石油化工生產(chǎn)過程的先進(jìn)控制和閉環(huán)實(shí)時優(yōu)化的現(xiàn)狀與問題
| 方面是生產(chǎn)裝置的運(yùn)行與操作控制方法的設(shè)計(jì)，需要動態(tài)數(shù)學(xué)模型作為基礎(chǔ)。這兩方面是相輔相成的，工藝參數(shù)和設(shè)備是操作控制的對象，若不合理就無法運(yùn)行，或者造成操作控制的困難；操作控制不合理，就無法充分發(fā)揮生產(chǎn)裝置的作用。 目前設(shè)計(jì)工作主要考慮的是第一方面，因而是不全面的，極易造成工藝設(shè)備與操作控制的脫節(jié)，影響生產(chǎn)裝置效益的發(fā)揮。目前絕大部分實(shí)例都是在生產(chǎn)裝置投產(chǎn)之后，才能由專門的公司或技術(shù)隊(duì)伍開發(fā)和實(shí)施，拖延時間較長。迫切要求實(shí)現(xiàn)過程控制和設(shè)計(jì)的一體化，在給出工藝流程和設(shè)備的同時，也給出先進(jìn)控制和閉環(huán)實(shí)時優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟硬件；在裝置投運(yùn)的過程中，先進(jìn)控制和閉環(huán)實(shí)時優(yōu)化系統(tǒng)也同時投運(yùn)；從而避免工藝設(shè)計(jì)與操作控制的脫節(jié)，縮短開工周期，迅速發(fā)揮裝置的效益。要作到這一點(diǎn)，開發(fā)機(jī)理動態(tài)數(shù)學(xué)模型，并用之分析裝置的操作運(yùn)行，給出操作控制的設(shè)計(jì)，是非常必要的。為此，不僅要給出過程穩(wěn)態(tài)特性的設(shè)計(jì)，同時要給出過程動態(tài)特性的設(shè)計(jì)，必將使設(shè)計(jì)工作進(jìn)入到一個新的更高的水平。 過程控制與設(shè)計(jì)的一體化已經(jīng)引起了人們的注意，出現(xiàn)了很多有關(guān)文獻(xiàn)，近年來出現(xiàn)的文獻(xiàn)見〈52-54〉。其基本問題是過程動態(tài)特性的設(shè)計(jì)，目的是使生產(chǎn)過程不僅是可操作控制的，也要易于操作控制。牽涉的主要技術(shù)問題如下： 為說明問題，以摻煉渣油和具有回?zé)挼拇呋鸦b置為例： 穩(wěn)定性問題：化學(xué)反應(yīng)器，尤其是放熱反應(yīng)過程的不穩(wěn)定問題，已有多年的討論和研究。對催化裂化裝置，由于裂化反應(yīng)和燒焦反應(yīng)互相影響，問題較為復(fù)雜，至今仍無嚴(yán)格結(jié)論，但可能存在多個平衡點(diǎn)，其中一些是穩(wěn)定的，一些可能是不穩(wěn)定的，對催化裂化裝置的正常運(yùn)行會有很大影響，則是大多數(shù)人的看法<55-61>。其實(shí)，在催化裂化裝置中，還有一些較簡單的不穩(wěn)定問題，例如對于有回?zé)捰秃突責(zé)捰凸薜拇呋鸦b置，回?zé)捰凸薇旧砜捎谩胺e分”環(huán)節(jié)描述，是不穩(wěn)定的，在實(shí)際運(yùn)行時，常常是液位不斷上升或不斷下降，達(dá)到上下限時，操作員必須進(jìn)行調(diào)整，使液位又反向不斷變化，造成整個裝置運(yùn)行不穩(wěn)定。如果按穩(wěn)態(tài)平衡假設(shè)液位穩(wěn)定或回?zé)捰土髁糠€(wěn)定不變進(jìn)行反應(yīng)深度的優(yōu)化，其結(jié)果是不切合實(shí)際的。又如，具有兩段再生的催化裂化裝置，若設(shè)備和管線尺寸不恰當(dāng)，兩器藏量可能是不穩(wěn)定的<62>，一旦藏量閉環(huán)控制開環(huán)，藏量的不穩(wěn)定會造成操作的困難，引起大幅度波動。生產(chǎn)過程是否穩(wěn)定，是設(shè)計(jì)中須要解決的一個根本保證問題，利用動態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和反饋控制，完全可在裝置的設(shè)計(jì)中解決這一問題。 可控性問題：是否可通過操作控制，或需要多少個控制作用，可使生產(chǎn)裝置的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到要求，就是可控性問題，顯然，這是任何一個生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)時必須考慮的問題?？