脱丙烷塔进料组成的预测
第57卷第6期2006年6月
化
Journal
of
Chemical
工
Industry
学
and
报
Engineering(China)
V01.57No.62006
June
脱丙烷塔进料组成的预测
蒋
东,何小荣
(清华大学化学工程系,北京100084)
关键词:软测量;精馏塔;预测模型;进料组成中图分类号:TQ
028.8
文献标识码:A
文章编号:0438—1157(2006)06~1390--05
Predictingfeedcompositionofdepropanizingcolumn
JIANGDong,HEXiaorong
(Department
ofChemicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)
Abstract:ApredictionmodelofdepropanizingCO]HinDfeedcompositionwasestablished.Theprediction
modelwasdecomposedinto
an
optimizationmodeland
a
process
simulationmodel,whichmadeit
easy
to
besolved.Theprocesssimulationmodelwassolvedbyusingtheprocessmodelingsimulationsoftware,
SO
andtheoptimizationmodel,aconstrainedNLP(nonlinearprogramming)problem,wassimplifieditcould
be
solved
by
that
simplexsearchandgenetic
out
algorithms.Thecommunicationbetweenoptimization
process
a
modelandprocessmodelwascarriedthroughtheinterfaceprogramof
study
on
modelingsimulation
refineryshowedthat
column
feed
softwareandtheoptimizationmethod.Atheproposed
case
thedepropanizingcolumnof
and
quickly
predict
modeland
a
approach
could
accurately
depropanizing
composition,andhavegoodapplicationpotentialinpretrolenmrefiningandpetrochemicalindustry.
Keywords:softsensor;distillationcolumn;predictingmodel;feedcomposition
引言
精馏塔的操作,往往要控制塔顶或塔底关键组
供在线计算,以指导操作,如仲蔚等[21利用软测量预测加氢裂化分馏塔产品质量;另一方面为实时过程控制等提供不可测或无延时的受控变量实际值的在线计算,以提高控制性能,如薄翠梅等∞1利用软测量实现精馏塔的先进控制.
g=f(T,c)
(1)
分的含量或某一其他性质,如炼油厂气体分离装置脱丙烷塔的塔顶丙烷含量口].塔顶丙烷含量合格与
否,通常要通过采样分析化验来判断精馏塔操作是
否正常,这种分析化验实时性差,当进料组成发生变化时不利于及时调整操作,更不能把信息实时反馈给控制系统.近年来软测量技术得到普遍应用,所谓软测量技术是利用现场DCS可测数据和部分实验室化验分析数据,建立如式(1)的数学模型或称软仪表(softsensor),为一些不可测参数提
式中c为精馏塔的工况参数,如温度、压力、流量等;37为精馏塔的进料组成;q为某一受控变量,如塔顶丙烷含量.一旦式(1)确定之后,受控变量q的预测精度取决于C和z.C为现场DCS可测数据,而进料组成z在缺乏在线分析仪器的情况下,只有依靠实验室的离线分析得到.而实验
2005一05—30收到初稿,2006~ol一12收到修改稿.
联系人:何小荣.第一作者:蒋东(1982一),男,硕士研究生.
Receiveddate:2005—05—30.
author:Prof.HEXiaorong.E—mail:hexr@
Corresponding
mail.tsinghua.edu,cn
万方数据
第6期
蒋东等:脱丙烷塔进料组成的预测
・1391・
室离线分析测定周期长,一般为几个小时,不能及时反映进料组成的变化,大大影响了模型(1)预测的准确性.
本文建立了脱丙烷塔进料组成的预测模型,并给出了求解策略,为进一步提高式(1)的预测精度打下基础.通过脱丙烷塔的实际计算表明,建立的模型和求解算法,能够很好地预测脱丙烷塔的进料组成.1
数学模型及求解策略
1.1数学模型
精馏塔进料组成预测的基本思想是:已知某一
精馏塔的实际操作工况C:(如温度、压力、流量等),给定精馏塔进料组成的猜测值z,求解出精馏塔操作工况的计算值gi(z)。.如果
ll‘一gJ(z)。』≤亭(j一1,2,…,俄)
(2)
说明进料组成的猜测值z就是当前工况下的组成.该问题本质上就是如下的优化问题
min,(z)一芝jAj[‘一毋(z)。]2
J—l
S.t.
