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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:吳國亮
研究生(外文):Wu, Kwo-Liang
論文名稱:整廠程序之設計與控制
論文名稱(外文):Plant-wide process Design and Control
指導教授:余政靖
指導教授(外文):Cheng-Ching Yu
學位類別:博士
校院名稱:國立台灣工業技術學院
系所名稱:化學工程技術研究所
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1997
畢業學年度:85
語文別:中文
論文頁數:6
中文關鍵詞:整廠控制操作性多重穩態程序限制設備限制液位控制
外文關鍵詞:plant-wide controloperabilitymultiple steady stateprocess controlequipment constraintlevel control
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歷經能源危機與環保意識高漲的今天,在化工製造程序的設
計也就更趨於嚴謹,具有迴流結構的整合型工廠逐漸受到產 業界重視
,但其操作性(operability)與以往串級單元的程序 迥然不同,本論
文將針對具有反應器/分離器的迴流程序討論 其控制與設計之間的關
聯性,一個顯著的差異在於選擇不適 當的控制結構造成操作性能差且
不易提高產能(throughput), 這是當負載變化時未將工作平均分配給
各個單元,這種不平 衡工作分配導致在某些程序變數偏差過大,用穩
態分析方式 來說明工作不均所造成的效應並提出適當控制結構來克服
干 擾消除的問題。此外藉由有系統的調諧步驟找出在整廠控制 策
略中的控制器參數,利用一個反應器/分離器的迴流程序來 說明平衡
控制結構的效果和控制器參數調諧,模擬結果證明 平衡結構能處理較
大的負載變化且能維持良好動態作業性能。 含有迴流的化工程序
,其程序結構的排序與反應動力及熱力 學平衡問題有絕對的相關性,
本研究將從簡單反應動力A->B 到複雜A+B->C, A+B+C->D的反應動力式
配合相對揮發度的排 序而導出不同迴流程序結構,並得到通式,經由
通式所提供的 訊息來分析各種物理現象,經濟評估及可操作度來設計
化工程序,從分析過程中將各種不同的程序歸納出幾點啟發 性(
heuristic)的建議,程序本身的限制藉由良好控制結構選 擇來排除不
好的操作性能,經由動態模擬結果以驗證設計準 則的可靠性。
在迴流程序中我們碰到反應器液位控制的問題,而對液位控 制的部份
,所討論非直接前饋/回饋(iFF/FB)控制是根據兩 個常數增益元素而
建立,本文將探討其穩態特性、動態性質 和韌性問題。液位控制推導
過程中在有條件的情況下使兩個因 子(最大波峰高度、最大排放流量
的改變)最小化。對單一控 制器參數的調諧提供簡化的控制器設計步
驟。在非直接前饋/回 饋控制架構之下針對反應器液位控制,我們從
設定點和負載 響應來分別設計,並以一個反衝槽為例和整廠反應器液
位控 制問題來說明已發展的控制結構的作業性能,結果證實液位
控制效率在非直接前饋/回饋控制理念下能被達成。 在真實
程序應用上,我們以田納西伊士特曼複雜的迴流程序為對 象來探討具
有迴流的程序工廠之操作性能,並以簡化程序模式 來解析田納西工廠
的物理現象。結果證明反應器組成分佈在決 定最佳操作條件方面扮演
極重要的角色(如達成最高轉化率)。在 不同產率所得到最佳操作點的
軌跡線亦即建立最佳操作策略 (OOP)的依據,從最佳操作策略我們觀
察到迴流程序含有多重輸 入的問題(input multiplicity)。這對於迴
流工廠操作是值得注 意。最佳操作策略提示了當產能改變時會發生程
序本身的限 制,不論如何控制系統的設計或許會造成操作性能的極限
;另 一方面,最佳操作策略可用來評估適當的設備設計,結果證明
迴流壓縮機是不好的設計,因此造成較小的操作範圍。一套簡 單設計
步驟可用來分析迴流程序的控制和設備設計,結果說明 複雜的迴流程
序能以有系統的方式分析,更重要的是,所有的分析 基本上依據較簡
單程序模式來作透析式的分析。
The economic and environmental considerations often
lead to more stringent process design. In terms of plant
operation, this means the existence of recycle structures in
processing plants. The steady-state and dynamic
behaviors of the reactor/separator system differ
significantly from their individual unit counterparts. A
notable difference is the limited throughput handling
capability when the control structure (selection of
controlled and manipulated variables) is not appropriately
chosen. Since the extra work, resulted from load change,
is not evenly distributed among process units, this imbalance
leads to large deviations in some process variables. Analyses
are given to illustrate this effect and a control
structure is proposed to overcome this disturbance
rejection problem. Furthermore, a systematic tuning
procedure is also proposed to find the controller parameters
in plantwide control. A reactor/separator process is used
to illustrate effectiveness of the balanced control
structure and controller tunin g procedure. Simulation
results show that the balanced scheme can handle large load
changes while maintaining good dynamic performance.
