精馏塔的控制（ Part II ）

戴连奎

浙江大学工业控制研究所 2013/06/12

内 容 精馏段质量指标的控制问题与常用控制方案

介绍 提馏段质量指标的控制问题与常用控制方案 两端质量控制问题与常用的控制方案 精馏塔其它控制系统 水-

乙醇双组分精馏塔的动态模型及其控制系统仿真

精馏段质量指标控制问题CVs: LD, LB +TR

MVs: L , QH + F 、 D 、 B 中的两个

DVs: xF + F 、 D 、 B 之一

控制目标：在平稳操作的前提下，克服干扰对塔顶产品质量的影响

讨论：如何确保塔顶产品质量 ?

D

BQH

L

LT21

LT22

TT32 TR

LB

LD

F, xF

塔顶产品纯度控制问题的分解

塔底液位合适的 MV 的选择 ? 塔顶产品纯度的 MV 选择原则：

“ 物料平衡控制”（ D 或 F ）“ 能量平衡控制”（ L ）

精馏塔

D

L

B

TR

LB

LD

MVs CVs

（1）

QH

F, xF

精馏塔

F

L

B

TR

LB

LD

MVs CVs

（2）

QH

D, xF

精馏塔

D

L

F

TR

LB

LD

MVs CVs

（3）

QH

B, xF

顺流操作模式下塔顶产品纯度控制问题的分析

精馏塔

D

L

B

TR

LB

LD

MVs CVs

QH

F, xF塔底液位合适的变量配对：

B → LB

塔顶配对方案 B1 ：

L → TR ， D → LD

塔顶配对方案 B2 ：

D → TR ， L → LD

顺流操作模式下塔顶产品纯度控制方案 B1

D

F

BQV

L

FT11

FC11

FT12

FC12

LT21

LC21

LT22

LC22

FT13

FC13

TT32

TC32

TR

（ 1 ） L 对 TR 的控制作用快且强

（ 2 ）当回流比很大时，难以控制 LT22

方案特点分析

顺流操作模式下塔顶产品纯度控制方案 B2

(1) 容易控制 LT22 （当回流比较大时）(2) 塔顶产品量 D 对 TR 的调节作用慢 (3) 回路 TC32 与 LC22 之间存在强耦合

F

TT32

TC32

TR

DL

LT22

LC22

FT14

FC14

方案特点分析

顺流操作模式下塔顶产品纯度控制方案 B2+

(1) 容易控制 LT22 （对于任意 D/L ）(2) TC32 与 LC22 的耦合较弱 (3) 塔顶产品量 D 对 TR 的调节作用迅速与灵

敏

F

TT32

TC32

TR

DL

LT22

LC22

FT14

FC14

FT15

FC15

方案特点分析

逆流操作模式 #1 下塔顶产品纯度控制问题的分析

塔底液位合适的变量配对：

B → LB

塔顶配对方案 B1D ：

L → TR ， F → LD

塔顶配对方案 B2D ：

F → TR ， L → LD

精馏塔

F

L

B

TR

LB

LD

MVs CVs

QH

D, xF

逆流操作模式 #1 下塔顶产品纯度控制方案 B1D

（ 1 ） L 对 TR 的控制作用快且强

（ 2 ）产品质量能保证，但回流罐液位控制难度大。改进？

方案特点分析D

FT14

FC14

F

BQV

L

FT11

FC11

FT12

FC12

LT21

LC21

LT22

FT13

FC13

TT32

TC32

TR

LC22

逆流操作模式 #1 下塔顶产品纯度控制方案 B1D+

问题：如何防止因塔顶产品量提（降）量过大导致的回流罐液位失控？

D

FT14

FC14

F

L

FT11

FC11

LT22

FT13

FC13

TT32

TC32

TR

LC22×

逆流操作模式 #1 下塔顶产品纯度控制方案 B2D

（ 1 ） F 对 TR 的控制作用慢 （ 2 ）回流罐液位控制容易，但 产

品质量控制难度大（不推荐）

方案特点分析F

TT32

TC32

TR

DL

LT22

LC22

FT14

FC14

FT11

FC11

逆流操作模式 #2 下塔顶产品纯度控制方案的分析

塔底液位合适的变量配对：

F → LB

配对方案 B1B ：

L → TR ， D → LD

配对方案 B2B ：

