石油化工生產(chǎn)過程的先進控制和閉環(huán)實時優(yōu)化的現(xiàn)狀與問題
| 石油化工生產(chǎn)過程的操作控制必須符合石油化工生產(chǎn)過程的特點，主要是：大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)、多變量關聯(lián)、有不少重要變量不可實時測量得到、普遍存在時間滯后、動態(tài)特性復雜、難于建立準確的模型、對操作安全和平穩(wěn)性要求高, 所有變量均需控制在設定的安全范圍之內。 在市場競爭越來越激烈和環(huán)境要求的不斷提高的情況下，上述特點更為突出。生產(chǎn)裝置的操作控制不僅要在原料，產(chǎn)品產(chǎn)率和質量頻繁變化的條件下使一切變量不超限，保證安全，滿足給定點控制(使重要變量平穩(wěn)地運行在給定點附近)與區(qū)域控制(使反映生產(chǎn)裝置狀態(tài)的變量不超限)兩種控制要求，尤其要適應被控變量和操作變量的數(shù)量因約束而隨市場和環(huán)境發(fā)生變化，出現(xiàn)多變量，多目標，滿足約束條件的變結構過程(“胖”“方”“瘦” 三種結構互相轉化)的控制和實時優(yōu)化問題，如在平穩(wěn)運行的條件下，隨時使反應深度最優(yōu)、使分餾塔產(chǎn)品合格又節(jié)能降耗。 對于重要不可實測變量的在線實時計算是石油化工過程迫切需用解決的問題之一。針對分餾塔產(chǎn)品質量無法實時測量而發(fā)展起來的推斷模型和控制(Inferential Control)<12,13>，已有幾十年的歷史，它利用穩(wěn)態(tài)的經(jīng)驗關系式(代數(shù)方程)推算不可測變量，代替時延很大的化驗分析結果，對產(chǎn)品質量進行控制。對化學反應器和其他不可實時測量的工藝變量的在線計算也有了不少進展<14,15>。存在的主要問題是不適應環(huán)境和動態(tài)變化，不適應原料性質(組成)的變化。九十年代以來, 已出現(xiàn)了基于動態(tài)機理模型，應用狀態(tài)觀測器理論和其他方法計算不可測變量的實例<16,17>，使在線計算適應動態(tài)變化，給出更合理，更準確的結果；石油大學(北京)基于機理動態(tài)模型在線計算的汽油干點與柴油90%點，已取代了人工化驗用于生產(chǎn)控制，實現(xiàn)了保證質量，提高收率<18>的效果；并提出了石油化工裝置設計中的一個重要問題：可觀性問題<19>。 在現(xiàn)代控制理論的基礎上發(fā)展起來的模型預估控制(Model Predictive Control), 從原理上適應了被控過程的動態(tài)特性；采用在線反饋校正提高控制的魯棒性，特別對普遍存在時間滯后，響應較慢和模型難于準確的石油化工過程，使被控過程平穩(wěn)運行，取得明顯的經(jīng)濟效益。如70年代末出現(xiàn)模型算法控制(MAC)<20>和動態(tài)矩陣控制(DMC)<21>和相應的軟件：基于DMC算法的 ASPEN TECH 的 DMC-plus, Honeywell Hi-Spec Solution 的 RMPCT 等。80年代，在自整定控制器的基礎上，Clarke等提出了廣義預估控制(General Predictive Control, GPC)<22>, Soeterboek<23> 進一步總結為一通用計算方法，這種算法具有輸出(被控變量)動態(tài)反饋的特點，可提高抑制干擾的能力；由于采用在線系統(tǒng)辯識方法修正模型，無被控變量反饋修正，對具有不可測輸入的石油化工過程不很適應。 以上方法均采用實測的輸入/輸出模型，避免了難于建立的機理動態(tài)數(shù)學模型，是當前模型預估控制得到廣泛應用的一個重要原因。但這種模型缺乏物理意義，測試過程對生產(chǎn)操作有較大的干擾，不能充分利用所有可測信息以提高控制性能；這些方法也使模型預估控制只能在生產(chǎn)裝置運行后才能實施。對此，出現(xiàn)了狀態(tài)反饋預估控制<24,25>和具有輸出(被控)，狀態(tài)和輸入(操作)三種變量動態(tài)反饋，綜合上述算法優(yōu)點的通用預估控制算(UPC)<26,27>，并在石油化工裝置上得到應用，取得了較滿意的結果。<7,18,28,29> 90年代以來，在模型預估控制的基礎上，適應變結構過程的多變量約束協(xié)調與化控制技術在石油化工過程中得到越來越多的應用，將控制與部分參數(shù)的“卡邊“優(yōu)化實時地協(xié)調起來<30-38>，盡管這方面還有許多問題值得研究提高，這種實時協(xié)調控制與優(yōu)化的思路是非常符合實際的，為進一步提高效益開創(chuàng)了一條新路。 