The indirect feedforward/feedback (i-FF/FB) control is
constructed based on these two constant gain elements.
Steady-state characteristics, dynamic properties and
robustness issues of the i-FF/FB control are explored.
Consequently, a condition minimizing two unfavorable factors
(maximum peak height and maximum rate of change in outflow)
in level control is derived. This, in term, simplifies the
controller design to a single parameter tuning problem.
Therefore, a design procedure is proposed for the surge
ta nk level control. As for reactor level control, since
the set point and load responses can be designed
separately under the i-FF/FB configuration, a design procedure
is also proposed for this type of process. A surge tank
example and a plantwide reactor level control problem are
used to illustrate the performance of the proposed control
configuration. Results show that effective control can be
achieved using the indirect FF/FB control only two constant
gain feedback. In this work, a complex
process with recycles, Tennessee Eastman Challenge
Process, is studied to explore the operability for plants with
recycles. A simplified process model is constructed to provide
physical insight into the Eastman Plantwide process. The
results show that the composition distribution in the reactor
(or the recycle flow rate) plays an important role in
determining the optimal operating condition, i.e., achieving
maximum one-pass conversion. The trajectory of these optimal
operating points at different production rates is employed to
construct the optimal operating policy (OOP). From the OOP,
input multiplicity is observed for the plant with recycles.
Therefore, care has to be taken in operating plants with
recycles. The optimal operating policy also indicates an
inherent constraint on the production rate imposed by the
process, e.g., process constraint. However, the design of
control system may lead to an even more limited operability.
Moreover, the OOP can be used to evaluate the
appropriateness of the designed equipment. The results show
that the recycle compressor is not adequately designed and,
subsequently, leads to an even smaller operating range. A
design procedure is summarized to analyze the process,
control and equipment design aspects of recycle processes.
The results indicate that complex recycle processes can
be analyzed in a systematic way and, more importantly,
all these analyses are based on a rather simple process
model in a transparent manner. ( Keywords: plantwide
control; operability; multiple steady states; process
constraint; equipment constraint; level control; integrator
process; load estimation; feedforward control; two-degree-
of-freedom control. )
封面
中文摘要
英文摘要
誌謝
目錄
圖索引
表索引
第一章
第二章
2.1 背景
2.2 迴流系統
2.3 整廠控制結構
2.4 穩態分析
2.5 動態與控制
2.6 結論
第三章
3.1 簡介
3.2 迴流系統描述
3.3 簡單反應的操作性能設計
3.4 複雜反應的操作性能設計
3.5 結論
第四章
4.1 簡介
4.2 含有負載估算的前饋控制
4.3 非直接前饋 / 回饋系統液位控制
4.4 控制器設計
4.5 應用
4.6 結論
第五章
5.1 簡介
5.2 程序描述
5.3 程序分析 - 理想產率
5.4 產率改變時之程序分析
5.5 達成最大產能
5.6 摘錄
5.7 結論
第六章
第七章
參考文獻
符號說明
附錄 A
作者簡介
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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