（检测技术与自动化装置专业论文）环氧丙烷生产过程的优化、控制研究.pdf

摘要 环氧丙烷是一种重要的有机化工原料。目前，我国的环氧丙烷生产装置其 自动化程度不高、d c s 系统大多没有充分发挥作用。利用先进的自动化技术和信 息技术，对现有环氧丙烷生产装置进行改造，优化其生产操作，是提高我国环 氧丙烷生产能力和技术水平的有效手段。 本文以锦化化工( 集团) 有限责任公司的环氧丙烷生产装置为研究对象， 在其d c s 系统改造基础上，将先进控制、神经网络、在线优化技术等引入其控 制系统中，解决了其存在的问题。文中首先对d c s 系统重新进行了设计，提出 了在线稳态优化方案。接着，结合其存在的问题，对动态递归神经网络、r b f 神经网络和自适应逆控制进行了算法研究。在自适应逆控制的抗扰动性能方面 取得了很好的结果，然后将其成功应用到环氧丙烷生产装置中。 文中提出的改造设计方案实现了提质、降耗和提高生产效率的目的。仿真 结果表明，神经网络、自适应逆控制方法可以成功地解决装置中现有的控制问 题，并取得良好的效果。 关键词：环氧丙烷；在线优化：神经网络；自适应逆控制 a b s tr a c t p r o p y l e n eo x i d e i si m p o r t a n tm a t e r i a lo fo r g a n i cc h e m i s t r yi n d u s t r y a tp r e s e n t ， i n o t h rc o u n t r y ，t h e p r o d u c t i o n p l a n t o f p r o p y l e n eo x i d e i s o f l o w l e v e lo f a u t o m a t i o n a n di t sd c ss y s t e mh a sn o tb e e nt a k e nf u l l a d v a n t a g eo f u s i n g a d v a n c e d t e c h n o l o g yo fa u t o m a t i o na n di n f o r m a t i o nt o r e c o n s t r u c tt h ee x i s t i n gp l a n ta n d o p t i m i z ei t sp r o d u c t i o np r o c e s si s a ne f f e c t i v em e t h o dt oi m p r o v et h ep r o d u c t i o n c a p a c i t yo f p r o p y l e n e o x i d eo f o u r c o u n t r y t h e p r o d u c t i o np l a n to fp r o p y l e n eo x i d eo f j i n z h o uc h e m i s t r yi n d u s t r yl t d i s t h es t u d yo b j e c to ft h ep a p e r b a s e do nt h er e c o n s t r u c t i o no fi t sd c ss y s t e m ，t h e t e c h n o l o g y o fa d v a n c e d c o n t r o l ，n e u r a l n e t w o r ka n do n l i n e o p t i m i z a t i o n i s i n t r o d u c e di n t oi t sc o n t r o ls y s t e mt os o l v ei t s e x i s t i n gp r o b l e m a tf i r s t i t sd c s s y s t e mi sr e d e s i g n e da n da no n l i n eo p t i m i z