Fuzzy Bibliothek/Technische Anwendungen/Destillationskolonnen
Regelung luftgekühlter Destillationskolonnen und eines Gaserzeugers in einer Raffinerie
von Thomas Froese und Nicholas Vollmer, ATLAN-tec KG für lean research & technische Systeme, Lobbericher Str. 26, 41749 VIERSEN, Tel.: 02162-96036-0, Fax: 02162-96036-100, EMail: 100616.434@compuserve.com
Veröffentlichungsnotiz: Dieser Beitrag wurde im Rahmen des 6. Aachener Fuzzy-Symposiums der INFORM GmbH im November 1996 publiziert.
1. Regelung von luftgekühlten Destillationskolonnen
Für die übergeordnete Regelung von Destillationskolonnen gibt es einer Reiher erprobter Standardkonzepte. Eines dieser Standardkonzepte ist die Störgrößenaufschaltung nach der Untersuchung der Kopplung der einzelnen Kolonnenregelkreise. Ein bewährtes Verfahren für diese Berechnung ist die Relativ-Gain-Analyse nach F. G. Shinskey. ATLAN-tec hat einige industrielle Destillationskolonnen auf der Basis modifizierter Strategien nach Shinskey optimiert. Die Advanced-Control-Strategie wird in einem Fuzzy-Regler realisiert und kann dann empirisch an die speziellen Gegebenheiten der jeweiligen Anlage angepaßt werden.
Werden Kolonnen beispielsweise stärker belastet, als es die Auslegung vorsieht, können Puffervolumina im Kopf und im Sumpf zu klein sein, um alle vorkommenden Störungen mit stabilen (entkoppelten) Kreuzstrategien abzufangen. In diesem Falle kann man mit Fuzzy-Reglern gleitende Strategieumschaltungen realisieren, die zwischen den relativ langsam reagierenden aber stabilen Strategien (für den Normalbetrieb) und schnell wirkenden aber instabilen Strategien (bei großen Störungen) umschalten.
Eine andere Anwendung ergibt sich im Falle von freistehenden Kolonnen, die eine große Witterungsempfindlichkeit zeigen. Mit einer Fuzzy-Regelug ist es ohne größere Schwierigkeiten möglich, einen weiteren Eingang zu realisieren, welcher schnelle Schwankungen der Außentemperatur, wie sie z.B. bei Platzregen im Sommer vorkommen als Störgröße zusätzlich auf die Kühlleistung des Kopfkühlers aufschaltet und somit der Störung entgegenwirkt, noch ehe der Kopfdruck der Kolonne reagiert und damit die Trennleistung erheblich verändert wird. Bei luftgekühlten Kolonnen besteht jedoch das Problem, daß die Kühlleistung im Kopf nicht kontinuierlich geregelt werden kann und eine zusätzliche starke Außentemperaturempfindlichkeit besteht, da das Kühlmedium die Außenluft ist.
In der Regel besteht ein Luftkühler aus mehreren Lüftern, welche ein- und ausgeschaltet werden können. Im betrachteten Beispiel existieren 4 Lüfter. Außerdem können die Lüfterklappen in Ihrer Neigung verstellt werden. Um die 4 Lüfter nun so zu regeln, daß eine kontinuierliche Veränderung der Kühlleistung und somit eine Regelung des Systems möglich ist, wurde ein Fuzzy-Block aufgebaut, welcher zwei Eingänge und 5 Ausgänge hat.