D → TR ， L → LD

精馏塔

D

L

F

TR

LB

LD

MVs CVs

QH

B, xF

请自行提出相应的控制方案，并进行特点分析

小 结 当进料组成变化较大且塔顶产品纯度要求高

时，需要实施精馏段质量指标控制。 各种操作模式下的精馏段质量控制，

（ 1 ）塔底液位宜选择物料平衡控制；（ 2 ）须保持塔底加热量的充分；（ 3 ）对于精馏段灵敏板温度，既可采用塔顶能量平衡控制（ L ），也可采用物料平衡控制（ D 或 F ）。 具体采用哪种方案，取决于回流比与回流罐的容量。

提馏段质量指标控制问题CVs: LD, LB +TS

MVs: L , QH + F 、 D 、 B 中的两个

DVs: xF + F 、 D 、 B 之一

控制目标：在平稳操作的前提下，克服干扰对产品质量的影响

讨论：如何确保塔底产品质量 ?

TT31 TS

DF

BQH

L

LT21

LT22

LB

LD

塔底产品纯度控制问题分解

精馏塔

D

L

B

TS

LB

LD

MVs CVs

QH

F, xF

精馏塔

F

L

B

MVs CVs

QH

D, xF

TS

LB

LD 精馏塔

D

L

F

MVs CVs

QH

B, xF

TS

LB

LD

（ 1 ）塔顶部分与前述的物料平衡控制问题相同；

（ 2 ）塔底部分涉及到塔底产品纯度（或塔底液位）的MV 的选择问题。

顺流操作模式下提馏段指标控制问题的分析

精馏塔

D

L

B

TS

LB

LD

MVs CVs

QH

F, xF

塔底合适的变量配对：

QH → TS ， B → LB

塔顶配对方案 C1 ：

D → LD

塔顶配对方案 C2 ：

L → LD

塔底产品纯度控制方案 C1

控制方案特点分析(1) 蒸汽量 QH 对 TS 的调节灵

敏(2) 为减少塔顶产物中可能含有

的重组分，需要确保充分大的回流量（为什么？）。

D

F

BQH

L

FT11

FC11

LT21

LC21

LT22

LC22

FT13

FC13

TT31

TC31 TS

塔底产品纯度控制方案 C2

（ 1 ）加热蒸汽量 QH 对 TS 的调节灵敏

（ 2 ）回流量 L 与蒸发量 V自动平衡，可减少能耗

（ 3 ） TC31 与 LC22 存在耦合

控制方案特点分析F

QH

FT11

FC11

LT21

TT31

TC31

TS

DL

LT22

LC22

FT14

FC14

B

LB, spTS, sp

Fsp

Dsp

C102

LC21

塔底产品纯度控制方案 C2+

若进料的轻组分含量增大，则控制系统如

何响应？

DL

LT22

LC22

FT14

FC14

FT15

FC15

F

BQV

FT11

FC11

LT21

LC21

TT31

TC31 TS

逆流操作模式 #2 下提馏段指标控制问题的分析

塔底合适的变量配对：

F → LB ， QH → TS

（为什么？）

塔顶配对方案 C1B ：

D → LD

塔顶配对方案 C2B ：

L → LD

精馏塔

D

L

F

MVs CVs

QH

B, xF

TS

LB

LD

逆流模式 #2 下提馏段质量控制方案

方案特点分析

F

BQH

FT11

FC11

LT21

LC21

TT31

TC31 TS

FT15

FC15

LB

LB, sp

RF, sp

逆流操作模式 #1 下提馏段指标控制方案讨论

请自行提出适宜的变量配对，给出相应的控制方案，并进行特点分析

精馏塔

F

L

B

MVs CVs

QH

D, xF

TS

LB

LD

小 结 当进料组成变化较大且塔底产品纯度要求高时，

需要实施提馏段质量指标控制。 各种操作模式下的提馏段质量控制，

（ 1 ）塔底液位宜选择物料平衡控制，塔底产品纯度宜选择能量平衡控制；（ 2 ）须保持塔顶回流量的充分；（ 3 ）而对于回流罐液位，既可采用能量平衡控制（ L ），也可用物料平衡控制（ D 或 F ）。

两端产品纯度控制问题的应用背景

CVs: LD, LB , TR, TS

MVs: L , QH + F 、 D 、 B 中的两个DVs: xF + F 、 D 、 B 之一

CVs & MVs 如何配对 ?

