Aspen Dynamics在控制中的应用

前     言

我们在Aspen Plus里面所模拟的是稳态模型，但是，对于实际运转的装置，进料流量或者组成等量一般都是在某个范围动态变化的，此时控制方案的设计就需要发挥很大的作用，用来保证在某些数据突然波动的情况下，通过自身的调整能使操作工况很快恢复到正常水平。Aspen Dynamics是Aspen软件内部的一个单独模块，可以用于设计流程的控制方案、验证现有控制方案的合理性和对控制方案进行优化。下面就对Aspen Dynamics动态模拟过程进行概括性的介绍。

该过程主要分为两部分，分别在Aspen Plus和Aspen Dynamics中完成，第一部分需要完成稳态模拟到动态模拟的转变，第二部分则是进行控制器的添加和扰动的动态模拟。

从稳态模拟到动态模拟的转变

在稳态模拟的基础上需要添加动态模拟需要的额外信息，包括塔顶回流罐体积、塔釜体积，填料信息，以及塔板和管线压降等，之后由 Aspen Plus 自行生成 Dynamics 文件。首先需要在Aspen Plus中先通过“Hydraulics”水力学界面读取第一块理论板（冷凝器）和最后一块理论板（再沸器）的体积流率，通过5min停留的液体体积为设备体积的50%以及设备长径比为2来计算回流罐以及再沸器的长度与直径。

水力学（Hydraulics）标签页

在Aspen Plus顶部工具栏中点击Dynamics按钮，就会出现设置窗口，填写“Reflux Drum”“Sump”和“Hydraulics”信息。设备尺寸填写完成之后，所有管线都需要通过减压阀设置压降，全塔也必须有压降，特别需要注意的是，进料管线减压阀的出口压力需要精确地等于进料塔板位置的压力。设置完成之后需要通过工具栏中的Pressure Checker对管道体系压力进行检测，检测必须通过方可进行下一步。

冷凝器及再沸器尺寸输入

这一步应该来说是最关键的一步，决定导出来的文件是否在Dynamics中可以正常运行，因为Aspen Plus和Aspen Dynamics是两个不同的模块，因此需要导出成dynamics可以识别的文件格式。步骤：点击左上角的File，选择Export，选择生成“.dynf & dyn.appdf”文件。但是在导出的过程中如果弹出错误或者警告的窗口，就需要返回解决上述的错误和部分警告，然后再重新导出，直到没有错误，可以剩余部分提示性的警告，否则文件在Dynamics中将无法运行。

Aspen Plus转动态模拟后的截图

错误和提醒对话框

控制器的添加和扰动的动态模拟

通过Dynamics打开.dynf文件后，第一步是分别进行初始化（Initialization）和动态（Dynamics）运行以确定一切正常。第二步就是进行控制器的安装，至少需要有回流罐液位控制，塔釜液位控制，进料流量控制，塔板温度控制。如果设计复杂控制则控制器数量和之间的关联也会更多。

精馏塔的基本控制方案

选好控制元件，同时对每一个控制元件的参数进行设置（期望值、正负反馈等）。如果参数设定不当，将不能很好的调整操作工况迅速恢复正常。

控制器仪表面板

在稳态模拟中，由于扰动很小，控制器参数对稳态模拟运行结果影响极小，不存在由于 PID 控制参数的不适当引起的控制震荡发散，在扰动添加后，控制器参数对控制的效果影响较大，因此需要对控制器的参数进行整定，也称为继电-反馈测试。

继电-反馈测试

完成整定之后，最后一步就是动态扰动分析，有很多量的波动可以分析，这里一般以进料波动的10%~20%进行扰动分析，观察主要参数在多长时间能恢复正常，用来判断整个控制方案的合理性和控制效果，进料波动可以通过编写程序或者直接在某个时间更改进料流率实现。如果发现某些必须恢复正常的参数没有恢复原来的值，那就说明控制方案在某些地方不合理，需要重新调整。

进料波动20%的扰动分析

写在最后

以上只是将动态模拟的全过程进行了简要的说明，对于更详细的步骤讲解，可以购买威廉·鲁平的《Aspen模拟软件在精馏设计和控制中的应用》一书，公众号为大家提供由马后炮化工网翻译的该书电子版初稿，在公众号后台回复“湖人总冠军”，即可收到百度云下载链接。

这是我在中国石油大学（北京）本科最后一天完成的文章编辑，两个小时后，我将踏上开往家乡的列车，我的本科生涯已经画上了句号。在此，我也希望各位参加化工设计竞赛的队伍们能够继续坚持，我很高兴、也很自豪在大学四年能参加这样一个高难度、高强度的比赛，无论结果如何，至少一起坚持过。我相信，你们也是这样想的。

注：本文编辑除了参考上述图书外，同时参考中国石油大学（华东）SSR团队和天津大学硫离团队作品，在此表示感谢。

——写于2018年6月30日下午

本期编辑：叶    阳

本期排版：伍青林