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| Die Eingangsvariable Anforderung ist eine Kühlanforderung in einer einheitenlosen Größe im Wertebereich von 0 bis 10. Sie wird im linken Block mit der Außenlufttemperatur korrigiert zu der korrigierten Energieanforderung Anf1. Sinn dieser Größe ist es, dem System die Möglichkeit zu geben eine außentemperaturunabhängige und reproduzierbare Kühlleistung bei gleichem Wert für Anforderung zu erzielen. Aus der korrigierten Anforderung der Kühlleistung werden im oberen rechten Block vier Schaltsignale erzeugt, welche die Lüfter ein- und ausschalten. Im unteren rechten Block wird die Klappensteuerung mit einer Art Sägezahngenerator in Abhängigkeit von der korrigierten Energieanforderung gesteuert. |
Erhöht man (bei gleichbleibender Außentemperatur) die Kühlanforderung kontinuierlich, wird zunächst der Lüfter 1 bei 0% Klappenstellung angefahren. Die Klappenstellung wird dann kontinuierlich bis auf 70% erhöht. Dann wird Lüfter 2 eingeschaltet und die Klappenstellung wird auf 30% zurückgestellt und wieder langsam bis auf 70% hochgerampt u.s.w. Damit ist eine kontinuierliche Regelung der Luftleistung möglich. Um an einzelnen Arbeitspunkten ein ständiges Ein- und Ausschalten der Lüfter zu vermeiden, wurde zusätzlich noch eine Hysterese in den Blöcken realisiert.
Eine übergeordneten Fuzzy-Regelung gibt nun Incremente auf den einheitenlosen Eingang dieses Fuzzy-Reglers. Diese Incremente werden in Abhängigkeit von der Änderung der Zulauftemperatur (über Totzeitglied), der Menge Kopfabzug und des Rücklaufverhältnisses, sowie (Feedback-Größe) von dem Diferenzdruck über die Kolonne mit einem weiteren vorgeschalteten Fuzzy-Mehrgrößenregler geregelt.
Das System wurde von hinten nach vorne entwickelt. Zunächst wurden bei gleichbleibender Außentemperatur die rechten beiden Blöcke der obigen Strategie solange verändert, bis sich die Wärmeabfuhr der Kolonne mit veränderlicher Kühlanforderung im Bereich zwischen 0 und 10 auch einigermaßen kontinuierlich änderte. Dann wurde aus Mitschrieben der Außentemperatur und der Reaktion der Kolonne der linke Korrekturblock parametriert. Als letztes wurde die klassisch entwickelte Mehrgrößenregelung vorgeschaltet und empirisch angepaßt. Das System zeigt nach dem ersten Betriebssommer eine erhebliche Verbesserung der Qualitätskonstanz des Produktes. Der Ausschuß und damit die rückgeführte Menge konnte von 8% auf 1% gesenkt werden, womit sich das System bereits nach 4 Monaten amortisiert hat.
2. Regelung eines Gaserzeugers in einer Raffinerie
Eine Raffinerie betreibt einen Verdampfer zur zusätzlichen Gaserzeugung. Dieser Verdampfer soll Synthesegas in das Werksnetz einspeisen, wenn die Bilanz zwischen Erzeugern und Verbrauchern im Werksnetz, sowie der zusätzlichen Einspeisung aus der Fernleitung (Pipeline) einer anderen Raffinerie aus negativ ist. Der Verdampfer gleicht demnach Mehrbedarf des Gesamtsystems aus. Da das im Verdampfer hergestellte Synthesegas im Verhältnis zu dem Gas der anderen Gaserzeuger des Werkes und der Pipeline teuer ist, soll die Gasmengenproduktion im Verdampfer minimiert werden, ohne dadurch die Verfügbarkeit von Gas im Werksnetz einzuschränken.