a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d t h e n ，a i m i n g a tt h ee x i s t i n gp r o b l e m ，t h ea l g o r i t h mo fd y n a m i cr e c u r r e n tn e u r a ln e t w o r k ，r b f n e u r a ln e t w o r ka n da d a p t i v ei n v e r s ec o n t r o li ss t u d i e di nt h ep a p e r av e r yg o o d r e s u l to fd i s t u r b a n c e - r e s i s t a n tp e r f o r m a n c eo fa d a p t i v ei n v e r s ec o n t r o li sr e a c h e d t h e y a r ea l ls u c c e s s f u l l y a p p l i e d t ot h e p l a n t t h ep u r p o s e ，i m p r o v i n gp r o d u c t i o nq u a l i t y , r e d u c i n gc o n s u m ea n di m p r o v i n g p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , c a nb ea t t a i n e db yt h es c h e m ep r o p o s e di n t h ep a p e r t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ee x i s t i n gc o n t r o lp r o b l e mo ft h ep l a n tc a nb e s u c c e s s f u l l ys o l v e db yn e u r a ln e t w o r k ，a d a p t i v ei n v e r s ec o n t r o la n dt h er e s u l ti s g o o d k e y w o r d s ：p r o p y ie r i eo xid e ，o n - l i n eo p timiz a tio n 。n e u r ai n e t w o r k ， a d a p t iv ein v e r s ec o n t r oi i i 大连理工大学硕士学位论文 引言 引言 环氧丙烷是丙烯衍生物中产量仅次于聚丙烯、丙烯腈的有机化工产品，是 种重要的有机化工原料。 据报道，国外对环氧丙烷需求的增长速度略高于其他一些化工产品，国内 市场环氧丙烷的供需缺口较大。就我国目前的国情而言，要实现依靠新建一些 规模较大的环氧丙烷装置来满足日益增长的市场需求，不仅需要巨额资金，而 且建设周期也较长。另一方面，从生产操作水平上看，与国外同类生产装置相 比，我们在装置的生产强度以及产品质量指标上都存在着一定的差距，蕴藏着 极大的潜力。利用先进的自动化技术和信息技术，并充分利用现有的环氧丙烷 生产装置、设施及其它可利用资源进行技术生产能力改造与提高，优化现有环 氧丙烷装置的生产操作，是提高我国环氧丙烷生产能力和技术水平的一个行之 有效的手段。 锦化化工( 集团) 有限责任公司环氧丙烷生产装置引进的是日本旭硝子公 司的氯醇化生产技术，引进时间为九十年代初，目前的生产能力为4 万吨年， 其环氧丙烷的产量居全国第一。该装置是采用氯醇法生产环氧丙烷。整个生产 过程分为3 个阶段来进行，即：氯醇化、皂化和精馏三个阶段。 该装置的集散控制系统采用的是f i s h e r 的p r o v o x 系统，引进时间亦为9 0 年代初。从总体来说，这套d e s 系统所采用的自动控制技术还是非常简单的。 