动态模拟用于加压汽提塔控制优化!

汽提塔动态模型讨论基础上，借助 Aspen Dynamics 动态模拟工具，对该汽提塔的动态特性、控制方案抗扰动能力以
及对异常情况的响应情况等进行了深入讨论，在模拟基础上分析了现有控制方案的不足，并提出了改进方案。模
拟和工业运行的结果表明： 改进后方案能保证系统安全平稳运行，质量指标控制稳定，抗扰动能力强。
根据物料、能量以及汽液平衡原理，动态模型构 成有总物料平衡方程、能量平衡方程、汽液平衡方程 以及分子分数归一方程。在模型中，各变量均为时间 的函数。此外，由于需要对塔盘进行水力学计算，因 此还包括水力学方程。具体模型参见文献［5］。
汽提塔系统的许多动态特性，如容积滞后，是直 接由设备的结构尺寸决定的。采用 Aspen 软件进行 动态模拟，需要设置好系统的动态参数，包括塔径、 塔板尺寸等参数。酸水汽提塔塔板输入的几何数据 见表 2，其他数据选择默认值。
第 39 卷 第 3 期 2011 年 3 月
化学工程 CHEMICAL ENGINEERING（ CHINA）
Vol． 39 No． 3 Mar． 2011
动态模拟用于加压汽提塔控制优化
冯大春
（ 仲恺农业工程学院 计算机科学与工程学院，广东 广州 510225）
摘要： 带侧线加压单塔是煤气化废水工艺中的关键设备之一。但现有控制方案，存在操作难以稳定等问题。在对
表 2 酸水汽提塔塔板部分几何数据 Table 2 Geometry specifications of stripper
参数 塔径 /m 板间距 / mm
1—10 板 1． 0 500
11—27 板 1． 8 500
28—57 板 2． 2 550
2 单塔动态模型及模拟设定 汽提塔动态模拟数学模型［4］做如下假设： ①每
块塔板上的液相充分混合，且温度分布均匀； ②塔板 上的汽相滞液量忽略不计； ③塔板间汽液相的传递 滞后忽略不计。
3 现有控制方案性能研究 3． 1 开环瞬时性能研究
对系统运 行 中 出 现 较 多 的 扰 动，以 进 料 流 量 的 变 化 为 例 ，在 控 制 回 路 开 环 状 态 下 ，模 拟 分 析 了 塔底氨质量分数与塔顶压力在 2 h 时进料流量跃
表 3 酸水汽提塔控制主要回路的 PID 参数* Table 3 PID Parameters for main loop of stripper
PID 参数
Kc ti / min td / min
回路 1
回路 2
回路 3
改进前 改进后 改进前 改进后
1 18． 54 1． 635 2 1． 534 7 1． 426 4
塔顶 采 出 氨 质 量 分 数 由 约 2． 7% 快 速 增 加 到 约 11% 。而图 4 和图 5 分别考察了进料流量跃阶增加 5% 时，塔顶压力和塔底氨质量分数变化情况。由结 果可知，当进料流量跃阶增加 5% 时，塔顶压力瞬时 波动接近约 0． 01 MPa，而塔底采出氨质量分数从 100 × 10 － 6 增加到 200 × 10 － 6 以上。可见，对于进料 流量的波动，现有控制方案会引起操作条件较大的 变化，同时引起质量的大幅度波动。对另一种常见 的扰动，即当进料中氨质量分数发生变化时，也会带 来塔顶氨流失增加，如图 6 所示的进料中氨质量分 数增加 5% 时的情况。该扰动对于其他操作条件的 影响，也有类似结果。
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3
2
1． 8
Fra Baidu bibliotek
2． 4
0
0
0． 24 0． 216 0． 288
* Kc 为比例增益； ti 为积分时间； td 为微分时间。
3． 3 模拟分析 借助 Aspen Dynamics 工具包，分别考察当运行
2 h 时，进料流量跃阶变化 5% 、进料组分中氨质量 分数跃阶变化 5% 时，2 种方案塔顶、塔底产品质量 动态变化及塔顶压力变化情况如图 3—6 所示。图 3 考察了 2 h 时 2 种方案进料流量跃阶减小 5% 时 塔顶采出汽氨质量分数变化情况。从结果可知，对 于现有控制方案，当进料流量跃阶减少 5% 时，导致
标准的操作条件如表 1 所示。保证汽提塔平稳 操作，不仅对塔的分离效率有较大影响，同时也是汽 提塔安全运行的重要保障。根据工艺要求，确定塔 运行的质量指标为： 塔顶酸性气体质量分数小于 3% ，NH3 质量分数小于 1． 5% ，塔底净化水中 NH3 质量浓度小于 400 mg / L。
处理量 / （ kg·h － 1 ）
鲁奇炉工艺中会产生大量含有酚、二氧化碳、硫 化氢、氨、多 种 脂 肪 酸 等 高 污 染 的 煤 气 化 废 水［1］。 通常使用蒸汽汽提脱除煤气化废水中氨和酸性气体 等挥发组分，再进行脱酚和生化处理。采用加压单 塔汽提侧线脱酸脱氨新工艺，已经成功开发并在工 业中应用［2-3］，用于煤气化废水预处理。相对以往工 艺，该工艺具有能高效脱除废水污染物、消除后续处 理 pH 值瓶颈、节省能源等优点。
由于瞬时动态响应在稳态模拟中并不能被预 测，所以很难 以 评 估 稳 态 结 果 是 否 能 够 用 于 实 际 的工 业 过 程。 为 克 服 稳 态 模 拟 缺 点，本 文 借 助 Aspen Dynamics 软件对该塔进行动态模拟，研究其 动态特性，验 证 控 制 方 案 的 可 靠 性。煤 气 化 废 水 体系的热力 学 模 型 和 汽 提 塔 模 型 在 文 献［3］中 已 有 讨 论 ，从 研 究 结 果 可 以 证 明 ，模 拟 结 果 与 工 业 废 水的实测值的差异在工程领域内是可以接受的。
80 000
表 1 汽提塔主要工艺参数 Table 1 Standard operating conditions of stripper
原料组分质量浓度 / （ mg·L －1 ）
氨 二氧化碳 酚
9 800
4 500
5 100
塔板数 57
侧线 位置 22
冷进料 温度 /℃
35
冷 /热进料 质量比 0． 25
1 汽提流程及现有控制方案 本文所讨论的同时脱除酸性气体和氨的复杂塔
工艺流程如图 1 所示。汽提塔处理量为 80 t / h，共 有 57 块塔板。工艺利用汽提塔内上下的温差，以及 酸性气体（ 二氧化碳） 和氨在不同温度下在水中的 溶解特性不同，达到分离的目的。进料废水分为冷 进料和热进料，分别从塔顶第 1 块板和塔中上部第 11 块板进入塔内，酸性气体从塔顶除去。塔中部富 氨气从塔中间侧线采出并采用三级冷凝进一步浓 缩。除去了酸性气体和大量氨的塔底净化废水为最 终产品。