MESH方程
(3)
式中
C;为实际工况;gJ(z)。为在原料组成z下的
计算工况值;Aj为该工况下各操作参数(如温度、压力、流量等)的权重系数.问题属于带约束的隐式非线性优化问题,又由于过程变量多而且约束方程非线性强,故直接求解模型相当困难.1.2优化模型的求解策略
以一个9组分、35块理论板的精馏塔为例,模型(3)共有1767个方程、2256个变量[4].但在描述过程的众多变量中,绝大部分是内部变量r,一般参与调优的变量或决策变量z只有2‰~3‰[5].为此,可将原模型分解成调优模型和过程模拟模型两部分,如图1所示.
Fig.1
Frameworkfordecomposingmodel由调优模型产生精馏塔进料组成的初始猜测值一供给过程模拟模型,过程模拟模型根据此组成p计算内部变量r及工况gi(一)。,如果式(2)成
立,则计算结束,否则通过调优模型,再产生新的
组成37””,再计算内部变量r及工况g,(z一)。,直
万
方数据至收敛.调优模型为
min,(z)一∑A[0一gJ(z)。]2
J一1
s.t.
∑薯一1,矗≥0
(4)
i—l
调优模型求解框图见图2.而过程模拟模型可直接调用商业流程模拟软件(如Pro-II,Aspen—plus等)求解.
Fig.2
Frameworkforsolvingoptimizationmodel
2
调优模型的求解算法
式(4)求解仍有两个困难:
(1)式(4)中的目标函数是一个隐式函数,
包含大量的内部变量需要由过程模拟确定;
(2)式(4)形式上是一个有约束NLP问题.根据以上特点,只能采用适合求解隐式非线性问题的算法,如单纯形法和遗传算法.2.1单纯形法
单纯形法只能用于无约束优化问题,式(4)
若要当成一个无约束问题处理,则在单纯形法的反
射、扩张和压缩过程中可能会出现组成为负值的情况.处理时可记有负值的组成的目标函数值为一充分大的值,而不调用流程模拟软件求解.在压缩或扩张时利用如下方法以避免负值出现:
步骤1:如z中无负值则转步骤2;否则,如为扩张,扩张系数取为1+0.8(口一1),重新扩张,重复步骤1;如为压缩,压缩系数取为0.8卢,重新压缩,重复步骤1.
步骤2:退出循环.
对于归一条件的限制,可采取类似生成等比初
・1392・
化
工
始单纯形的方法,即分量乘以比例系数后强制归一产生初始单纯形.2.2遗传算法
对于遗传算法的计算原理、方法步骤,本文不再赘述,可参见文献[-6-].遗传算法中的一些主要规则、步骤如下.
步骤1:变异初值,产生染色体的初始群体pop(1),t取为1;
步骤2:对群体pop(£)中的每个染色体计算目标函数值,并按由大到小排序,标记序号为k;
止;否则,计算概率Pt一砑赢,1≤忌≤M,
步骤3:如果已达最大遗传代数,则计算停
9厶
并以概率分布P。从pop(t)中随机选择一些染色体变异形成mutpop(t+1);变异规则是染色体中随机选择一些基因随机增大或减小Rnd()×d后强制归一[-Rnd()为随机函数,艿为最大变异率];
步骤4:以mutpop(t+1)的全部染色体和pop(t)中最好的若干个染色体构成pop(t4-1);t取为t4-1;返回步骤2.
