丙烯精馏塔的在线优化及应用

魏奇业 魏毓良

(吉林化工学院，吉林 吉林 132022)

在线优化就是根据生产过程的稳态实时测量数据，首先利用数据校正技术，使模型与装置相匹配，然后根据目标函数的要求，求解出决策变量的最优操作条件，用于指导生产。在线优化技术综合了计算机技术、自动化技术和过程优化技术，实现了生产数据的现场采集、数据校正、过程模拟、优化计算和自动控制的一体化[1]。

由于严格工艺模型的在线优化系统ROMeo具有与PRO/II一致的严格热力学方法和单元过程模型，可采用基于方程的开放式求解算法，是集建模、模拟、数据校正、优化和性能监测功能于同一人机交互界面环境中的集成应用环境，因此只需要建立一个模型就可以进行模拟、数据校正和优化，便于使用，易于维护[2,3]。

1 丙烯精馏塔优化模型的建立①

1.1 问题描述

图1为丙烯精馏塔的流程简图。丙烯精馏塔(T5511)的原料来自汽提塔(T5301)，回流共有两股，一股来自塔顶凝液，由FIC55511控制；另一股来自另一丙烯精馏塔(T5501)侧线采出的化学级丙烯，由FIC55502控制，T5501、T5511两塔分别生产聚合和化学级丙烯。T5511塔顶采用循环水冷却，冷凝后的液态丙烯送入丙烯精馏塔回流罐(D5511)，回流经流量FIC55511控制返回T5511。产品化学级丙烯经流量FFIC5503调节送出界区。再沸器(E5511)的热量由入塔C3流量和产品化学级丙烯产量控制，T5511塔底丙烷经流量FV55505控制返回裂解炉。T5511的分离要求为：化学级丙烯产品中丙烯摩尔分率不小于96%，塔釜中丙烯摩尔分率不大于10%。精馏塔共有90块实际板，塔板序号按工艺包由下至上编号，进料位置为73块板。在优化时假定塔釜丙烷价格为每吨3 000元、化学级丙烯价格为每吨5 000元、1kW塔釜热负荷价格为每吨0.1元。

1.2 丙烯精馏塔模拟模型

根据之前提供的条件，在ROMeo中建立了如图2所示的模拟模型。

假定精馏塔板效(或每块板的级数，Stages per Tray)为90%，塔顶冷凝器温度为泡点，为了简化模型，T5511_REF_MX兼具混合器和泵的功能。客户化模块T5511_REB_CU用来规定再沸器循环量，在ROMeo中，原料和产品需要用SOURCE和SINK连接。设定条件并在模拟模式运行后，计算结果作为后续模型的初值。

1.3 丙烯精馏塔数据校正模型

在模拟模型中添加仪表，形成如图3所示的数据校正模型。为了读取实时数据库中的数据，仪表位号的名称与实时数据库对应。数据校正模型中的客户化模块T5511_DP_CU利用测量得到的塔压降计算全塔压力分布。

图1 丙烯精馏塔流程简图

图2 模拟模型

仪表类型和量程会对仪表的标准差产生影响，从而影响到数据校正的结果，需要根据仪表情况进行设置。对于测量仪表失灵造成的过失误差，可以通过设置筛选条件进行剔除或修正。塔压降应为正值，而现场实际测量所得的压降为-1 854.8Pa，因此在筛选条件中规定塔压降最小值为0，当测量值小于该值时认为是坏值，对于坏值，用插入值代替测量值，插入值设定为35kPa。

仪表设置完成后，将某一工况下的装置操作数据(实时数据库仪表数据)添加到仪表中，操作数据的添加既可以以手工方式输入，也可以通过外部数据接口自动输入。数据添加完成后，将模型转入到数据校正模式运行，第一次运行结束后，数据校正目标值由1 397.090 00变为9.737 81，说明数据校正后的模型与实际装置匹配得更好。

图3 数据校正模型

精馏塔的板效对模拟结果有较大影响，前面已经将精馏塔板效设为90%，但在实际生产中板效并不是固定的，需要根据生产数据对假设的精馏塔板效进行实时修正。ROMeo的Tuning Parameter模块类似于软仪表，一方面可以获得装置难以直接测量的参数，另一方面也可以使模型与装置的匹配性更好。为精馏塔提馏段默佛里效率添加Tuning Parameter模块，可以实时更新精馏塔的分离效果，使模型与过程契合得更好。在数据校正模式下通过Tuning Parameter模块获得的精馏塔提馏段默佛里效率为85%，此时数据校正目标值由9.737 81变为7.815 73，说明对板效进行修正后，模型与装置的匹配性得到进一步改善。预先对板效(每块板的级数)进行设置可以减少模型中方程组的个数，从而减少模型占用内存量，提高求解速度。

通过多次在数据校正模式的运行和不断更新模型初值和调节参数的公称值，当数据校正目标值小于某值或不再显著变化时，就可以认为在目前的仪表状况下，模型能够与装置相匹配。模型中Tray_Eff_TP为调节参数模块，目标贡献值为0.361，目标值占比4.619%，其他数据校正结果见表1。

表1 数据校正结果

(续表1)

在数据校正模型中，由于ETU2_PDT_55502.PV和ETU2_UIC_55504.PV触发了筛选条件，因而这两块仪表不参与数据校正计算。因为在模型中已经将塔釜压力设定为仪表ETU2_PIC_55501.PV的测量值，因此该仪表也不参与数据校正计算。