目前得到應用的基于模型的控制技術多是基于線性化模型的，而石油化工過程均是非線性的，因而非線性，自適應控制方法正在成為較集中的研究方向<39-41>. 先進控制帶來的效益已為很多實例所證明，實施后，一般投資回收期只有幾個月。但目前先進控制項目從立項到交付使用常要一年以上，除上述需要測試動態(tài)特性外，先進控制系統(tǒng)的開發(fā)與過程設計脫節(jié)是一個重要原因。 石油化工過程操作條件(例如反應深度)的閉環(huán)實時優(yōu)化(Closed Loop Real Time Optimization)，與先進控制相比，具有更大的潛在效益，這是國內外不少專家的看法<42-44>。但目前大多在討論和沿用工藝過程設計中采用的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型進行閉環(huán)實時優(yōu)化<42-48>,常遇到以下問題: ①模型精度有限，通常有1%的精度就很不錯了，但優(yōu)化的要求更高，對大規(guī)模的石油化工裝置，產(chǎn)率提高1%就會帶來很大的效益。為提高模型精度，適應變化的生產(chǎn)過程，要對模型進行在線修正。另一方面，實時計算需要過程數(shù)據(jù)，過程即使處於穩(wěn)態(tài)，實測數(shù)據(jù)也很難達到計算所需的穩(wěn)態(tài)物料和能量平衡的要求；為此，人們發(fā)展了數(shù)據(jù)重整技術(Data Reconciliation)。在線修正和數(shù)據(jù)重整均是尚未得到園滿解決的問題。尤起在過程處于動態(tài)情況下，困難更多。 ②尋優(yōu)周期達 4-8 小時，實時性與適應變化能力不能令人滿意。人們常常認為疊代計算穩(wěn)態(tài)平衡的方法是一個主要原因，隨著Open Equation方法<49>的應用和計算機運算速度的提高，計算過程已逐漸不再須要很多時間。關鍵在于閉環(huán)實時優(yōu)化要根據(jù)當前生產(chǎn)裝置的狀態(tài)進行，利用穩(wěn)態(tài)模型時，必須等待過程處于穩(wěn)態(tài)后才能進行計算；計算完成后，還要檢查過程是否仍處于原來的穩(wěn)定狀態(tài)(否則計算作廢)。若是，才可進行調優(yōu)。調優(yōu)使過程處于動態(tài)，要等待穩(wěn)定后，一般需要幾小時，才能進行下一次調優(yōu)。文獻<50>結合Aspen Tech(原DMC CORP)的優(yōu)化軟件DMO,對此問題有較詳細的說明。另一方面，穩(wěn)態(tài)模型計算常常依賴于原料或其他化驗分析數(shù)據(jù)，需要等待化驗結果。這些都是使基于穩(wěn)態(tài)模型實時優(yōu)化周期長、難于適應頻繁變化、真正見到明顯效果的應用實例很少的原因。 利用生產(chǎn)過程實測數(shù)據(jù)，適應動態(tài)變化，基于動態(tài)數(shù)學模型，同樣是解決石油 化工生產(chǎn)過程閉環(huán)實時優(yōu)化問題的一條出路。茂名石化公司一催化裂化裝置反應深 度的閉環(huán)實時優(yōu)化是一個實例<7>：基于動態(tài)數(shù)學模型在線計算反應產(chǎn)物中各種產(chǎn)品 的產(chǎn)率作為在線實時確定優(yōu)化目標的基礎，使尋優(yōu)周期可縮短到10分鐘，經(jīng)測試， 對年處理量80萬噸的生產(chǎn)裝置，年直接經(jīng)濟效益可達2000萬元以上。 回顧1976年，北美第一次化工過程控制會議<51>提出控制理論與實際脫節(jié)，使航天工程中成功應用的現(xiàn)代控制理論在石油化工過程中不能見效的問題，到今天石油化工過程先進控制的廣泛應用和成功經(jīng)驗，可以看到：一旦科學技術在某一方面有所突破，將理論與實際很好的結合起來，如模型預估控制技術，就會形成巨大的生產(chǎn)力，使生產(chǎn)過程產(chǎn)生飛躍性的發(fā)展。 面向未來的關鍵技術：生產(chǎn)過程機理動態(tài)數(shù)學模型的開發(fā)和應用 在即將進入二十一世紀的今天，在提高生產(chǎn)過程操作控制水平的迫切需要下，科學技術和石油化工生產(chǎn)實際相結合的突破點是什么？作者認為，是生產(chǎn)過程機理動態(tài)數(shù)學模型的開發(fā)和應用。這也是不少石油化工生產(chǎn)過程同行的共識〈5,6〉。 機理動態(tài)模型的開發(fā)，有利于全面認識石油化工過程，深入掌握其特性，這是 提高操作控制和設計水平的基礎，尤其對于市場和環(huán)境頻繁變化，始終處于動態(tài)變 化之中的生產(chǎn)過程更是如此。穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型在石油化工過程的設計，分析，操作 指導等方面已發(fā)揮了作用，但不能解釋和處理動態(tài)現(xiàn)象(而動態(tài)數(shù)學模型既可給出 變量的動態(tài)關系也可給出穩(wěn)態(tài)關系)；在分析問題時常局限于穩(wěn)態(tài)平衡關系，或著 重于單個因素的分析，不能很好的給出過程變化的因果關系和各因素(變量)間的互 相影響。基于動態(tài)模型的系統(tǒng)分析方法著重于因果關系，將變量分為輸入(原因)變 量、狀態(tài)或輸出(后果)變量，采用單向性的信號流圖和反饋，為分析互相關聯(lián)較為 復雜的石油化工過程提供了有力的方法。因而，利用動態(tài)機理數(shù)學模型全面提高石 油化工過程技術的重要方面。 采用動態(tài)機理模型，是使石油化工過程中重要不可實測變量的在線計算適應動態(tài)變化，得到更準確的計算結果的主要技術基礎。 模型預估控制是近二十年來先進控制的一個突破點，其中一個原因是基于動態(tài)數(shù)學模型。但由于采用過程輸入輸出數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型，而非機理分析，使其應用和提高受到一定限制。如：測試會干擾生產(chǎn)、當過程具有不可測輸入時，如石油化工過程中常見的進(原)料組成變化，很難得到準確的結果，當生產(chǎn)過程有所調整時又要重新測試、不能建立輸入輸出以外其他可測變量間的關系，因而也不能利用這些變量?？傊?，這種現(xiàn)狀反映了自動控制界和石油化工界的實際仍存在脫節(jié)現(xiàn)象，測試的數(shù)據(jù)沒有物理意義，使先進控制只能在生產(chǎn)裝置投運以后才能進行，控制系統(tǒng)設計與其被控對象的設計脫節(jié)，常使控制方案不能很好的切合生產(chǎn)過程的實際，延誤取得效益的時間。解決這些問題的出路是開發(fā)機理動態(tài)數(shù)學模型。尤其對于具有顯著非線性特性的石油化工過程，更需要機理分析。 將多變量動態(tài)分析方法用于操作條件閉環(huán)實時優(yōu)化，很自然的會破除目前存在的一種含糊認識：在動態(tài)先進控制的基礎上用穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型實現(xiàn)操作條件優(yōu)化是唯一正確路線的。例一：分餾塔產(chǎn)品質量控制與(節(jié)能降耗的)優(yōu)化問題，目前存在著這樣的技術路線：質量控制采用動態(tài)先進控制，優(yōu)化則基于穩(wěn)態(tài)關系(數(shù)學模型)；這種方案真正成功應用的實例并不多，其原因就在于：通常保證質量的手段是調整回流，而回流的大小直接與能耗動態(tài)相關，都從動態(tài)考慮，才能將二者很好的協(xié)調起來。目前出現(xiàn)的多變量預估協(xié)調控制策略，是朝這一方向邁出的可喜的一步。例二：催化裂化反應深度的優(yōu)化，局限于采用穩(wěn)態(tài)模型優(yōu)化，就會帶來前述的很多困難，很難適應頻繁變化的市場和環(huán)境；具有動態(tài)模型和動態(tài)分析，就會另辟溪徑，創(chuàng)造出各種實用的方法，文獻<7>提供的應用實例，就是一個很好的說明。 具有石油化工過程機理動態(tài)模型，是使過程控制與過程設計一體化、在過程設計的同時給出先進控制與閉環(huán)實時優(yōu)化系統(tǒng)設計的基礎，將使設計工作產(chǎn)生一個飛躍性的進展（詳見下節(jié)）。 石油化工過程機理動態(tài)模型的開發(fā)具有一定的難度，需要化工和系統(tǒng)控制兩學科的交叉。機理動態(tài)數(shù)學模型是建立在物料和能量守衡、化工熱力學、化學反應動力學和其他客觀規(guī)律基礎上的，這些是石油化工部門已經(jīng)熟悉的，特別需要，也特別適合石油化工部門的技術人員擴展知識，與系統(tǒng)控制的技術人員相結合，從事動態(tài)數(shù)學模型的開發(fā)。機理動態(tài)數(shù)學模型的正確性需要在實際生產(chǎn)裝置中經(jīng)過驗證，須要研究和開發(fā)動態(tài)數(shù)學模型的在線修正和驗證方法，也需要研究對采集的過程動態(tài)數(shù)據(jù)進行的處理方法。 設計的革命：生產(chǎn)過程控制與設計的一體化 石油化工生產(chǎn)裝置的設計應包括兩大方面：一方面是工藝參數(shù)、流程、設備結構及其尺寸的確定，需要穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型作為基礎；另一 |