·6·
化学工程 2011 年第 39 卷第 3 期
阶增加 5% 时的瞬时响应情况，结果如图 2 所示。 从结果可以看出，当进料流量增加 5% 时，塔底净 化水关键质量指标氨的质量分数出现较大幅度增 长，而塔顶 压 力 也 出 现 较 大 幅 度 降 低。而 对 于 其 他扰动，如 进 料 中 氨、CO2 质 量 分 数 波 动，也 都 会 引起较大的质量波动。
图 2 塔底氨质量分数和塔顶压力响应情况 Fig． 2 Responses of NH3 mass fraction in the
bottom and pressure in the top
3． 2 PID 参数整定 对现有方案和改进方案，在 Aspen Dynamics 软
件中，采用继电反馈测试方法进行回路调节。采用 序惯调节方法，重复使用继电反馈测试直到控制性 能满足，最终确定临界增益和临界振荡周期。然后 根据求得的临界增益和临界振荡周期，按照 ZieglerNichols 整定规则求取控制器的整定参数［6］。经过 计算，求得的回路各控制参数如表 3 所示。
图 1 加压汽提塔流程及控制方案 Fig． 1 Flowchart and control scheme of pressurized stripper
现有控制方案按提馏段质量指标进行控制，采 用间接物料平衡控制，各控制回路采用基本的 PID 或 PI 控制方案。酸水汽提塔的控制点的配置如图 1 所示，除去标准液位控制回路外，其他主要控制回路 包括： ①通过调节塔顶气相采出量来稳定塔顶压力 （ 回路 1） ； ②通过调节塔顶为冷废水进料降温的冷 却器的冷却水流量，来改变冷进料的温度，实现控制 塔顶温度（ 回路 2） ； ③用塔底（ 灵敏板） 温度控制再 沸器蒸汽流量（ 回路 3） 。
加压汽提塔作为该流程关键设备之一，运行于 高温和高压环境中，其平稳、有效和安全运行对保证 整个流程质量指标具有非常重要作用。但是，在现 有运行控制方案中，存在操作难以稳定，从而最终影 响净化废水质量的问题。因此本文在讨论加压汽提 塔的复杂动态特性基础上，对相关的控制方案进行
了优化和 改 进，保 证 了 汽 提 塔 的 工 业 平 稳 和 高 效 运行。
基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 20976204，20536020） 作者简介： 冯大春（ 1973—） ，男，博士，讲师，从事过程系统工程研究，电话： （ 020） 89003200，E-mail： fdchcumt@ sina． com． cn。
冯大春 动态模拟用于加压汽提塔控制优化
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Technology，Guangzhou 510225，Guangdong Province，China） Abstract： The pressurized stripper with side-draw is one of the key units in the process of coal-gasification wastewater treatment． There are some problems in the present control scheme，such as unstable operation． The dynamic characteristics of the stripping process were revealed and the capabilities of disturbance rejection and the responses for abnormal situations that may occur in real plant were discussed with dynamic simulation． The deficiency of the present control scheme was analyzed and an alternative scheme was proposed． The simulation and real industrial application demonstrate the advantages of the process in which the plant can run smoothly in a long term，the product quality indexes can be controlled simply and stably，and the system has low steam consumption and strong anti-disturbance ability． Key words： dynamic simulation； stripper； control scheme
塔顶压力 / MPa 0． 57
塔顶 温度 /℃
48
侧线采出 /进料 质量分数 /% 12
方案实际运行中，存在汽提塔压力控制不稳定、 塔顶质量指标波动大、塔顶温度波动大，导致塔顶氨 流失较多，塔顶采出中过多的氨和水容易与二氧化 碳形成结晶导致管路堵塞等问题。这一方面是由于 工业上的各种扰动存在，比如加料流量的变化、加料 中各组分的 变 化、加 料 温 度 变 化，蒸 汽 压 力 的 波 动 等，导致系统处于不稳定状态，但更主要原因，是由 于现有控制方案的一些不合理性。
关键词： 动态模拟； 汽提塔； 控制方案
中图分类号： TQ 028
文献标识码： A
文章编号： 1005-9954（ 2011） 03-0004-04
Control optimization for pressurized stripper based on dynamic simulation
FENG Da-chun （ College of Computer Science and Engineering，Zhongkai University of Agriculture and