比如说，在整个d c s 系统中，所有的控制回路都是单回路的，而且，各个控制 单元、各个参数的控制都是完全独立的，相互之间没有任何的关联。该系统只 相当于一个基本的监控系统，d c s 系统实际上只起到了一个监视、信息传递的作 用，而这并没有发挥d c s 系统所应该发挥的作用。 还有一个问题需要特别注意。该装置目前的运行工况以及原料质量均达不 到设计要求，这给装置的平稳生产带来了极大的问题。比如，设计中原料丙烯 的纯度在9 9 以上，而实际上现在所采用的原料丙烯的纯度经常在9 5 以下， 有时更是在9 0 以下，造成工况经常波动，给控制系统的运行带来了极大的困 难。 该装置的控制系统存在的问题包括各工艺参数并非最优、控制回路简单、 大部分的控制由人工来完成等。而该装置的生产工艺相当复杂，其所使用的设 垄墨墨三垄兰堡主兰竺笙查! 生 备也非常多，因此影响该生产流程的参数有近干个之多。由于上述原因，造成 生产过程中各参数波动大，从而影响到产品的质量、产量，并且还存在能量消 耗较大、容易发生生产事故的问题。 该装置目前存在的主要问题有： 1 丙烯、氯气的配比控制问题。 2 原料丙烯的纯度无法在线获得。 3 丙烯蒸发器的控制问题。 4 石灰乳、氯丙醇的配比控制问题。 5 石灰乳的浓度目前无法在线获得。 6 皂化塔通入蒸汽( s 4 p ) 的热量恒算问题。 7 皂化塔出口处废液的口h 值的检测问题。 8 精馏塔的控制系统优化问题。 9 设备故障的在线分析诊断问题。 针对上述问题，文中首先对该装置的d c s 系统重新进行了设计，然后提出 了在线稳态优化方案。接着，结合其存在的问题，对动态递归神经网络、r b f 神经网络进行了算法研究。文中对自适应逆控制的在线和离线形式进行了研究， 并在该方法的抗扰动性能方面取得了很好的结果，然后将其成功应用到环氧丙 烷生产装置中。 多输入多输出的非线性系统，各变量间具有强耦合、时变、分布式参数和 显著的不确定性等特点。而该生产过程是个典型的复杂工业过程，可以看作是 由若干多输入多输出的非线性系统级联而成，这就为该装置的建模带来了相当 大的困难。而且，在整个生产过程中，将发生若干个不同类型的化学反应，这 更给建模工作带来了难度。 目前所采用的主要建模方法可分为：机理法、经验法和神经网络及模糊技 术。神经网络能够较为有效地处理过程的非线性和滞后，同时它不需要很多工 业过程的先验知识，而是根据输入输出数据直接建模。 神经元网络方法突破了对约束条件的假设，并且对测量数据中随机误差的 分布不作特殊要求( 如正态分布) ；和各种传统方法相比，神经元网络方法作为 非参数模型估计方法，只要求对历史数据进行模型训练，不要求掌握过程本身 的精确模型，因此，对一些模型比较复杂但输入输出数据较易得到的过程建模 有利。 自适应逆控制( a d a p t i v e i n v e r s ec o n t r 0 1 ) 是由b w i d r o w 教授于1 9 8 6 年首 大连理工大学硕士学位论文 引言 次命名提出来的，在控制系统和调节器设计中这是一种很新颖的途径。它用被 控对象传递函数的逆作为串联控制器来对系统的动态特性作开环控制，从而避 免了因反馈而可能引起的不稳定问题；同时又做到对系统动态特性的控制与对 象扰动的控制分开处理而互不影响。这是个十分可贵的特点。 严格的说，非线性系统并没有逆。然而，自适应逆控制方法却能够设法应 用。对予逆控制，指令输入被施加到一个非线性控制器，控制器的可调参数自 适应，使得控制器的输出驱动对象的输入，而对象的输出变得与参考模型输出 按最优最小二乘匹配。所得的控制器仅仅对特定的指令输入是很好的逆，而并 不是一般意义下的逆。 这个非线性控制器可以用神经网络来实现，但是该神经网络应该适合在线 学习。动态递归网络提供了一种极具潜力的选择，代表了神经网络建模、辨识 与控制的发展方向。 论文的内容安排如下： 第一章环氧丙烷生产过程概述。简要介绍该装置的生产方法、工艺流程。 第二章 环氧丙烷生产装置集散控制系统改造与优化方案设计。重新设计 该装置的d c s 系统，提出控制系统改造方案，以及在线优化方案。 第三章动态递归神经网络、r b f 神经网络算法。