（蘭州石化公司自動(dòng)化院，甘肅 蘭州 730060）王長(zhǎng)明

    （蘭州石化公司合成橡膠廠，甘肅 蘭州 730060）竇華中
                        
    王長(zhǎng)明（1964-）男，江蘇海安人，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)研究及應(yīng)用、軟測(cè)量技術(shù)研究與應(yīng)用、流程工業(yè)企業(yè)信息化總體架構(gòu)。

    摘要：本文根據(jù)丙烯腈反應(yīng)器的工藝特點(diǎn)，提出了反應(yīng)器在DCS系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的專(zhuān)家控制、GPC控制技術(shù)，以及相應(yīng)的控制策略；論述了裝置主要質(zhì)量參數(shù)反應(yīng)氣中的尾氧、丙烯醛含量軟測(cè)量預(yù)測(cè)技術(shù)；闡述了專(zhuān)家控制、GPC控制、軟測(cè)量原理。專(zhuān)家控制、GPC、軟測(cè)量技術(shù)在丙烯腈反應(yīng)器結(jié)合應(yīng)用，取得良好效果，解決了丙烯腈裝置生產(chǎn)瓶頸，提高了裝置運(yùn)行平穩(wěn)率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了丙烯腈產(chǎn)品收率，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

    關(guān)鍵詞：反應(yīng)器；GPC；軟儀表；專(zhuān)家控制；模型

    Abstract: According to the characteristics of the Acrylonitrile Unit Reactor,the expert Control technique and GPC technique are applied on DCS, and the corresponding control strategy is adopted. The soft sensor technique about oxygenic content and acroleinin content in the tail gas of reactor is discussed,the expert control theory, the GPC theory and the soft sensor theory are introduced. These techniques are successfully used in the Unit. Thereafter, the production bottleneck in the Unit is solved, the process stability is improved, the operation intensity is reduced, the acrylonitrile product yield is increased, and the economic benefit and the social benefit are obtained.

    Key words: Reactor; GPC; Soft Sensor; ExpertControl; Model

    1 概述

    某煉化企業(yè)丙烯腈裝置采用丙烯、氨、空氣為原料，在硫化床反應(yīng)器中通過(guò)催化劑制得丙烯腈，裝置分合成、分離、后處理和乙腈四個(gè)單元。采用丙烯氨氧化法制丙烯腈反應(yīng)流程，丙烯、氨、空氣按1: 1.05～1.25: 9.5～10.5的比例通過(guò)催化劑的作用，在溫度420℃～435℃，壓力0.055～0.08MPa條件下進(jìn)行反應(yīng)，主產(chǎn)物為丙烯腈，副產(chǎn)物為乙腈、氫氰酸等。

    流化床反應(yīng)器是該裝置的心臟，其流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。反應(yīng)器丙烯腈的收率高低直接影響整個(gè)裝置的經(jīng)濟(jì)效益。丙烯氨氧化法制丙烯腈的反應(yīng)流程為液態(tài)丙烯和液態(tài)氨經(jīng)氣化、過(guò)熱、混合，由丙烯-氨分布器進(jìn)入流化床反應(yīng)器，壓縮空氣通過(guò)位于丙烯-氨分布器下面的空氣分布板進(jìn)入流化床反應(yīng)器，在一定的溫度和壓力下，混合氣體以一定的速度通過(guò)處于沸騰狀的微球形催化劑床層，在催化劑的作用下，反應(yīng)生成丙烯腈、乙腈及氫氰酸等產(chǎn)物，這些產(chǎn)物進(jìn)入分離單元進(jìn)行精制，生產(chǎn)出合格的丙烯腈產(chǎn)品。
                         

    在常規(guī)控制下，反應(yīng)溫度主要由反應(yīng)器撤熱水流量控制，由于受到進(jìn)反應(yīng)器換熱的高壓蒸汽壓力、溫度、流量，反應(yīng)器壓力，以及環(huán)境溫度等因素的影響，反應(yīng)溫度波動(dòng)大于1.5℃，工藝希望反應(yīng)溫度控制在0.5℃之內(nèi)。針對(duì)這個(gè)生產(chǎn)瓶頸提出了專(zhuān)家控制與預(yù)測(cè)控制相結(jié)合的控制方案，并通過(guò)與反應(yīng)器主要質(zhì)量參數(shù)軟測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器“卡邊”控制。

    2 專(zhuān)家控制原理技術(shù)

    近年來(lái)，智能控制已成為控制界的一大熱點(diǎn)，利用人工智能的智能控制領(lǐng)域主要包括專(zhuān)家控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。專(zhuān)家控制是人工智能的一個(gè)重要分支，已在石化生產(chǎn)過(guò)程管理控制中獲得許多應(yīng)用[1]。

    專(zhuān)家控制是一類(lèi)智能控制算法，將專(zhuān)家控制技術(shù)與傳統(tǒng)控制理論相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜、不確定性或病態(tài)過(guò)程的控制。專(zhuān)家控制器對(duì)被控過(guò)程或?qū)ο筮M(jìn)行實(shí)時(shí)控制，對(duì)運(yùn)算（推理）速度的要求是很高，必須在每個(gè)采樣周期內(nèi)都給出控制信號(hào)。