在模型中，流量表ETU2_FIC55009.PV和ETU2_FIC_55502.PV的实际测量值分别为0.008、13.288t/h，两者的加和为13.296t/h。已知条件中，精馏塔T5501侧线采出量15.000t/h，两块流量测量仪表测量值的加和小于此值，而且ETU2_FIC_55502.PV测量值与模型值的偏差在数据校正目标值中的占比超过30%，说明该表测量值可能存在误差，需要校对。

1.4 丙烯精馏塔优化模型

数据校正模型调试完成后，就可以进行优化模型的开发了。开发优化模型前，首先要确定优化变量，假定T5511的进料和塔压不能调整，那么可以选择回流量(ETU2_FIC_55511.PV)、再沸器热负荷(ETU2_UIC_55504.PV)和T5501侧采到化学级丙烯产品的流量(ETU2_FIC55009.PV)作为优化调节变量，然后在优化变量对应的可调节仪表上添加SISO模块，并对SISO模块参数进行设置。完成优化模型的搭建后(图4)，需要添加原料及产品价格等数据。

图4 开发完成的优化模型

在优化模型中，目标函数表达式根据模型信息自动建立，不需要人工建立。优化模型中的再沸器热负荷为成本项，可通过建立虚拟SOURCE使其包含在目标函数中，客户化模块Get_Duty_CU、Set_Duty_CU和Duty_SOURCE分别是热负荷获取模块、热负荷设置模块和虚拟SOURCE模块，Duty_SOURCE流量的数值实际上是再沸器热负荷值。在优化模型中，还需要进行约束设置。例如，为了保证化学级丙烯产品中丙烯摩尔含量不小于96%，可设置塔顶物流中丙烷摩尔含量不大于4%。

当输入完成后，模型就可以转入优化模式进行优化运行了，以效益最大化为目标优化运行后，计算结果见表2。

表2 优化运行结果

表2中优化后的变量值可作为仪表的设定值，用于生产操作，优化后的效益每小时增长528元。

2 优化模型的实时在线运行

ROMeo有两个独立运行的系统：模型开发系统和实时系统。ROMeo的实时系统是一个集成的图形化调度环境，可以调用已开发的装置模型进行优化并生成报表。用实时序列和实时调度系统(RTS)能够轻松为开、闭环优化定义复杂的事件序列，系统自动执行而无需人工干预。图5是一个典型的实时系统模型。

图5 实时系统模型

图5中的SEQUENCE模块是实时系统模型的必备模块，同时也总是第一个模块。SEQUENCE模块的主要功能一是确定需要运行的装置模型，二是设定装置模型运行的时间间隔。INPUT模块用来运行装置模型的输入模块，以便读取装置运行数据、经济数据和模型参数，并下载到模型中。Data Rec Preprocess(Data Reconciliation Preprocessor，DRPP)模块用于更新公称值、最终仪表测量值及最终校正值等数据，并进行筛选。Solve模块用于选择计算模式，在线优化时，实时系统模型中的第一个Solve模块选择数据校正模式进行装置模型求解，以便通过数据校正使模型与装置匹配。Data Rec Review(Data Reconciliation Review，DRR)模块通过给定的最大目标函数值来评定数据校正的结果，当数据校正结果小于给定的最大目标函数值时，数据校正结果可用，继续进行下一项任务；当数据校正结果大于给定的最大目标函数值时，可以选择停止任务序列的运行、继续进行下一项任务或者重新进行校正。Store Case模块用于存储前一个任务运行后的装置模型状态，包括装置运行数据、装置模型求解成功信息或不收敛信息，以便进行工况研究或故障诊断。第二个Solve模块选择优化模式进行装置模型求解，以便获得满足优化目标函数的优化变量设定值。OUTPUT模块用于向实时数据库或ACCESS数据库输出计算结果，输出时首先从装置模型上传数据，然后通过外部数据接口(External Data Interface，EDI)输出到数据库。需要输出的计算结果主要包括两类：一类是数据整定模式下的运行结果数据，包含模型与装置的匹配情况及通过软仪表获得的设备性能等信息；另一类是优化模式下的运行结果数据，包含目标函数变化情况及优化变量设定值等信息。

由于ROMeo的在线优化是基于装置运行稳定情况下的优化，因此在装置模型运行前需要判断当前装置运行是否稳定，即需要进行稳态检测，通过监测装置关键测量点的数据来判断装置是否稳态运行，稳态检测的运行周期一般设定为1min。ROMeo稳态检测方法基于一段时间内测量数据的统计检验，借以滤掉或减少噪声和测量误差，得到较为准确的判定。

3 结束语

在ROMeo中进行丙烯精馏塔的在线优化研究，可以充分利用其丰富的物性数据、严格热力学方法和单元过程模型，确保计算的准确性和可靠性。通过ROMeo的数据校正功能，既可以使模型与实际装置相匹配，也可以计算难以直接测量的参数，笔者列出的工况下得到的精馏塔提馏段默佛里效率为76.5%。通过优化，得到了优化变量的目标值，在该操作条件下，效益每小时增长528元。通过ROMeo的实时系统，可以按设定的要求运行装置模型，自动实现装置的在线优化。