煽匦杂胁煌亩x，Kalman首先給出的狀態(tài)可控性定義是<62>：若控制作用可使描述系統(tǒng)狀態(tài)的所有狀態(tài)變量從任意的不為零的初值運(yùn)動到原點(diǎn)，則是狀態(tài)可控的，否則為不可控的。狀態(tài)可控性已成為很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本條件。其特點(diǎn)是可用較少的(甚至一個)控制作用使較多的狀態(tài)變量可控，這是因?yàn)榭紤]了系統(tǒng)的動態(tài)，用穩(wěn)態(tài)關(guān)系是無法解釋的。狀態(tài)可控性的缺點(diǎn)是沒有限定狀態(tài)運(yùn)動的軌線和控制作用的幅值，因而對某些情況不適用。輸出函數(shù)可控性(Output Functionally Controllability)考慮了對輸出變量運(yùn)動軌線的要求，但限于線性系統(tǒng)，且仍無對控制作用幅度的限制。對于非線性，有時滯和對控制作用有約束的石油化工過程系統(tǒng)，目前還很難給出可控性的充分且必要的條件，因而有關(guān)于結(jié)構(gòu)可控或可控性必要條件的研究，作為設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。 可操作性問題：可控性只給出狀態(tài)或輸出變量是否可控的條件，可操作性則是操作控制的難易程度的衡量。顯然，可控性是可操作的必要條件。例如催化裂化裝置中，用摻渣比作操作變量使再生溫度處于高限但不超高限，常常是提高摻渣比從而效益的一個手段，顯然這是能控的，但目前大多工藝流程是這樣設(shè)計(jì)的，渣油與蠟油混合后進(jìn)入原料油罐，再經(jīng)換熱進(jìn)入提升管反應(yīng)器，由于原料油罐中停留時間較長，加上管線輸送和催化劑藏量引起的時間滯后和響應(yīng)滯后，調(diào)整摻渣比后，再生溫度要經(jīng)過二十分鐘左右才開始有響應(yīng)，使保持再生器不超溫下?lián)皆?*****的操作控制難于進(jìn)行，容易造成再生溫度和摻渣比的來回波動，可操作性較差。如果在工藝流程和設(shè)備設(shè)計(jì)時考慮到這一動態(tài)特性，將渣油直接打入提升管反應(yīng)器，可大大縮短時間滯后，可避免這一問題?？刹僮餍匀Q于被控過程動態(tài)特性，有很多值得研究的問題<63>。 可觀性問題：由實(shí)測過程變量，或者需要在何處安置多少個測點(diǎn)，可根據(jù)這些實(shí)測信息，在線實(shí)時計(jì)算不可實(shí)測的變量，如產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，物料組成，塔器內(nèi)部流量等，就是可觀性問題。例如催化裂化裝置中，需要那些測點(diǎn)可在線計(jì)算再生催化劑上的含碳量？需要那些測點(diǎn)可計(jì)算主分餾塔內(nèi)回流量，組分分率，汽油干點(diǎn)，柴油凝固點(diǎn)等?？捎^性與可控性具有對偶性，利用動態(tài)數(shù)學(xué)模型，可以由較少的測量值計(jì)算較多的不可實(shí)測的變量；但當(dāng)系統(tǒng)具有不可測輸入時，如主分餾塔進(jìn)料組成為不可測輸入，則可測變量的維數(shù)不能少于不可測變量的維數(shù)，主分餾塔才是可觀的。如果在設(shè)計(jì)時對此未加考慮，裝置投運(yùn)后，進(jìn)行修改或補(bǔ)充都比較困難，要等到檢修停工是才能進(jìn)行。 先進(jìn)控制與閉環(huán)實(shí)時優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)： 包括目標(biāo)(一般為多目標(biāo))、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(一般為多級遞階系統(tǒng))、變量(含被控變量、操作變量、前饋?zhàn)兞?、狀態(tài)反饋?zhàn)兞康?，可是?shí)測的或在線實(shí)時計(jì)算的)及其約束限(含上下限、切換限，均可是以上變量的函數(shù))、適應(yīng)市場和環(huán)境要求的協(xié)調(diào)優(yōu)化規(guī)則等，使先進(jìn)控制和閉環(huán)實(shí)時優(yōu)化系統(tǒng)發(fā)揮效益的基本問題的解決，沒有對過程的深入了解，沒有過程控制與設(shè)計(jì)的一體化，沒有機(jī)理動態(tài)數(shù)學(xué)模型的支持，是不會或很難成功的。