流程工艺过程的挑战

利用动态模拟技术改进流程工艺控制过程

作者:Volker Butz,Gordana Hofmann-Jovic 文章来源:Knapsack公司 点击数:83 发布时间:2018-10-16
在化学工业的生产实际中,动态模拟技术很少用来解决流程工艺过程中的控制问题或者是优化工艺过程。对很多化工设备运营商来讲,似乎动态模拟与提高效益之间的关系并不大,但本文的实际案例则表明,动态模拟技术在提高效益方面极具价值。
流程工艺过程的挑战

很多流程工艺专业的毕业生和博士生在学生时代都学习了许多动态模拟技术方面的知识,但在他们进入工作岗位后,动态模拟则成了一个无足轻重的角色。这是因为当前很多流程设备操作者在流程工艺的规划设计时,都利用现代化的静态模拟工具来规划设计特定工作点的流程工艺,这导致在流程设备工作运行期间会不断地带来负载波动。有经验的操作者常常需凭借经验来应对这样的波动。这就是很多流程设备运营商只有在经验无法解决当前问题,只能依靠专业人员解决,或者在较长的时间内无法满足产品质量要求时,才考虑使用动态模拟技术的原因。“当流程设备组成组件之间有很强的依赖性或引起连锁反应时,仅靠经验是解决不了问题的。” Knapsack工业园服务商负责动态模拟技术的Moritz Wendt博士说。因此,技术规范、负载的变化和输送条件这些干扰变量将引起大幅度波动,时常会导致整个流程工艺过程的强烈变化。在这种情况下,动态过程和模拟计算提供了非常有价值的信息。

技术的使用时机

当流程设备运营商想更加深入地了解流程设备各组件间过程控制波动时的相互关联时,应采用动态模拟技术。但此时,对新建和已经建成并运行的流程设备提出的要求是不同的。对于已经投产运行的流程设备,常常要必须考虑开发自动控制替代解决方案,这就需要对现有的过程控制自动化解决方案进行评估和优化改进,需要采用图1所示的步骤逐步实现替代。在这些步骤中开发并经过实测曲线验证了的动态过程模型,奠定了自动化替代方案的坚实基础。 “这里最重要的挑战是调整各种参数,尽可能精确地再现真实的流程工艺过程。设备和部件的设计参数以及EMSR电子检测、控制和调节技术仪表和设备的现有位置不应改动,应尽可能避免流程设备结构的变化。” Wendt先生说。

图1 现有流程设备中使用动态模拟技术的成本费用取决于用户的愿望、规划设计的进展程度和现有的数据情况,规划设计人员要与流程设备运营商紧密合作,以便将双方的经验应用于日后的工作和生产中
图1 现有流程设备中使用动态模拟技术的成本费用取决于用户的愿望、规划设计的进展程度和现有的数据情况,规划设计人员要与流程设备运营商紧密合作,以便将双方的经验应用于日后的工作和生产中

控制调节解决方案

第一个来自实践的例子是管式反应器的过程控制,即为如何利用动态模拟技术实现过程控制的替代解决方案(控制过程图如图2所示)。此处遇到的问题是废气中只允许有最低浓度的离析物B。但废气中离析物的浓度波动非常大,因此操作者只能自己制定方案将浓度降低到最小程度。为保证浓度最低,操作者采用了非线性反馈控制调节方案,并根据废气中离析物B的浓度计算出原料A的多余投放量。两种物质的理论值计算是按照反应器出口处所规定的数据量。但是,操作者在使用自己设计的控制调节方案时遇到了麻烦,这时,Knapsack公司就利用图1所示的方法,根据现有流程设备的运行数据首先建立一个动态的过程模型,以便能够开发出控制调节的替代解决方案。模拟分析发现,反应器入口处的离析物比例对废气中尽可能低的离析物B浓度有着决定性的意义。模拟验证表明,模拟的趋势与检测数据绘制的曲线是一致的,且能反映出过程变量之间的相关性。“据此,我们能够跟踪控制回路的相互作用,推导出过程变量与过程曲线之间的相关性,同时我们不需要非常精确的流程设备运行数据。如果趋势是正确的,就足以在不同的过程控制方案之间进行可靠性的比较。” Wendt先生说。结果证明,反应器入口处的离析物比例可以实时计算,适合于作为过程变量进行控制调节。这样,流程工艺技术人员就可以在新方案的基础上进行进料量的理论值核算。

