甲醇四塔精餾系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種甲醇四塔精餾系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，從DCS歷史數(shù)據(jù)庫中提取歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為精餾系統(tǒng)的模型，該模型以預(yù)精餾塔的出料作為輸入，其他三塔的操作參數(shù)為優(yōu)化對(duì)象，再使用改進(jìn)的遺傳算法，通過選擇、交叉、變異操作，反復(fù)調(diào)用所述訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，尋找給定進(jìn)料條件與生產(chǎn)要求下的最優(yōu)操作參數(shù)。本發(fā)明能夠在不改變精餾塔的結(jié)構(gòu)與工作原理的情況下，避免了人工試湊，直接計(jì)算得出最優(yōu)操作參數(shù)，同時(shí)完成降低成本、能耗和提高產(chǎn)能兩個(gè)目標(biāo)。
【專利說明】甲醇四塔精餾系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及化工精餾【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種甲醇四塔精餾系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]甲醇作為煤化工產(chǎn)業(yè)最主要的產(chǎn)品之一和非常重要的替代能源，在當(dāng)今全球化工市場起著非常重要的作用。精餾是甲醇生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)企業(yè)的產(chǎn)量及收益影響重大，且由于精餾能耗在總能耗中占比很大，降低精餾環(huán)節(jié)的能耗成為企業(yè)節(jié)約成本與完成節(jié)能減排目標(biāo)的重要課題。
[0003]甲醇四塔精餾系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。粗甲醇經(jīng)換熱后進(jìn)入預(yù)精餾塔，脫除輕組分，塔底的高沸點(diǎn)組分經(jīng)加壓后進(jìn)入加壓塔。加壓塔塔頂?shù)臍怏w進(jìn)入換熱器，利用加壓塔塔頂和常壓塔塔底的溫差，冷凝加壓塔塔頂氣相，同時(shí)給常壓塔塔底提供熱能。加壓塔與常壓塔的塔頂餾出精甲醇產(chǎn)品，一部分回流回塔內(nèi)。常壓塔的側(cè)線抽出物進(jìn)入甲醇回收塔抽出雜醇油，廢水進(jìn)入生化系統(tǒng)處理。
[0004]在實(shí)際生產(chǎn)中，精餾系統(tǒng)的進(jìn)料流量、進(jìn)料質(zhì)量等進(jìn)料條件會(huì)隨著上游生產(chǎn)狀況發(fā)生改變，出料產(chǎn)品質(zhì)量等指標(biāo)也會(huì)依據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)劃發(fā)生改變。當(dāng)這些條件與約束指標(biāo)改變時(shí)，如何調(diào)節(jié)精餾系統(tǒng)的控制參數(shù)，達(dá)到總能耗、產(chǎn)品單位能耗、產(chǎn)品流量等多個(gè)目標(biāo)的整體最優(yōu)，成為精餾系統(tǒng)控制的研究重點(diǎn)。
[0005]現(xiàn)有的精餾系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)單純依靠工人的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。這種控制方法主要有兩大缺點(diǎn):第一，無法保證能耗與產(chǎn)量的最優(yōu);第二，由于系統(tǒng)的滯后性，通常在1、2個(gè)小時(shí)后才能測得系統(tǒng)穩(wěn)定后的產(chǎn)品質(zhì)量。如果參數(shù)調(diào)節(jié)不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，造成已有產(chǎn)品的浪費(fèi)。這兩點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本難以降低，物料與能源的利用率難以提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種甲醇四塔精餾系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建模，使用改進(jìn)的遺傳算法求解上游物料條件與生產(chǎn)要求改變時(shí)的最優(yōu)操作變量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定后單位能耗、流量多個(gè)目標(biāo)的協(xié)同優(yōu)化。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種甲醇四塔精餾系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，包括以下步驟:
[0008]步驟I分析所述甲醇四塔精餾系統(tǒng)的自由度及實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以預(yù)精餾塔的出料作為輸入，加壓塔、常壓塔和甲醇回收塔的操作參數(shù)為優(yōu)化對(duì)象，定義了一個(gè)包含7個(gè)輸入、4個(gè)輸出的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為精餾系統(tǒng)的模型；