F

B

QV

LT21

TT31

TS

V

TT32 TR

DL

LT22

LB

LD

两端产品纯度控制系统的变量配对

精馏塔

D

L

B

TS

LB

LD

MVs CVs

QH

F, xF

TR

精馏塔

F

L

B

MVs CVs

QH

D, xF

TS

LB

LD

TR

精馏塔

D

L

F

MVs CVs

QH

B, xF

TS

LB

LD

TR

（ 1 ）塔顶涉及到塔顶产品纯度（或回流罐液位）的 MV的选择问题；

（ 2 ）塔底涉及到塔底产品纯度（或塔底液位）的 MV的选择问题。考虑到塔底液位控制的快速性，宜选择物料平衡控制（ B 或 F ）作为调节手段。

顺流操作模式下两端产品纯度控制问题分析

精馏塔

D

L

B

TS

LB

LD

MVs CVs

QH

F, xF

TR

塔底合适的变量配对：

B → LB ， QH → TS

塔顶配对方案 D1 ：

D → LD ， L → TR

塔顶配对方案 D2 ：

L → LD ， D → TR

分析方法：先考虑两液位的平衡控制，使被控过程成为稳定对象；再对新对象进行关联分析，最后选择合适的控制方案。

配对 D1 与 D2 ，哪个好？

物料平衡控制下的稳定对象 #1

分析该对象对于 u1, u2 阶跃变化的动态响应，并估计稳态增益矩阵各元素的正负

F

QH

FT11

FC11

LT21

LC21

TT31

TS

L

LT22

LC22

TT32

TR

y2

y1u1

u2

D, xD

B, xB

FT12

FC12

FT13

FC13

LD

LB

稳定对象 #1 的关联分析

12 211

11 22

K K

K K

1

1 1

1

1 1

1

1 1

1

1 1

稳态增益方程：1 11 12 1

2 21 22 2

y K K u

y K K u

相对增益为： 1111

12 21 111

22

1,

1

KK K

KK

相对增益矩阵为： 假设 12 211

11 22

0 1K K

K K

则……

物料平衡控制下的稳定对象 #2

分析该对象输出 y1, y2 对于 u1, u2 阶跃变化的稳态增益矩阵，并估计该矩阵各元素的正负

F

QV

FT11

FC11

LT21

LC21

TT32 TR

L

LT22

LC22

FT14

FC14

y1

TT31

TS

y2

u1

D, xD

B, xB

u2

FT12

FC12

LD

LB

稳定对象 #2 的关联分析

12 212

11 22

K K

K K

2

2 2

2

2 2

1

1 1

1

1 1

稳态增益方程：1 11 12 1

2 21 22 2

y K K u

y K K u

相对增益为： 1111

12 21 211

22

1,

1

KK K

KK

相对增益矩阵为： 假设 12 212

11 22

1 0K K

K K

则……

两端产品纯度控制方案 D1

结合稳态增益矩阵，分析 TC31 与 TC32 之间的耦合

F

BQV

FT11

FC11

LT21

LC21

TT31

TC31 TS

DL

LT22

LC22

TT32

TC32

TR

两端产品纯度控制方案 D2

TC31 、 TC32 与 LC22 关联分析

F

BQV

FT11

FC11

LT21

LC21

TT31

TC31 TS

TT32

TC32

TR

DL

LT22

LC22

FT14

FC14

两端产品纯度控制方案 D2+

TC31 、 TC32 与 LC22 关联分析

F

BQV

FT11

FC11

LT21

LC21

TT31

TC31 TS

TT32

TC32

TR

DL

LT22

LC22

FT14

FC14

FT15

FC15

两端产品纯度控制方案讨论 同时控制塔顶与塔底产品纯度不容易，但有时为

节能或其它目标，仍是很有意义的； 最多只有一个产品流量可用于控制其产品纯度

（即至少有一个产品流量需要用于控制液位），另一个产品纯度需要由 V 或 L来控制；

两产品纯度控制回路可能存在强耦合； 为减少耦合，需要采用一些特殊的控制策略，例

如解耦、预测控制与其它 APC （ Advanced Process Control ，先进过程控制）算法