近年來，從機(jī)理動態(tài)模型出發(fā)，討論催化裂化裝置控制方案的文章有增多的趨勢。 設(shè)計(jì)成果應(yīng)體現(xiàn)在提供先進(jìn)控制和閉環(huán)實(shí)時優(yōu)化的實(shí)施方案(在DCS還是上位機(jī) 上實(shí)現(xiàn)，及其具體結(jié)構(gòu))與相應(yīng)軟件，包括開工過程的控制，達(dá)到在裝置開工的同 時交付使用，并可使裝置盡快達(dá)到設(shè)計(jì)水平。同時，基于動態(tài)數(shù)學(xué)模型，提供一套 計(jì)算機(jī)仿真器，在裝置開工前，可用于系統(tǒng)的演示、培訓(xùn)及分析；在開工后，可進(jìn) 行在線仿真，隨時對生產(chǎn)過程進(jìn)行分析，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，取得更大的效益。 關(guān)鍵因素 盡快實(shí)現(xiàn)上述歷史賦于我們的使命，其關(guān)鍵因素在於： 1．迅速建立研究，設(shè)計(jì)，開發(fā)和系統(tǒng)分析員隊(duì)伍，適應(yīng)科技發(fā)展和學(xué)科交叉 的要求，需從大學(xué)教育，研究生培養(yǎng)和在職培訓(xùn)各方面加強(qiáng)。 2．堅(jiān)持立足國內(nèi)，適當(dāng)引進(jìn)，發(fā)展適合我國情況的先進(jìn)技術(shù)方針；制定并落 實(shí)扶持本國科技，調(diào)動科技和操作人員積極性的政策；建立和建全推動高新技術(shù)迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的體制。 3．堅(jiān)持不懈和強(qiáng)度足夠人力和資金投入，是發(fā)展我國石油化工過程先進(jìn)控制 與閉環(huán)實(shí)時優(yōu)化這一高新技術(shù)和相應(yīng)的軟件的必要條件，投入越多，產(chǎn)出更多。 4．先進(jìn)控制與閉環(huán)實(shí)時優(yōu)化和許多方面高新技術(shù)一樣，是建立在生產(chǎn)過程基 礎(chǔ)工作之上，并與其他技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，如工藝，設(shè)備，機(jī)泵，一次儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的改進(jìn)與可靠運(yùn)行，控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的提高；生產(chǎn)調(diào)度，計(jì)劃管理與信息系統(tǒng)的建立等；高新技術(shù)在實(shí)施過程中，必將與不適應(yīng)發(fā)展的舊的生產(chǎn)管理制度發(fā)生矛盾，需要從高新技術(shù)將促進(jìn)各方面發(fā)展的高度來認(rèn)識實(shí)施中可能出現(xiàn)的各種問題，從而促進(jìn)生產(chǎn)的全面發(fā)展。 結(jié)束語 使石油化工生產(chǎn)過程適應(yīng)市場變化和環(huán)境要求，具有高效率，高效益，迫切需 要進(jìn)一步提高先進(jìn)控制和實(shí)時優(yōu)化的技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)過程控制與設(shè)計(jì)的一體化。關(guān) 鍵技術(shù)是生產(chǎn)過程的機(jī)理動態(tài)數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用，特別需要發(fā)揮石油化工界已有的 優(yōu)勢，并與系統(tǒng)控制相結(jié)合，抓緊我國國民經(jīng)濟(jì)調(diào)整改革的大好時機(jī)，從人才，科 技開發(fā)，制度，生產(chǎn)管理等各方面入手，加大投入力度，使我國石油化工過程的設(shè) 計(jì)和操作控制迎頭趕上世界先進(jìn)水平，這是時代的要求，也是時代賦于我們的使命。 |