[0009]步驟2在化工廠DCS歷史數(shù)據(jù)庫中提取所述7個(gè)輸入與4個(gè)輸出的歷史數(shù)據(jù)；
[0010]步驟3將提取出的所述歷史數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，對(duì)所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行離線訓(xùn)練；[0011]步驟4使用遺傳算法，通過選擇、交叉、變異操作，每一代的每一個(gè)體在計(jì)算適應(yīng)度時(shí)調(diào)用所述訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，尋找給定進(jìn)料條件與生產(chǎn)要求下的所述遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)最大的操作參數(shù)，根據(jù)得到的所述操作參數(shù)對(duì)所述加壓塔、常壓塔和甲醇回收塔進(jìn)行控制。
[0012]在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的7個(gè)輸入分別是=F1:預(yù)后粗甲醇的流量(kg/h) ；Cl:預(yù)后粗甲醇中甲醇的含量(%) ；c2:預(yù)后粗甲醇中乙醇的含量(%):加壓塔的供熱(kW/h) ；k:加壓塔塔頂采出的流量/常壓塔塔頂采出的流量；P:加壓塔塔頂?shù)膲毫?kPa) ；F2:常壓塔側(cè)線采出的流量(kg/h);所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)輸出分別是:B:精甲醇產(chǎn)品的單位能耗(kW/kg);F:加壓塔與常壓塔精甲醇產(chǎn)品的流量和(kg/h) ;cpl:加壓塔塔頂精甲醇產(chǎn)品中乙醇的實(shí)際含量(ppm);cp2:常壓塔塔頂精甲醇產(chǎn)品中乙醇的實(shí)際含量(ppm)。
[0013]在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，，所述步驟4中所述進(jìn)料條件為=FpCpC2，所述生產(chǎn)要求為:加壓塔塔頂精甲醇產(chǎn)品中乙醇的最大容許含量(ppm)、cmax2和常壓塔塔頂精甲醇產(chǎn)品中乙醇的最大容許含量(ppm)。
[0014]在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，，步驟2中所述歷史數(shù)據(jù)為15000組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)均為所述甲醇四塔精餾系統(tǒng)連續(xù)2小時(shí)以上穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的數(shù)據(jù)。
[0015]在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，，所述步驟3中訓(xùn)練出的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中隱含層為一層，隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為10個(gè)。
[0016]在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述步驟4中所述進(jìn)料條件為:Fp C1, C2，所述生產(chǎn)要求為:cmaxl:加壓塔塔頂精甲醇產(chǎn)品中乙醇的最大容許含量(ppm)，和Cmax2:常壓塔塔頂精甲醇產(chǎn)品中乙醇的最大容許含量(ppm)。
[0017]在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述進(jìn)料條件為:進(jìn)入加壓塔粗甲醇總流量為55085.201kg/h,甲醇質(zhì)量含量84.9`%`,乙醇質(zhì)量含量0.2%，所述生產(chǎn)要求為:加壓塔塔頂精甲醇產(chǎn)品和常壓塔塔頂精甲醇產(chǎn)品中乙醇含量均低于50ppm。
[0018]在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述步驟I中操作參數(shù)為=QpklF2t5
[0019]在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述優(yōu)化多目標(biāo)為B和F。
[0020]在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述改進(jìn)遺傳算法流程如下:
[0021](I)種群初始化；
[0022]( 2 )計(jì)算每個(gè)個(gè)體適應(yīng)度；
[0023]( 3 )選擇、交叉與變異；
[0024](4)如果循環(huán)已滿2000次，則算法結(jié)束，輸出最優(yōu)個(gè)體，否則跳至步驟(2)。
[0025]在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述步驟4中所述改進(jìn)遺傳算法尋優(yōu)的適應(yīng)度函數(shù)f通過如下公式計(jì)算:
【權(quán)利要求】