| Ziel ist die Bereitstellung einer ausreichenden Gasmenge im Werksnetz. Ein Maß für die Gasmenge im Puffer (Gasleitungen im Werk) ist der Druck des Werksnetzes. Die Fuzzy-Regelstrategie soll die Regelung des FC2122 automatisch durchführen und dabei den Verdampfer optimal betreiben. Das Pipeline-Ventil FC2132 soll über die Kaskade PC2137 auf FC2132 geregelt werden und der Regler des Verdampfers über den Fuzzy-Regler sollwertgeführt wird. Damit wird die Pipeline als Gaslieferant zum Ausgleich schneller Änderungen des Systemdruckes eingesetzt, während der Verdampfer vom Fuzzy-Regler langsam an die Anforderungen des gesamten Systems angepaßt wird. |
Bei dieser Regelstrategie gilt es bestimmte Ziele und Bedingungen einzuhalten:
Zum Erreichen dieses Zieles wurde ein Fuzzy-Regler auf einem überlagerten Prozeßrechner implementiert. Das entwickelte Fuzzy-System hat die folgende Struktur:
| Der Fuzzy-Regler ist kaskadiert aufgebaut. Zunächst wird eine Änderung des Grundbedarfes im Regelblock 1 berechnet. Dieser Regelblock 1 enthält einen Feed-Back-Zweig (xw_Druck) und einen Feed-Forward-Zweig (d_f_error_dt). Regelblock 2 bringt die Berücksichtigung der Ventilstellung FC2132 (y_FC2132) mit ein: Regelblock 3 berücksichtigt den Verdampferdruck und Regelblock 4 gewichtet das Ergebnis in Abhängigkeit von der Ventilstellung FC2122 (X_FC2122). Die einzelnen Punkte und Strategien werden im folgenden beschrieben. Die Eingangsgröße df_error_dt wird außerhalb des Fuzzy-Reglers im Prozeßrechner berechnet und enthält die erste Ableitung der Änderung in der erfaßten Verbaucher-/Erzeuger-Bilanz. Alle bekannten Verbraucher und Erzeuger werden hier aufsummiert und als Differenzenquotient minütlich berechnet. Dieser Wert ist zwar nicht genau und er schwankt sehr stark, er gibt aber einen Hinweis auf Tendenzen im Gesamtverbrauch und ermöglicht so eine "vorbeugende" Veränderung der Verdampferleistung im Sinne einer Feed-Forward-Strategie. |
Die Variable xw_Druck beschreibt die Abweichung des Sollwertes von Ist-Wert des Systemdruckes. Damit fürht diese Variable das System in Abhängigkeit vom bereits kumulierten Regelfehler (Feed-Back). Die Variable y_FC2132 gibt die Ventilstellung des Ventils FC2132 an, welches die Menge des abgezogenen Gases aus der Pipeline einstellt. Der Verdampfer wird an Hand dieser Variable so korrigiert, daß er möglichst dieses Ventil in der Mittelstellung hält, um dem schnellen Regelkreis Regelreserven zu geben. Befindet sich das Stellventil im Bereich zwischen ca. 15% und 45% hat diese Variable keinen Einfluß auf das Regelverhalten des Fuzzy-Reglers. Oberhalb oder unterhalb dieses Bereiches versucht der Fuzzy-Regler den FC2122 über diese Variable so zu beeinflussen, daß der mittlere Stellbereiches des Ventils wieder angestrebt wird.
Die Variable p_Verdampfer beschreibt den Druck im Verdampfer. Ist dieser Druck sehr hoch, muß als Korrekturmaßnahme - unabhängig von anderen Bedingungen - das Ventil FC2122 geöffnet werden, um Überdruck abzubauen. Die Variable x_FC2122 beschreibt die Ist-Öffnung des Ventils FC2122 und hat nur die Funktion eines unteren / oberen Anschlages. Ist das Ventil bereits geöffnet, darf es nicht weiter geöffnet werden; ist es geschlossen, darf es nicht weiter geschlossen werden.
Das gesamte System konnte innerhalb weniger Manntage entwickelt, getestet werden und implementiert werden und führte zu einer erheblichen Entlastung des Bedienpersonals und einer Energieeinsparung beim Verdampfer von ca. 8%.
3. Literatur
Froese Thomas, "Optimierung einer C2-Hydrierung" in Fuzzy-Logic Band 2 (Anwendungen), Oldenbourg-Verlag
Froese Thomas, "Applying of Fuzzy-Control and Neural Networks to Modern Process Control Systems", EUFIT-Kongreßband 1993
Froese Thomas, "Predictive Control with Neural Networks and Fuzzy-Control", EUFIT-Kongreßband 1995
Shinskey F.G., "Distillation Control", Mc Graw Hill