结合该装置存在的问题， 对将要应用的动态递归神经网络、r b f 神经网络进行算法研究。 第四章 自适应逆控制方法研究。结合该装置存在的问题，研究适合于该 装置的自适应逆控制方法。 第五章环氧丙烷生产装置控制研究。将神经网络、自适应逆控制方法应 用到该装置的控制中。 第六章结论与展望。 大连理i 大学硕士学位论文 第一章环氧丙烷生产过程概述 第一章环氧丙烷生产过程概述 环氧丙烷( v r o p y l e n eo x i d e ，p o ) 是一种重要的有机化工原料，它不仅可 以生产聚醚多元醇，进而生产聚氨酯，也可以生产用途广泛的丙二醇。除此之 外，环氧丙烷还可以生产非离子型表面活性剂、油田破乳剂、阻燃剂、农药乳 化剂及润湿剂等。 锦化化工( 集团) 有限责任公司环氧丙烷生产装置目前的生产能力为4 万 吨年，其环氧丙烷的产量居全国第一，制造成本在同类装置中也是最低的。锦 化公司现有环氧丙烷装置的氯醇化反应器为管塔串联式，皂化反应为减压皂化 工艺，国内仅该公司采用管塔串联反应器，技术水平处于国内先进水平。 制备环氧丙烷的方法很多，约有十余种。如直接氧化法、共氧化法、间接 氧化法、氯醇法等。其中，氯醇法普遍应用于工业生产中。本装置采用的是氯 醇法。 1 1 生产方法 氯醇法生产环氧丙烷的主要原料是丙烯、氯气和生石灰。环氧丙烷生产过 程中的半成品为氯丙醇，主要副产物有：1 ，2 二氯丙烷以及二氯异丙醚。 氯醇法生产环氧丙烷所需要建设投资少，生产比较安全，流程短，且工艺 较为成熟，因此，目前在世界仍为主要方法，占世界总产量的5 5 。 本装置是引进日本旭硝子公司氯醇化生产技术。其生产原理如下： 1 氯醇化工序 工业水、氯气、丙烯分别进入反应器，发生下列反应： c 1 2 + h 2 0 h c l o + h c lf 1 1 1 ) c h 3 c h c h 2 + h c l o 守c h 3 c h o h c h 2 c 1 ( b 氯丙醇) + c h 3 c h c l c h 2 0 h ( 氯丙醇)n 1 2 1 反应中生成的氯丙醇是4 左右水溶液，并含有大约等摩尔的氯化氢。 2 皂化工序 大连理工大学硕士学位论文第一章环氧丙烷生产过程概述 氯丙醇与石灰乳在皂化塔内发生皂化反应，生成环氧丙烷： c h s c h c h 2 o hc l l + c a ( o h ) 2 专2 c h s c h - - c h 2 + c a c h + 2 h 2 0 h 2f( 1 - c h s c h c o 1 - 1 3 )h 2 、7 1 3 ) c 1 o h - j 3 精制工序 通过前馏塔和精馏塔将9 6 的粗p o 精制成p g 用p o 和p p g 用p o 。 1 2 1 流程图 1 2 生产工艺流程 氯醇法生产环氧丙烷的三个工序的生产工艺流程如图1 1 、图1 2 和图1 3 所示。 1 2 2 生产过程 一、氯醇化工序 ( 一) 原料供给 1 丙烯 液态丙烯由石油五厂或槽车通过管道送入丙烯球罐。丙烯球罐内丙烯由丙 烯泵送入丙烯蒸发器h e 4 0 1 ，在此汽化成气态丙烯供给氯醇化反应系统。汽化 丙烯的方式为：将高温蒸汽凝水直接送入h e 一4 0 1 作加热介质。 2 氯气 氯气由界外用管道靠自身压力输送至氯气缓冲罐内，然后再送至氯醇反应 器中。为防止氯气液化，氯气缓冲罐夹套内用高温蒸汽凝水加温。 3 工业水 工业水由界外送至装置内的工业水预热器，在此与高温皂化清液热交换升 温然后再送入氯醇反应器。 ( 二) 反应过程 反应系统由管式反应器r e 一4 0 1 、塔式反应器t w 一4 0 2 组成。其中，4 5 的 氯醇化反应在r e 一4 0 1 中进行，余下的5 5 的氯醇化反应在t w - 4 0 2 中进行。 查堡墨三垄芏堡主兰竺垒查 苎= 主堡垒苎苎生兰童鉴 1 管式反应 由泵送来的工业水在r e 一4 0 1 内循环起来。通入管式反应器的氯气与水反应 生成次氯酸和盐酸。然后与通入管式反应器的丙烯发生氯醇化反应，生成氯丙 醇。 r e 4 0 1 中2 3 的氯丙醇水溶液、氯和丙烯气中的不纯气体被不断通入到管 式反应器的工业水压出，送入t w 。4 0 2 继续反应。 