      專(zhuān)家控制模型為：U = f  (E, K,I)

    其中，U為控制器的輸出作用集，E為控制器的輸入集，K為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)集，I為具體推理機(jī)構(gòu)的輸出集。

    依照產(chǎn)生式規(guī)則表達(dá)形式，是一種智能算子，其基本形式為：

      if E and K then <if then U>

    根據(jù)輸入信息和系統(tǒng)中的知識(shí)進(jìn)行推理。

    專(zhuān)家控制系統(tǒng)解決控制問(wèn)題的過(guò)程用下圖2流程描述，事實(shí)上是一種控制信息處理過(guò)程，是周期性地進(jìn)行認(rèn)識(shí)判斷行動(dòng)的過(guò)程。專(zhuān)家控制系統(tǒng)首先根據(jù)收集的數(shù)據(jù)認(rèn)識(shí)控制對(duì)象所處的狀況，根據(jù)認(rèn)識(shí)的結(jié)果判斷應(yīng)該采取的行動(dòng)，由此對(duì)控制對(duì)象實(shí)施控制作用。
                    

    本文采用的專(zhuān)家控制的任務(wù)是自適應(yīng)地管理一個(gè)受控對(duì)象的全部行為，使之滿足預(yù)定要求，將應(yīng)用于丙烯腈反應(yīng)溫度控制器。

    3 GPC控制技術(shù)

    GPC為一種預(yù)測(cè)控制，模型預(yù)測(cè)控制是工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的一種控制技術(shù)。通過(guò)模型預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的控制，因而在工業(yè)上獲得了廣泛的應(yīng)用^[2]。

    GPC采用下列具有隨機(jī)階躍擾動(dòng)非平穩(wěn)噪聲的離散插分方程，也即CARIMA模型：

         （1）

    其中：

    y_t 為t時(shí)刻的系統(tǒng)輸出；

    u_t 為t時(shí)刻的控制量；

    , a₀=1 ;（2）

      ; （3）

    是零均值方差有界不相關(guān)的隨機(jī)噪聲序列；

    d是系統(tǒng)最小純時(shí)延步數(shù)；

      Δ 為差分算子，Δ =1-q^-1；

    q^-1為向后一步平移因子。

    再經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算得t時(shí)刻的控制量為：

     （4）

    （1）至（4）式中， ，G₂、H為計(jì)算過(guò)程中間變量，NU為預(yù)測(cè)長(zhǎng)度， λ 控制量權(quán)重因子。

    在GPC控制應(yīng)用過(guò)程中，利用（4）式建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)收集裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用最小二乘法，確定GPC控制數(shù)學(xué)模型中的未知系數(shù)。

    4 丙烯腈裝置反應(yīng)溫度先進(jìn)控制

    4.1 控制策略

    針對(duì)反應(yīng)器控制情況和用戶需求，對(duì)反應(yīng)溫度采用專(zhuān)家控制與GPC控制相結(jié)合的控制策略，實(shí)現(xiàn)丙烯腈反應(yīng)器平穩(wěn)運(yùn)行。

    4.2 控制方案

    根據(jù)控制策略，在先進(jìn)控制模型中選取反應(yīng)溫度作為被控變量，以 CV表示；選取丙烯進(jìn)料量設(shè)定值、氨進(jìn)料量設(shè)定值、空氣的進(jìn)料量為操作變量，分別以MV₁、MV₂、MV₃表示；選擇反應(yīng)器壓力為干擾變量，以 DV表示。

    反應(yīng)溫度采用設(shè)定點(diǎn)控制，利用GPC控制模型預(yù)測(cè)輸出MV1控制輸出值，輸出值與下面的專(zhuān)家控制相結(jié)合，得到最后的控制輸出。

    根據(jù)操作人員和工藝人員的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)操作變量丙烯進(jìn)料量設(shè)定值輸出提出以下控制策略：

    IF  ≤t₁ THEN MV1 的變化量 ≤ A₁ ；

    IFt_i<  t_i+i MV₁ 的變化量≤ A_i+1 i=1，…，h_-1；

    |反應(yīng)溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)-先控目標(biāo)值|；

    其中t_i、A_i分別是根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)將反應(yīng)溫度與先控目標(biāo)值之差劃分不同的h個(gè)范圍值，并確定相對(duì)應(yīng)MV₁ 的限幅值。

    MV₂、MV₃的輸出值根據(jù)工藝確定的氨丙比、空丙比、MV₁的值獲得。

    4.3 應(yīng)用效果

    反應(yīng)溫度先進(jìn)控制器投運(yùn)后運(yùn)行良好，如圖3所示。通過(guò)先進(jìn)控制投運(yùn)，確保反應(yīng)溫度及時(shí)的響應(yīng)目標(biāo)值的變化，同時(shí)也沒(méi)有產(chǎn)生超調(diào)，很好的將溫度控制在目標(biāo)值較小的波動(dòng)范圍內(nèi)，控制效果十分明顯，提高了裝置運(yùn)行的平穩(wěn)率。 

