到， 付出的代价是濒临匮乏的资源，日益恶化的环境，和日渐拉大的贫富差距等。如 何有效的利用最后仅剩的资源是比开发新能源更当务之急的事情，因为如果不能 最有效的利用能源，新能源的开发总有一天会跟不上能源消耗的步伐。 世界工业每天都在为消费者生产日常所需的消费品，同时也消耗着巨大的能 量。统计数据表明，工业领域耗能占到世界总耗能的三分之一。同时由于能源的 短缺，能源价格的攀升，能源已经成为许多工业领域最大的日常耗费之一，所以 生产商必须采用能源高效型的技术或者新的节能技术有效的利用能源，从而提高 企业的综合竞争力。而对能源高效利用技术和新的节能技术的巨大需求也很大程 度上刺激了对这方面新技术的研究和开发。 在化工生产领域，精馏操作是非常耗能的一个单元操作，分离过程的能耗大 约占整个化工工业用能的4 0 ，而其中9 5 是蒸馏过程消耗的。一旦精馏过程 的能源利用效率被提高，它所带来的经济效益是巨大的。精馏过程如此耗能的主 要原因是由其本身工艺决定的，再沸器提供能量来产生必需的气相流，而到了塔 顶，冷凝器的液化使能量完全消耗，可以这么说，精馏过程的运作就是靠不断的 在塔底添加热量，所以耗能之大可想而知。 关于精馏过程节能技术的研究有很多，根据其是否改变工艺流程可以大致分 为两类：前者主要是在精馏塔的操作优化上，如改变进料热状况，选择最合适的 进料位置，塔釜液余热的有效利用等。而后者也包括两种，一种是从工艺的角度， 如优化多塔精馏的排列顺序，多效精馏，恒沸精馏等特殊精馏应用等，但是多具 有特殊性。而第二种是直接改变精馏塔的结构，其中典型的有，内部热耦合精馏， 浙江大学硕士学位论文 热泵精馏 i b j o r r l 等，1 9 9 1 1 ，分壁精馏等，p p e t a r 等人并于2 0 0 6 对各种节能技 术的优缺点做了介绍。 1 4 内部热耦合精馏技术的介绍和进展 在1 3 节提到了精馏节能技术中内部热耦合精馏是最具有应用前景的。主要 原因有：1 、节能效果，与传统精馏过程相比，它能节能4 0 以上，这是其它节 能技术所不能比拟的。2 、具有一般性。一旦这项技术走向工业化，它将是普遍 适用的，而且结构也较为简单，容易推广。 在常规精馏塔中，引入精馏塔再沸器的热量通过精馏塔之后由冷凝器处排 出，大部分的能量损失在诸如塔的压降以及通过换热器的温差上，而只有部分能 量被用来减少精馏塔产品的熵。与其让精馏塔排出的能量都进入大气，不如提高 热量的利用率，使之用于再沸过程。这个想法就成为内部透热式耦合精馏塔的基 本设计思想。 图一所示的是内部热耦合精馏塔的结构。 由图中可见，内部热耦合精馏塔创造性地将常规精馏塔原来单独的塔体分成 了两个其间存在内部热交换的不同塔( 分别被称为精馏部分和提馏部分) ，并减 少了常规精馏塔的冷凝器与再沸器的两个环节。为了实现内部的热量从精馏段到 提馏段的传递，引入了压缩机和节流阀，使精馏段是在比提馏段更高的压强和温 度条件下进行的。内部热耦合提供了对于精馏段很必要的液相流和对于提馏段很 重要的气相流。冷凝器和再沸器的热负荷都被降低，大量的能量被再利用，从而 大幅度地降低了精馏塔的能耗，正常操作中甚至可以去掉常规的再沸器和冷凝 器，从而达到高效节能的目的。 浙江大学硕士学位论文 图1 1 内部热耦合精馏塔结构示意图 早在1 9 7 7 年m a l 就分析了这种塔底( 被称为s r v 精馏) 的节能特性。 t a k a m a t s u 在1 9 9 6 年表明了理想的热耦合精馏塔可以在没有冷凝器和再沸 器下操作。 h u a n g 在1 9 9 6 年建立其动态模型，并研究了h i d i c 的可控性。 n a k m w a 在1 9 9 7 年通过三个例子对h i d i c 的节能效果进行了研究，结果表 明节能效果可以达到4 0 左右，又在同一年，n a k a i w a 在另一篇文章中提到的 热力学节能效果在3 0 以上，同时提出了两种换热器方式。 2 0 0 0 年，x l i u 和j q i a n 提出了内部热耦合精馏塔( i t c d i c ) 的建模、 优化和m i m o - - p i d 控制方法。 2 0 0 0 年，k n a i t o 通过在小型实验设备上的实验，验证了理想h i d i c 的切 实可行性。 2 0 0 0 年，n a k m w a 提出一种新的理想h i d i c 配置，它的最大的改动在引入 了塔项产品和进料的热传递。 2 0 0 5 年，m g a d a l l a 等人将夹点分析原理移植到内部热耦合精馏塔的概念 设计中。 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 6 年，k 1 w a k a b e 研究了内部h i d i c 在分离多组分混合物时的节能效果， b t x 以及1 2 h c 混合物被选作实验对象，结果b t x 系统的节能效果在3 0 左右， 而1 2 h c 的节能效果在5 0 左右。