色谱柱系统的优化改进

另一个例子是工业技术服务商企业与塑料生产厂之间合作的案例,无需高额的投资,动态模拟技术也可以降低色谱柱系统的运行成本。为了确定色谱柱系统的优化改进潜力,Knapsack公司利用模拟软件建立了一个色谱柱系统的流程模型。首先通过软件数据库中的数据与已知检测数据的比较进行热力学验证。然后,专家们将模型中的数据与实际操作的测量数据进行比较。从而得出一个精确、真实的且能够对色谱柱系统进行优化改进的图像。

利用这一模型可以进行静态优化,流程工艺师们重新设置了供料工艺,移动了工作点,改变了回流和温度曲线。这两者都严重影响着过程动态和控制调节状况,导致系统强烈的波动,而且这些波动也通过色谱柱波及到整个外围设施。Knapsack公司利用新的色谱柱系统运行数据将静态模型扩展到了动态应用中,利用动态模型分析出这些疑难杂症的因果关系。

图2 管式反应器的工艺流程图
图2 管式反应器的工艺流程

动态模型分析的结果表明,色谱柱柱基区域的调节和控制区域内温度曲线具有很高的灵敏度。临界条件下很小的一点流量波动都会导致柱基区域温度的大幅度变动。这种变动将使得原来的控制调节参数失去作用,并将色谱柱柱基区域的液体移送到其他柱基区域。因此,必须调整这些控制调节参数。通过动态模型找出问题的根源后,用户就可以自己重新设置新的调节控制参数。

控制方案的可行性

当流程设备处在规划设计阶段时工程师们有着很大的自由度。一方面,此时还没有经过验证过程模型,规划设计人员可以利用动态模拟技术来验证过程控制方案的可行性。另一方面,与已经投产运行的流程设备相比,此时设计人员可以同时调整管道附件和管道系统的设计,并定义各个EMST检测和控制点设备。

例如,在某研发项目的框架内,流程设备规划设计师开始了生物甲醇工艺流程的研究和试验,尝试动态的过程控制是否可行。此时的挑战是流程设备必须能够非常灵活地对负载变化做出反应,就像在动态的电力市场中有着经常变化的电价一样。规划设计人员确定了几个过程控制的关键点和多种过程控制的方案。他们研究各个独立的流程工艺之间的相互作用,分析了它们对过程参数和辅助设备的作用和影响,并得出了可以利用冷却介质蒸发时产生的压力实现控制调节的结论。这样即可在20%~120%的负载变化范围内实现连续性的流程设备控制。

流程设备运营商何时使用动态模拟技术才是最有意义的呢?当流程设备运营商想更加深入地了解流程设备各部件间过程控制波动时的相互关联时,采用动态模拟技术总是有意义的。在这两种情况下,流程工艺技术人员必须了解流程设备局部过程的波动对整个系统的影响。

当流程设备处在规划设计阶段时,动态模拟技术在验证自动化控制方案的可行性时非常重要。原则上讲,在流程设备规划设计的第一步中,采用动态模拟技术需要付出一定的艰辛和努力,但它却为下一步的规划设计过程和最终的实际过程管理做好了预先准备。

“如果在流程设备寿命周期内一直采用动态模拟技术方案,可以明显地降低总工作量,也可以减少控制调节程序修改时的工作量。” Moritz Wendt博士说。