在本例中群体规模取为250,程序中最大变异率艿取0.15.群体经过4次遗传后,每次遗传采用模拟退火法中温度下降的方法,取艿为0.88,再遗传4次,共遗传8次.3
算例及结果讨论
某厂脱丙烷塔为筛板塔,设板效率为50%,
35块理论板,操作压力为1.88MPa,进料流量为
18000
kg・h~,进料温度54.4℃.进料组分为:
乙烯、丙烯、丙烷、正异丁烯、顺丁烯、反丁烯、正丁烷、异丁烷和戊烷,共9个组分.从该厂历史数据可知,主要可测变量是塔顶和塔底处的温度、压力、采出流量,第30块、第52块塔板的温度,进料的流量、温度.塔顶、塔底的压力以及进料温度、流量在过程模拟模型中直接给定;塔顶、塔底流量在进料流量给定的情况下是相关的,只取塔顶流量.综上所述,调优模型为
min
,(z)一Al(L;一L;)2+A2(碥一T;)2+
A。(E。一E。)2+A。(E。一瓦:)2+A。(Tw一焉)2
其中L矗,瓦,T;。,E。,E分别为求解所得塔顶
流量、塔顶温度、第30块塔板温度、第52块塔板
万
方数据学报第57卷
温度、塔底温度.L毛,T毛,丁;。,丁;。,丁备分别为实际工况的塔顶流量、塔顶温度、第30块塔板温度、第52块塔板温度、塔底温度.
3.1调优模型和过程模拟模型的衔接实现
为调用商用软件求解过程模拟模型,需编写接口程序内嵌商用流程模拟软件.调优模型通过接口程序与过程模拟模型交换信息,并调用优化算法求解,程序模块图见图3.其中商用流程软件接口可以查阅各商用流程模拟软件的用户文档编写.
Fig.3
Frameworkforinterfaceprogram
取进料初始值zo一(0.0004,0.3929,
0.1089,0.1841,0.0489,0.0671,0.0475,
0.1488,0.0014)T,实际值z‘一(0.0004,
0.4117,0.1108,0.1736,0.0461,0.0650,
0.0463,0.1455,0.0006)T计算.3.2单纯形法优化结果
利用单纯形法优化,计算次数为306次,在
800
MHzCPU机器上需时约41S.单纯形法优
化组成以及相对偏差见表1,优化所得工况见表2.
Table1
Optimizationfeedcompositioninsimplex
第6期
蒋东等:脱丙烷塔进料组成的预测
Table2Optimizationdistillationcolumn
statein
simplex
大,但结果稳定,受初值影响小.TopTop
30tray52trayBottom
4
结论
Valueflowtemperaturetemperature
temperaturetemperature
/kg・h一1
/℃/X:
/X:/℃
本文对预测脱丙烷塔组成的方法进行了研究,actual9401.40
51.85
75.59
98.57
101.79
解决了如下问题:建立了预测精馏塔进料组成的数valuecaleulated9398.2651.8775.7298.78102.00
学模型;利用把原模型分解为调优模型和过程模拟value
模型的求解策略,大大降低了模型求解的维数和求解的难度;实现了用户优化算法程序与商业软件的
3.3遗传算法优化结果
相互嵌套,提高商业软件使用水平;以某厂脱丙烷利用遗传算法优化,计算次数为2171次,在
塔为例给出了建模和求解的实例,对于调优模型,800
MHzCPU机器上需时320S.遗传算法优化组
经过处理简化成无约束非线性优化问题,形成了适成以及相对偏差见表3,优化所得工况见表4.
用于单纯形算法和遗传算法求解的模型,并对两种Table3
OptimizationfeedcompositioninGA
算法的优缺点进行了对比讨论.
通过某厂脱丙烷塔的计算结果表明,利用该模型及其求解策略可以根据精馏塔实际工况快速准确地预测精馏塔进料组成,在化工领域中对提高某些软测量的精度有很大的实用价值.
