建模与先进控制在多效蒸发器

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1、第29卷第1期中国科学技术大学学报Vol.29,No.11999年2月JOURNALOFUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINAFeb.1999建模与先进控制在多效蒸发器X节能中的应用吴刚陈宗海薛美盛张志刚孙德敏(中国科学技术大学自动化系)摘要按照热力学原理,经过合理简化,建立了多效蒸发器的仿真模型,并从节能控制的角度分析了多效蒸发器操作中的关键工艺参数,应用AtLoopPID自动整定软件,稳定了装置的运行,收到了良好的节能效果.关键词多效蒸发器,建模,先进控制,PID自动整定,节能中图法分类号TP273.21引言在现代化工业生产中,降低能耗已引起世

2、界各国的普遍关注.目前世界能源消耗的年平均增长速度约为5%,而同时石油、天然气、煤的贮量却在迅速减少.因此,节约能源是关系到现代文明和人类未来的长远问题.我国的能源政策近期将节能放在优先地位,我国的工厂企业节能大有可为.多效蒸发器是许多工业过程的重要设备.这里,蒸发是指用饱和水蒸汽通过间壁传热,在沸腾状态下,使溶液中的水部分汽化,从而浓缩溶液的过程.进行蒸发的设备称为蒸发器,多效蒸发器就是将多个蒸发器串联起来进行操作的工艺设备.多效蒸发器的机理比较简单,但由于耦合严[1]重,干扰和噪声强烈,因而很难控制.由于蒸发过程需要消耗大量的能量,控制不好就会造成严重的能源浪费.本文以六万吨/年丙烯

3、腈装置四效蒸发器系统为例,论述了建模、仿真和先进控制技术在多效蒸发器节能控制中的应用.2工艺描述6丙烯腈装置的运行需要水大约为8×10kg,为了节约新鲜水,并减少污水处理系统的负荷,必须大大浓缩工艺污水.装置采用四效蒸发器系统回收大部分水,只有少部分废水送至焚烧炉或生化处理系统.X收稿日期:1998-05-20第一作者:男,1964年11月生,副教授第1期建模与先进控制在多效蒸发器节能中的应用31丙烯腈装置四效蒸发器系统采用并流加料法,简要的工艺流程如图1所示.工艺污水进入一效蒸发器,蒸发所需热量由再沸器提供.二效蒸发器进料是一效蒸发器未蒸发的残液,图1四效蒸发器系统工艺流程简图Fig.

4、1Flowdiagramofquadrupleeffectevaporatorsystem进料量由一效蒸发器液位调节器控制,蒸发所需热量由一效蒸发器顶部蒸汽提供.三效蒸发器进料是二效蒸发器未蒸发的残液,进料量由二效蒸发器液位调节器控制,蒸发所需热量由二效蒸发器顶部蒸汽提供.四效蒸发器进料是三效蒸发器未蒸发的残液,进料量由三效蒸发器液位调节器控制,蒸发所需热量由三效蒸发器顶部蒸汽提供,蒸发残液经装置使用后一部分送焚烧炉处理.第四效蒸发器顶部蒸汽通过两个冷凝器后由真空泵抽出,整个四效蒸发器的压力,由第四效蒸发器顶部的压力控制器调节真空泵出口气体返回入口的量来控制.大部分蒸发器顶部冷凝液送至氨

5、汽提塔顶部处理,一部分氨汽提塔釜液送至生化处理系统.3四效蒸发器的工艺模型为研究四效蒸发器系统先进控制的可行性和可靠性,必须作大量的实验研究.而通常不允许对化工装置作大范围的动态实验.为此建立工艺数学模型作为控制方案研究的工艺环境.然而从化工原理和化工设计的机理知识只能提供蒸发器的静态数学模型,并没有反映出蒸发器的操作特性.在实际过程中,四效蒸发器系统从开工到稳态运行直至停工,其状态是在不断变化的,因此我们建立的必须是一个大范围的动态数学模型,才能提供控制方案的全程研究.为了建立描述四效蒸发器的数学模型,又不使问题过于复杂,我们作如下合理的假设:1)各效蒸发器中,压力的变化对液位测量的影

6、响可以忽略;2)各效中固液两相溶液是均相的,不存在析出和结晶;3)各效的气体是理想气体;4)四效蒸发器在从开工、正常运行和停工的全过程中,响应特性不存在奇异点.3.1液位的计算若令Ffi(k)为第i效蒸发器的料液进料体积流量在第k个采样时刻的值;Foi(k)为第i效蒸发器的料液出料的体积流量的采样值,wi(k)为第i效蒸发器在第k个采样周期汽化的质量流量,则ΔVi=Ffi(k)-Foi(k)-wi(k)γi.(1)32中国科学技术大学学报第29卷式中γi为二次蒸汽在液态时的密度.设第i效蒸发器的截面积为Ai,则Δhi=ΔViAi.(2)于是液位应为Li(k)=Li(k-1)+Δhi.(3

7、)3.2压力的计算设第i效蒸发器的容积为Vi,其中液相的液位为Li(k),则气相占有体积为Vqi(k)=Vi-Li(k)Ai.(4)令第i效蒸发器在第k个采样点的二次蒸汽出料流量为woi(k),有Δwi(k)=wi(k)-woi(k),(5)则滞留在Vqi(k)中的气相物料有Pi(k-1)Vqi(k-1)mi(k)=Mi+Δwi(k).(6)RTi(k-1)式中,R为理想气体常数,Mi为气相的分子量,Ti(k-1)为上一时刻的温度,