1.一種甲醇四塔精餾系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，包括以下步驟: 步驟I分析所述甲醇四塔精餾系統(tǒng)的自由度及實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以預(yù)精餾塔的出料作為輸入，加壓塔、常壓塔和甲醇回收塔的操作參數(shù)為優(yōu)化對(duì)象，定義一個(gè)包含7個(gè)輸入、4個(gè)輸出的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為精餾系統(tǒng)的模型； 步驟2在化工廠DCS歷史數(shù)據(jù)庫中提取所述7個(gè)輸入與4個(gè)輸出的歷史數(shù)據(jù)； 步驟3將提取出的所述歷史數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，對(duì)所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行離線訓(xùn)練，測試并最終確定BP網(wǎng)絡(luò)模型中隱含層的最終層數(shù)與中間結(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)； 步驟4使用遺傳算法，通過選擇、交叉、變異操作，每一代的每一個(gè)體在計(jì)算適應(yīng)度時(shí)調(diào)用所述訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，尋找給定進(jìn)料條件與生產(chǎn)要求下的所述遺傳算法的多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)下的適應(yīng)度函數(shù)最大的操作參數(shù)，根據(jù)得到的所述操作參數(shù)對(duì)所述加壓塔、常壓塔和甲醇回收塔進(jìn)行控制。
2.如權(quán)利要求1所述的甲醇四塔精餾系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，其中，所述步驟I中所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的7個(gè)輸入分別是=F1:預(yù)后粗甲醇的流量；Cl:預(yù)后粗甲醇中甲醇的含量；C2:預(yù)后粗甲醇中乙醇的含量說:加壓塔的供熱；k:加壓塔塔頂采出的流量/常壓塔塔頂采出的流量；P:加壓塔塔頂?shù)膲毫?；F2:常壓塔側(cè)線采出的流量； 所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)輸出分別是:B:精甲醇產(chǎn)品的單位能耗；F:加壓塔與常壓塔精甲醇產(chǎn)品的流量和；cpl:加壓塔塔頂精甲醇產(chǎn)品中乙醇的實(shí)際含量；cp2:常壓塔塔頂精甲醇產(chǎn)品中乙醇的實(shí)際含量。
3.如權(quán)利要求1所述的甲醇四塔精餾系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，其中，所述步驟3中訓(xùn)練出的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中隱含層為一層，隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為10個(gè)。
4.如權(quán)利要求2所述的甲醇四塔精餾系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，其中，所述步驟4中所述進(jìn)料條件為=FpCp C2，所述生產(chǎn)要求為:cmaxl:加壓塔塔頂精甲醇產(chǎn)品中乙醇的最大容許含量，和Cmax2:常壓塔塔頂精甲醇產(chǎn)品中乙醇的最大容許含量。
5.如權(quán)利要求5所述的甲醇四塔精餾系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，其中，所述進(jìn)料條件為:進(jìn)入加壓塔粗甲醇總流量為55085.201kg/h,甲醇質(zhì)量含量84.9%,乙醇質(zhì)量含量0.2%,所述生產(chǎn)要求為:加壓塔塔頂精甲醇產(chǎn)品和常壓塔塔頂精甲醇產(chǎn)品中乙醇含量均低于50ppmo
6.如權(quán)利要求2所述的甲醇四塔精餾系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，其中，所述步驟I中操作參數(shù)為=QpKPiy
7.如權(quán)利要求2所述的甲醇四塔精餾系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，其中，所述優(yōu)化目標(biāo)為B和F。
8.如權(quán)利要求1所述的甲醇四塔精餾系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，其中，所述步驟4中的遺傳算法是一種在每一輪生成新個(gè)體時(shí)，保留本輪和全局最優(yōu)的個(gè)體，以及自適應(yīng)的變異和交叉概率的遺傳算法，算法步驟如下: (1)種群初始化； (2)計(jì)算每個(gè)個(gè)體適應(yīng)度； (3)選擇、交叉與變異； (4)如果循環(huán)已滿2000次，則算法結(jié)束，輸出最優(yōu)個(gè)體，否則跳至步驟(2)。
9.如權(quán)利要求9所述的甲醇四塔精餾系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，其中，所述遺傳算法尋優(yōu)的適應(yīng)度函數(shù)f通過如下公式計(jì)算:
10.如權(quán)利要求9所述的甲醇四塔精餾系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，其中，所述罰項(xiàng)
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK103488085SQ201310433413
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】趙霞, 施辰斐, 謝秋風(fēng), 路東昕, 吳永生, 王炯 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué), 上海德邁科電氣控制工程有限公司