2 塔式反应 r e 一4 0 1 生成的氯丙醇水溶液从底部进入t w - 4 0 2 。依次经过塔内的氯气喷 嘴和丙烯喷嘴，与通入的氯气和丙烯发生氯醇化反应。生成的4 氯丙醇水溶液 从塔顶卧罐流入塔的循环管，之后一路返回底部循环使用，一路出料到氯丙醇 水溶液贮槽s t 一4 0 4 中，供皂化工序使用。 在塔式反应中，新供给的丙烯相对于氯气稍微过剩，这一部分丙烯与原料 氯气、丙烯中的杂质气体以及反应中生成物的气相部分经过t w - 4 0 2 顶部喷淋 装置的降温与消泡后从塔顶蒸出。 从t w 4 0 2 顶部排出的气体，经循环气冷却器将副产物冷凝下来，再经过 气液分离，分离出的水和氯丙醇进入s t 一4 0 4 。 气液分离的气相中丙烯含量占5 0 7 0 。为提高丙烯利用率，这一部分丙烯 被加压循环使用。循环气一路返回氯醇化塔参加反应，另一路送至r e 4 0 2 中与 氯气、水发生氯醇化反应，以回收丙烯。 二、皂化工序 皂化工序所用的原料是氯丙醇( p c h ) 溶液和石灰乳( m o l ) 。主要设备皂 化塔有三个主要作用： 1 用石灰乳中和氯丙醇溶液中2 的盐酸。 2 进行皂化反应，生成p o 。 3 进行蒸馏分离，使生成的p o 与d r ( 循环水) 分离浓缩后自塔顶蒸出。 氯丙醇贮槽s t 一4 0 4 中的氯丙醇由泵送入混合器，与石灰乳混合后进入皂化 塔。 皂化塔的下部为反应段，混合后的p c h 和m o l 从塔中部进入皂化塔发生 皂化反应，生成环氧丙烷。在由塔底部通入的4 k g c m 2 蒸汽的作用下，p o 蒸汽 与d r 分离后进入蒸馏段，在此经浓缩提纯后自塔顶蒸出。皂化废液落到塔底， 经闪蒸罐回收热量后送出进行进一步处理。 自皂化塔顶蒸出的p o 蒸汽，在分凝器处部分冷凝，冷凝液返回皂化塔项 大连理_ 工大学硕士学位论文 第一章环氧丙烷生产过程概述 部回收。未冷凝气体依次进入全凝器、排空冷凝器，冷凝下来的p o 通过真空 缓冲装置放入粗p o 贮槽s t 4 0 8 ，待精馏工序进一步精制成p g 用p o 和p p g 用p o 。未冷凝气体从顶部被吸收到表面冷凝器，其冷凝液返回皂化塔，以回收 热量。其未凝气体进入冷凝器进一步冷凝，不凝气体通过热水封装置排空。 为节约蒸汽用量和提高p o 分离效率，皂化塔实行减压操作。为防止在减 压下吸收空气与p o 形成爆炸混合物，通过设在蒸汽出口至冷凝器管线上的氧 自动分析仪监测系统内氧的浓度。氧含量一旦上升，立即向系统内充n 2 以确保 安全。 皂化反应中，m o l 加入量相对于p c h 是过量的。在塔底釜液的出口管线 设有p h 自动检测仪，应控制其p h 值在1 0 5 1 1 。根据此值调节p c h 与m o l 加 入量。 三、精制工序 本工序是将皂化工序生成的粗p o 精制成p g 用p 0 和p p g 用p o 。 ( 一) 前馏塔流程 粗p o 自s t 一4 0 8 由泵经过过滤器加入到前馏塔t w 4 0 6 中。该塔为炭钢制 浮阀塔。粗p o 从塔中部加入，落到塔底经塔外再沸器加热汽化后返回t w 。4 0 6 ， 经分馏提纯后，含低沸物杂质的p o 从塔顶蒸出，经全凝器后，p o 冷凝液进入 塔顶受槽，该受槽中的液体一部分回流到t w - 4 0 6 ，另一部分经冷却器进入p g 用p o 贮槽s t - 4 1 0 。 在t w - 4 0 6 底有管道，将塔釜液送t w 4 0 7 再进一步精制成p p g 用p o 。 ( 二) 精馏塔流程 前馏塔底液经过泵加入到t w 4 0 7 中部，落到塔底后再由塔底再沸器用蒸 汽加热成p o 气体返t w 4 0 7 ，在塔内分馏提纯后自t w - 4 0 7 顶部蒸出。p o 气 体经全凝器进入塔顶受槽。p o 冷凝液一部分回流到t w 4 0 7 ，另一部分经进一 步冷凝后进p p g 用p o 检验槽s 4 1 1 a b 。 氯醇法生产环氧丙烷，其装置庞大、工艺复杂，在整个生产过程中，相关 的工艺参数、检测点及控制点达近千个，这就为在这样一个大型装置上实施自 动化系统带来的挑战。 