符
号
说
明
Aj——第j个工况的权重系数c——工况参数‘——实际工况
厂(z)——目标函数
Table4
OptimizationdistillationcolumnstateinGA
毋(z)。——计算工况函数
碥,瓦,E。,E:,瓦——分别为实际的塔顶流量、塔顶温
Top
Top30tray52tray
Bottom
度、第30块塔板温度、第52块Value
flow
temperature
temperaturetemperaturetemperature
/kg・h。{℃
{℃|℃|’c
塔板温度、塔底温度
L;,瓦,E。,E。,焉——分别为求解所得的塔顶流量、塔
顶温度、第30块塔板温度、第52块塔板温度、塔底温度
M—一种群规模m——工况总数
3.4结果讨论
mutpop()——染色体变异种群
由表1~表4的数据可以看出,建立数学模咒——组分总数
型,利用单纯形法和遗传算法都能够准确地预测进Pt——排序序号为k的染色体变异概率料组成.两种算法的运算时间分别为41S和320
S,
pop()——染色体种群
能够达到快速预测进料组成的目标.经过大量数据口——受控变量
测试表明,在计算初值与实际值偏差不大的情况Rnd()——随机函数
下,除含量非常少的乙烯和戊烷预测组成相对偏差r内部变量
£——遗传代数
较大,其余组分尤其是丙烯等主要组分预测组成与z——进料组成实际组成的相对偏差一般能控制在3%以内.
zi——第i个进料组分但在计算初值与实际值偏差较大的情况下,单z…——进料组成新生成值纯形法计算结果不理想,此时单纯形法出现降维,P——进料组成初始值不能形成新的单纯形.而遗传算法虽然运算量较
a——扩张系数
万
方数据
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化
工
卜压缩系数卜最大变异率卜收敛标准
上角标
c——计算值r——实际值
下角标
i——进料组成的第i个分量J——工况的第J个分量志——染色体排序序号
References[1]
WuKai(吴凯),HeXiaorong(何小荣),QiuTong(邱彤),ChenBingzhen(陈丙珍)・Operati。noptimiz8‘i。“of
double
depropanizators
system
in
an
ethyleneplant.
ComputersandAppliedChemistry(计算机与应用化学),
2003,20(3):233-235
万
方数据学报第57卷
E2]ZhongWei(仲蔚),Yu
Jinshou(俞金寿).Mimosoft
sensors
for
hydrocrankingfractionator
via
fuzzyartmap.
Journal
ofChemicalIndustryandEngineering(China)(化
工学报),2000,51(5):67卜675
[3]
130Cuimei(薄翠梅),LiJun(李俊),ZhangShi(张浞),Lin
Jinguo(林锦国).Applicationof
advancedcontrol
schemebasedon
soft
sensorindistillation
column.Journal
ofChemical
Industry
and
Engineering(China)(化工学
报),2004,55(2):331-334
E42
WuJunsheng(吴俊生),DengXiu(邓修),ChenTongyun(陈同芸).SeparationEngineering(分离工程).Shanghai:
EastChinaInstituteofChemicalTechnologyPress,1992:54
[53
He
Xiaorong(何小荣).OptimizationofChemicalProcess
(化工过程优化).Beijing:TsinghuaUniversity
Press,
2003:237
[6]XingWenxun(邢文训),XieJinxing(谢金星).Advanced
Computational
MethodsforOptimization(现代优化计算方
法).Beijing:TsinghuaUniversity
Press,1999:141
脱丙烷塔进料组成的预测
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
蒋东, 何小荣, JIANG Dong, HE Xiaorong清华大学化学工程系,北京,100084
化工学报
JOURNAL OF CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING(CHINA)2006,57(6)2次
参考文献(6条)
1. 邢文训;谢金星 现代优化计算方法 19992. 何小荣 化工过程优化 20033. 吴俊生;邓修;陈同芸 分离工程 1992
4. 薄翠梅;李俊;张湜;林锦国 Application of advanced control scheme based on soft sensor indistillation column[期刊论文]-化工学报 2004(02)
5. 仲蔚;俞金寿 Mimo soft sensors for hydrocranking fractionator via fuzzy artmap[期刊论文]-化工学报2000(05)
6. 吴凯;何小荣;邱彤;陈丙珍 Operation optimization of double depropanizators system in an ethyleneplant [期刊论文]-计算机与应用化学 2003(03)
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