除了日本，还有许多国家的研究小组也致力 于内部热耦合精馏。 2 0 0 5 年，y z h u 和x l i u 又就高纯内部热耦合精馏塔的动态特性和控制做 了更进一步的剖析。首次提出了高纯下，内部热耦合精馏塔的反向响应，而反向 响应对系统控制的影响非常之大，另外用实验说明内部热耦合精馏塔具有非常强 的非线性，定向增益，和对外部干扰及其敏感。 2 0 0 6 年，z o l d i e 实现了内部热耦合丙烯一丙烷分离机的概念设计。2 0 0 6 年，m g a d a l l a 发表了热一水压的方法实现内部热耦合精馏塔的概念设计。 2 0 0 7 年，k h u a n g 等人就内部热耦合精馏塔针对沸点相近的三元混合无的 分离系统进行了研究，表明理想的内部热耦合精馏塔系统具有更优的热力学效 率。 2 0 0 8 年，k h u a n g 等人提出了一种最新的内部热耦合精馏塔构造，因为馏 出物是一股高压气相流，所以它可以被用来进行进料的预热，从而进一步提高能 量的利用率。同时这种构造又会给过程带来新的困难。 下面将目光继续集中在内部热耦合精馏塔的动态和控制上。 较早的，k h u a n g ，1 9 9 6 建立其动态模型，并研究了h i d i c 的可控性。 1 9 9 8 年，m n a k a i w a 提出了内模控制( i m c ) 、修正的内模控制( m 蹦c ) 、 基于非线性过程模型控制( n p m c ，实质上是g m c ) 这三种控制方案，并于单 回路p i 控制，双回路p i 控制比较了它们控制效果的优劣，控制效果由好向坏排 列为n p m c 、m i m c 、i m c 。其中n p m c 能有效的实现设定值阶跃和消除干扰的 影响，m i m c 的调整性能排第二，但是却有相对较长的调节时间。接下来是双回 路p i 控制，虽然它实现了稳定操作，但是引入了相对更大的振荡和更长的调节 时间，i m c 的控制效果很差，而单回路p i 控制的效果最差。 2 0 0 1 年，k h u a n g 研究并考虑了高纯内部热耦合精馏塔两端组分控制的非 线性。提出了三种解决办法，包括输入输出对数化，多模型和前馈补偿，都较为 浙江大学硕士学位论文 有效的补偿了过程的非线性。 2 0 0 5 年，y z h u 和x l i u 对内部热耦合精馏塔的控制方案的探索做了很多 的工作，被运用到上面的包括，多回路p i d 控制( m p i d ) ，内部模型控制( m c ) ， 修正的内部模型控制( m i m c ) ，预测p i d 控制( p p i d ) ，自适应预测p i d 控 制( a p p d ) ，以苯一甲苯物系为例，对各种控制方案进行了深入的对比研究， 结果表明虽然五种控制方案都能有效的实现平稳操作，但是控制效果上存在一定 差异，由好到坏的排列为：m i m c 、a p p i d 、p p i d 、m p i d 、i m c 。 2 0 0 5 年，y z h u 和x l i u ，深入了分析了高纯内部热耦合精馏塔的动态特 性的同时，也对i m c 和多回路p i d 控制在高纯内部热耦合精馏塔上的应用做了 研究。结果表明，虽然修正的内部模型控制( m i m c ，这里它采用了二阶的内 部模型，并添加了输入输出对数化的方法) 能在一定干扰范围内获得较好的控制 作用，但是当干扰相对较大时，不能满足控制作用，所以并未能在高纯i t c d i c 上采用，但是p i d 加奇异值分解的办法却在高纯下表现非常突出，而且它的应 用相对简单，所以有望在实际过程中应用。 1 5 小结和本文主要内容 1 5 1 小结 自从上世纪7 0 年代的两次“石油危机 以来，能源危机加深，强烈地要求 许多领域能源的有效利用，精馏过程是化工过程中非常普遍的单元操作，同时也 是高耗能的单元操作，所以精馏节能技术的研究具有巨大的意义。内部热耦合精 馏塔已经被公认为是一种非常有应用前景的精馏节能技术。特别是在最近1 0 年 的时间，对其的研究特别热，事实上谁能将这项技术工业化，谁就能占到先机。 虽然这项技术具有巨大的潜力，但是至今并没有被广泛应用。其中很大的一个原 因就是该过程操作的复杂性，考虑其强的非线性，复杂的动态以及内部的交互本 质。特别对于高纯内部热耦合精馏塔，这些特性更加明显。这也就对内部热耦合 精馏塔的控制带来了新的困难，新的命题。好的控制系统能够很好的补偿过程的 病态动态特性，并且能最大限度挖掘过程的节能潜力，而不合适的控制系统反倒 浙江大学硕士学位论文 会恶化过程动态，并造成不稳定或者系统的发散。 