大连理i 大学硕士学位论文第一章环氧丙烷生产过程概述 i口1 i 巡 i 蔷螺广 智 躺 议葛 枯了 瞎葛 蝽 2 ”蔷f 姆懈嗡倒摧 圣 钉t i 葺h l l | 靴懈堪翅椎 耋 比 8 圃 裂 煺 恤 h 鼍 链 酶 一 匦 大连理i 大学硕士学位论文第一章环氧丙烷生产过程概述 - 9 - 圃 驰 煺 世 h 鼍 血3 砷 州 团 大连理工大学硕士学位论文第一章环氧丙烷生产过程概述 爵蜒 靶 截 j o= 阻 剐 星要 l 兰h 甓星 划 山 趟 拇糕 型可 颦鲤辩 善 i i 靶 登篓b 越。 史蛹广 星薹 黯 蕊 r 、 宝 肚 抽 n 按糕 割可 柱蜒疆辫 圣 1 0 圃 掣 蠖 性 h 馨 j 馨 n 二 固 大连理工大学硕士学位论文 第一章环氧丙烷生产过程概连 1 3 环氧丙烷生产装置存在的问题 该装置引进的是日本旭硝子公司氯醇化生产技术，引进时间为九十年代初。 该装置的集散控制系统采用的是f is h e r 的p r o v o x 系统，引进时间亦为9 0 年代初。从总体来说，这套d c s 系统所采用的自动控制技术还是非常简单的。 比如说，在整个d c s 系统中，所有的控制回路都是单回路的，而且，各个控制 单元、各个参数的控制都是完全独立的，相互之间没有任何的关联。该系统只 相当于一个基本的监控系统，运行在生产现场的仪表将采集到的数据通过d c s 系统送到总控室。总控室中有4 台操作站，由操作工人进行2 4 小时监视。操作 工人在整个工作期间，要不停地在组态程序中各个工序的画面之间进行切换， 查看各个检测点的数据。然后，根据各个点的数据，完全凭借操作工人的经验， 对当前的运行工况进行判断。如果出现需要调整的情况，则由操作工人根据经 验给出相应的措施，比如更改控制点的设定值等，然后再通过组态程序把这些 措施反馈给控制阀、仪表等，来进行控制。由此可见，在该装置中，d c s 实际上 只起到了一个监视、信息传递的作用，而这并没有发挥d c s 系统所应该发挥的 作用。 还有一个问题需要特别注意。该装置目前的运行工况以及原料质量均达不 到设计要求，这给装置的平稳生产带来了极大的问题。比如，设计中原料丙烯 的纯度在9 9 以上，而实际上现在所采用的原料丙烯的纯度经常在9 5 以下， 有时更是在9 0 以下，造成工况经常波动，给控制系统的运行带来了极大的困 难。 该装置的控制系统存在的问题包括各工艺参数并非最优、控制回路简单、 大部分的控制由人工来完成等。而该装置的生产工艺相当复杂，其所使用的设 备也非常多，因此影响该生产流程的参数有近千个之多。由于上述原因，造成 生产过程中各参数波动大，从而影响到产品的质量、产量，并且还存在能量消 耗较大、容易发生生产事故的问题。因此，极有必要在该装置原有的d c s 系统 的基础上，进行控制系统的改造，将先进控制技术、在线优化技术引入到该生 产装置中。 该装置目前存在的主要问题有： 1 丙烯、氯气的配比控制问题。丙烯、氯气的配比是氯醇化反应中最为重 大连理工大学硕士学位论文 第一章环氧丙烷生产过程概述 要的工艺参数，直接决定着中间产物氯丙醇的产出率。目前，该装置采用的是 人工控制的方式，其自动化程度相当低。 2 原料丙烯的纯度无法在线获得。目前，丙烯的纯度采用离线测定的方法， 即每来一批原料，就用实验室用气相色谱仪测定一次丙烯纯度，大约需要2 个 小时。 3 丙烯蒸发器的控制问题。目前，厂外送来的丙烯是液态丙烯，需要加热 使其气化，丙烯气化后其压力、温度经常波动，从而造成配比的波动。目前该 装置的丙烯蒸发器采用的是由工人在现场控制，自动化水平很低。 4 石灰乳、氯丙醇的配比控制问题。石灰乳、氯丙醇的配比是皂化反应阶 段最为重要的参数。装置中的石灰乳是采用“化灰”方式生产的，石灰乳的浓 度经常发生大范围的波动。而石灰乳、氯丙醇的浓度配比合理与否，直接影响 到皂化反应能否正常进行，从而影响到产品的产量和质量。 5 石灰乳的浓度目前无法在线获得，且由于制备工艺的原因经常波动。目 前，石灰乳的制备采用“化灰”的方法，由生石灰加水搅拌制得，其浓度在8 2 1 之间波动。而且，石灰乳存在遇空气即凝结的性质，常规的仪表无法达到要求。 6 皂化塔通入蒸汽( s 4 p ) 的热量恒算问题。