精馏塔其它控制系统 进料热焓控制

为减少产品质量控制的干扰，需要对进料温度或热焓进行定值控制

进料前馈控制为提高精馏塔控制系统的鲁棒性，需要对进料流量的变化进行有效的前馈控制

精馏操作的节能控制 基于在线分析仪的产品纯度闭环控制

进料流量前馈控制方案

分析该控制方案的自动调节过程与优缺点

F

B

L

TT32

TC32

TR

×

FT11

D

QV

FT12

FC12

×

FT13

FC13KVF

在线分析仪在产品纯度控制中的应用

（ 1 ）控制周期不同的离散控制算法的引入（ 2 ）三串级系统控制参数整定方法讨论

D

F

BQH

L

FT11

FC11

FT12

FC12

FT13

FC13

TT32

TC32

TRAT52

AC52 工业应用背景：

多组分精馏塔的产品纯度控制

水 - 酒精体系精馏塔的动态模型与控制系统仿真

水 - 酒精体系精馏塔的动态模型详见《过程控制工程》（第三版）11.2 节， P242-247

精馏塔物料平衡控制的仿真详见 11.4节， P253-254

塔顶与 /或塔底产品质量控制的仿真详见 11.4节， P259-267

物料平衡控制下回流量阶跃变化的系统输出响应

0 50 100 150 2000.1

0.12

0.14

0.16

D,

kmol

/min

0 50 100 150 2000.95

1

1.05

LD,

kmol

0 50 100 150 2000.26

0.28

0.3

L, k

mol

/min

0 50 100 150 2000.92

0.93

xD

0 50 100 150 2000.16

0.18

0.2

0.22

B,

kmol

/min

0 50 100 150 200

1LB

, km

ol

0 50 100 150 200-1

0

1

2

V,

kmol

/min

min0 50 100 150 200

0

0.1

0.2

xB

min

物料平衡控制下（回流量不变时）塔底加热量的阶跃响应

200 400 600 80070

75

80

85

90

%

xD

200 300 400 500 600 700 80049

50

51

52

53

%

LD

200 400 600 8000

2

4

6

8

10

t/s

%

xB

200 300 400 500 600 700 80048.5

49

49.5

50

50.5

t/s

%

LB

物料平衡控制下（塔顶产出不变时）塔底加热量的阶跃响应

200 300 400 500 60089.9

90

90.1

90.2

90.3

90.4

%

xD

200 300 400 500 60049

50

51

52

53LD

%

200 300 400 500 6006

6.5

7

7.5

8

8.5

t/s

%

xB

200 300 400 500 600

49.6

49.8

50

50.2

t/s

%

LB

精馏塔控制仿真研究1. 液位控制方案： D LD, B LB

(1.1) V 或 L 阶跃变化对 CVs 及 D, B 的影响；(1.2) 塔顶产品纯度控制： L xD, 而 V 不变；(1.3) 塔底产品纯度控制： V xB, 而 L 不变；(1.4) 两端产品纯度控制： L xD, V xB.

2. 液位控制方案： L LD, B LB

3. 液位控制方案： L+D LD, B LB

控制方案课堂练习

F

QV

FT11

FC11

LT21

LC21

TT31

TC31

TS

DL

LT22

LC22

FT14

FC14

B

FT15

FC15

LB, sp

Bsp

TS, sp

Fsp

Dsp

C102

假设塔底产品为后续连续反应器的进料，要求正常情况下 B 稳定不变（但可根据市场情况作调整）。

试更新现有的控制方案以满足上述控制目标，并说明 B提量时控制系统的自动响应过程

精馏塔控制小结 精馏过程控制目标 常规多回路控制方案

塔顶压力控制，进料温度（或热焓）控制，塔底与回流罐液位控制，塔顶与 /或塔底产品纯度控制，主要干扰（如进料量）的前馈控制等

先进控制策略的应用产品纯度的在线分析与闭环控制，基于模型的多变量预测控制，实时操作优化等