在精馏过程动态和控制研究中，高纯精馏一直是个难点和热点，它被学者普 遍视为病态系统，非常大的时间常数，强定向增益性，强非线性。化工工业日趋 精细化的今天，高纯精馏控制是我国化工工业向前发展的最大瓶颈之一。突破了 这个瓶颈，中国才可能实现从如今原料出口大国向产品加工大国的转变，从宏观 上支持国家改粗放型经济为集约型经济的整体改革方向。 上个世纪后期，国内外对高纯精馏的动态和控制研究非常多，这些宝贵的经 验都可以对高纯内部热耦合精馏塔的动态控制研究具有参考价值。其中包括一些 传统的非线性处理办法和先进控制系统应用。 1 5 2 本文主要内容 本文主要针对高纯内部热耦合精馏塔进行先进控制方案研究，本文后续章节 内容如下： 第二章，实现了高纯内部热耦合精馏塔的一般模型控制系统设计，介绍了基 于两种不同模型的一般模型控制，一种是基于平方近似模型的一般模型控制，而 另外一种则是基于a r x 模型的一般模型控制，并进一步提出了自适应鲁棒一般 模型控制算法，并以苯一甲苯物系作为实例，研究表明了一般模型控制系统的有 效性。 第三章，介绍了高纯内部热耦合精馏塔的动态矩阵控制系统设计，首先较为 详细的介绍了动态矩阵控制的基本算法，然后进一步结合对象，介绍了多输入多 输出动态矩阵控制的实施办法。实例研究表明，d m c 作为一个典型的模型预测 控制算法，能实现高纯内部热耦合的设定值跟踪，但是动态效果并不理想，主要 体现在大的调节时间，大的超调，大的最大偏差等，特别是在大干扰作用下。 第四章，在对模型预测控制有了初步认识下，提出了高纯内部热耦合精馏塔 的自适应广义预测控制系统，首先介绍了自适应广义预测控制的基本算法，然后 结合高纯内部热耦合对象，介绍系统的实施办法，接下来取三个g p c 的实例， 分别是单回路g p c ( s - g p c ) 、多回路g p c ( m g p c ) 、自适应多回路g p c 浙江大学硕士学位论文 ( a m g p c ) 与p i d ，和修正过的内部模型控制( i m c ) 做了较为详细的比较研 究，结果表明自适应广义预测控制是高纯i t c d i c 对象一个很有应用前景的控制 方案。 第五章，在对d m c ，g p c 这两种最为典型的m p c 算法做了研究的基础上， 为了克服系统的强非线性，并且考虑到工业现场经常变更操作状况的要求，提出 了非线性模型预测控制( n m p c ) 方案，这里提出的非线性模型预测控制算法是 基于纯机理数学模型，它的形式是常微分方程组( d a e ) ，并且提出了在线求解 动态优化的方法，这里采用的优化方法是改进了的变量参数化方法，这种方法已 经被证明能有效的求解动态优化，并在运算时间上有一定程度的节约，这恰好符 合本方案的要求。研究表明本文提出的这种非线性模型预测控制方法能很好的实 现高纯内部热耦合精馏塔设定值的稳定操作和及时消除外界干扰对过程的影响， 并且在大范围的设定值阶跃下也能保持很好的控制效果。 第六章，总结了本文所作的工作，就提出的高纯内部热耦合精馏塔的各个控 制方案进行了量化比较，归纳了各自的优缺点，并对未来的研究课题进行了展望。 浙江大学硕士学位论文 第2 章高纯内部热耦合精馏塔的一 2 1 前言 般模型控制( g m c ) 由于高纯内部热耦合精馏塔系统本身强烈的非线性和耦合性，使传统的线性 控制策略不再适用，或不能达到预期的效果，所以必须寻求新的控制方案，使系 统在高纯度的要求下也能达到良好的控制效果，为下一步内部热耦合技术能在高 纯领域推广提供有效的控制策略支持。 一般模型控制( g m c ) 最早由l rl e e 等人在1 9 8 8 年提出，它基于非线性 过程模型，许多现代的“模型”控制算法都是它的子集。另外它的算法原理也非 常简单，适合简单的在线应用。正是由于g m c 控制规律提供了产品组分控制的 一个稳态目标，同时又可以用非线性过程模型来实现它，并可以实现在线实时监 测与控制，这对于热耦合精馏塔的工业化进程是非常有好处的。 在本章中，提出了一种基于一般模型控制( g m c ) 的高纯内部热耦合精馏塔 非线性控制策略，以克服内部热耦合精馏过程高纯下的强非线性，并以苯甲苯 物系作为实例，进行了详细的比较研究。 2 2 一般模型控制算法( g m c ) 的原理 考虑以下等式所表示的过程： 戈= f ( x ，“，d ，f ) y = g ( x ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中状态变量x ( t ) r ”，操纵变量u ( t ) r ”，输出变量y ( t ) r p ，干扰变 量d r ，一般情况，和g 是非线性函数。根据等式( 2 1 ) 和( 2 2 ) ，可以得到下 浙江大学硕士学位论文 面的式子： 夕= g f ( x