                

    5 軟測(cè)量技術(shù)

    5.1 軟測(cè)量實(shí)施思想

    軟測(cè)量的基本思想是把自動(dòng)控制理論與生產(chǎn)工藝過(guò)程知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)于一些難于測(cè)量或暫時(shí)不能測(cè)量的重要變量，選擇另外一些容易測(cè)量的變量，通過(guò)構(gòu)成某種數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)推斷和估計(jì)，以軟件來(lái)代替硬件（傳感器）功能。這類(lèi)方法具有響應(yīng)迅速，連續(xù)給出主導(dǎo)變量信息，且具有投資低、維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

    根據(jù)丙烯腈反應(yīng)器的特點(diǎn)，以及操作控制需求，選取反應(yīng)氣中的尾氧和丙烯醛含量進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，丙烯腈反應(yīng)氣中的尾氧和丙烯醛含量與反應(yīng)器反應(yīng)溫度、壓力、氨烯比、空烯比等反應(yīng)條件相關(guān)聯(lián)。反應(yīng)氣中的尾氧和丙烯醛含量進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，為裝置正常運(yùn)行提供幫助。

    5.2 軟測(cè)量模型

    （1）反應(yīng)氣尾氧含量軟測(cè)量模型

    尾氧含量是丙烯腈反應(yīng)氣中一個(gè)重要的質(zhì)量控制指標(biāo)，采用PLS(Partial Least Squares) 建立尾氧含量軟測(cè)量數(shù)學(xué)型，實(shí)施過(guò)程如圖4所示。 

                             

    確的輔助變量選擇使軟儀表建立在準(zhǔn)確的輸入、輸出采集數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。在計(jì)算尾氧含量模型中，開(kāi)始選擇了10個(gè)輔助變量，通過(guò)對(duì)該塔工藝機(jī)理及主元分析，確定PLS模型中的輔助變量為反應(yīng)溫度、丙烯進(jìn)料、氨丙比、空丙比、反應(yīng)器壓力5個(gè)輔助變量，分別記為x1、x2、x3、x4及x5，尾氧含量y計(jì)算公式為：
           
               
 
    式中的x₁、x₂、x₃、x₄及x₅分別根據(jù)相應(yīng)參數(shù)的量程范圍進(jìn)行了歸一化處理。

      尾氧含量軟測(cè)量模型預(yù)測(cè)精度高，如圖5所示。尾氧含量軟測(cè)量預(yù)測(cè)值與化驗(yàn)值變化趨勢(shì)一致。尾氧含量反映空烯比的控制情況，尾氧含量高，反應(yīng)器中的催化劑容易被還原而失去活性。尾氧含量軟測(cè)量預(yù)測(cè)值實(shí)時(shí)指導(dǎo)裝置操作，與反應(yīng)溫度先進(jìn)控制相結(jié)合，實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了較好的作用。 

    （2）反應(yīng)氣丙烯醛含量軟測(cè)量模型

    丙烯醛含量是丙烯腈反應(yīng)氣中一個(gè)十分重要的質(zhì)量控制指標(biāo)，采用PLS建立丙烯醛含量軟測(cè)量模型。

    在丙烯醛含量計(jì)算模型中的輔助變量為反應(yīng)溫度、反應(yīng)器壓力、氨丙比、空丙比4個(gè)輔助變量，分別記為x₁、x₂、x₃、x₄ 尾丙烯醛含量 y 計(jì)算公式。
  
              

      丙烯醛含量軟測(cè)量模型預(yù)測(cè)精度高，如圖6所示，圖6為2010年5月1日-5日丙烯醛含量的化驗(yàn)值和模型計(jì)算值對(duì)比圖。丙烯醛含量軟測(cè)量預(yù)測(cè)值與化驗(yàn)值變化趨勢(shì)一致。丙烯醛含量反映氨烯比的控制情況，氨烯比過(guò)低，丙烯腈收率降低，丙烯醛生成量增加，造成精制工段的困難；氨烯比過(guò)高，會(huì)增加氨耗，同時(shí)增加中和過(guò)量氨所用硫酸的用量。尾氧含量軟測(cè)量預(yù)測(cè)值實(shí)時(shí)指導(dǎo)裝置操作，與反應(yīng)溫度先進(jìn)控制相結(jié)合，實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了較好的作用。 

    6 結(jié)論

    專(zhuān)家控制、預(yù)測(cè)控制、軟測(cè)量技術(shù)在丙烯腈反應(yīng)器上取得成功應(yīng)用。通過(guò)這三種技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了“卡邊控制”，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，增加了主要產(chǎn)品的產(chǎn)量，節(jié)能降耗，延長(zhǎng)催化劑使用壽命。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 韓志剛.先進(jìn)控制技術(shù)在石化行業(yè)中的應(yīng)用問(wèn)題分析[J]. 中外能源, 2007.12.98～101.

    [2] 孫德敏等. 工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制及優(yōu)化軟件產(chǎn)業(yè)[J], 自動(dòng)化博覽, 2003,9,5～13.

    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第十二期