皂化反应阶段，皂化塔需要 通入蒸汽( 即s 4 p ) 以实现对反应生成的p o 的汽提。目前，s 4 p 来自厂区外， 其温度、压力很不稳定。皂化反应所需的热量有一个最佳值，少了不利于反应， 多了又浪费能源。 7 皂化塔出口处废液的p h 值的检测问题。该值对整个生产过程是一个很好 的反映，当其值在1 0 5 1 l 时，说明反应良好。但是，由于废液具有腐蚀性，含 有大量沙粒等杂质，高温( 9 0 摄氏度以上) ，一般仪表难以达到要求。 8 精馏塔的控制系统优化问题。精馏塔是一个多变量的复杂系统，而目前 装置中采用都是最基本的单回路控制，各个工艺参数的控制是分开的，且由操 作人员进行人工操作。所以，装置目前采用的精馏塔的控制系统不是最优的。 9 设备故障的在线分析诊断问题。由于上述原因造成整个装置的工况处在 变化之中，并会出现一些不正常状态。在出现不正常状态时，目前装置采用的 是人工调节的策略，如降负荷等。同时，在环氧丙烷的生产过程中，会出现一 些设备故障，如管道堵塞、皂化塔塔板脱落等。 垄兰墨三苎兰堡主兰堡笙查 苎三主至塾苎些兰生苎墨叁墼墨型墨丝苎兰兰些些垄查兰生 第二章环氧丙烷生产装置集散控制系统改造 与优化方案设计 九十年代末，信息产业得到飞速发展。自动控制技术、计算机技术和通讯 技术在化工工业中得到广泛应用，导致化工生产过程等方面的变革，促进了过 程控制技术向高层次发展。随着化工工业日趋大型化、连续化和集成化，人们 对生产过程的优质、高产、低耗，以及在安全和环保方面提出了更高的要求。 如何把化工企业的过程操作信息集成起来，充分发挥人、计算机系统及自 动化装备的作用，充分挖掘生产能力，降低消耗，提高装置利用效率，保证质 量和安全，实现生产过程、管理决策过程和经营过程的整体优化，增强企业对 市场的应变能力，使其经济效益最大化，是利用现代信息技术改造传统产业亟 待解决的重大课题。 2 1 概述 随着国际、国内市场的不断开放，人们对产品质量的要求越来越高。因此， 追求高质量的产品、低成本的消耗，成为企业能否在激烈的市场竞争中立于不 败之地的最首要的保证。将企业的全部生产过程作为互相紧密联系的整体，进 行综合管理与优化控制，实现生产技术、经营管理与人的集成，以使企业获得 最大的经济效益的工业过程综合自动化技术，已经成为发达国家提高企业自身 的市场竞争力的重要手段。 一般说来，实现工业过程综合自动化以后，库存可减少3 0 ，产量可增加 1 0 ，生产周期可缩短3 0 ，管理效益可提高2 0 ，而用于建立工业过程综合 自动化系统的平均投资回收期为半年到两年。 在我国，按产品销售额和利润排名前2 0 位的企业中有7 0 属于连续过程工 业，它们包括石化、冶金、电力、造纸等行业。特别是石化企业，对工业、农 业、人们的日常生活、环境的影响极为重要，市场竞争也异常激烈，所以对综 合自动化技术的要求也就更加迫切。 查堡堡三查兰翌主兰竺丝查 苎三兰堑塾苎苎圭兰茎墨叁鲨塑墨丝塾兰量些些立茎! 竺生 然而，就目前国内企业实现自动化的现状和水平来看，普遍水平不是很高。 即使在一些好的企业也只是在某些局部上或者单元上实现了自动化；有些企业 虽然也采用了大型集散控制系统( d c s ) ，甚至已经达到了较高水准，但由于企 业没有实现对整个生产过程的集成优化控制，形成了一个个“自动化孤岛”，没 有给企业带来综合经济效益。在一些石化企业，很多工厂都采用d c s 监督、控 制、管理石油化工生产过程中各个装置的运行状况，他们不了解或者根本没有 看到实现综合自动化以后将给企业带来的技术进步和产品质量提高的巨大潜 力。d c s 的分散测控、集中监视的方式，不仅提高了仪表的可靠性与智能化水 平，而且为先进控制策略和优化技术应用于整个生产过程的集成控制提供了坚 实的基础。 近年来，国外一些石油化工企业和研究部门为了解决企业中存在的“自动 化孤岛”问题，竟相研制、开发、应用综合自动化系统。该系统基于生产目标， 综合运用先进控制技术、系统工程方法和先进生产工艺，通过计算机系统将企 业全部的生产信息和管理信息与各个分散的自动化系统集成起来，优化操作与 管理，组成一个能适应生产环境不确定和市场需求多变性的、总体最优的、高 质量、高产出、高效益、高柔性的智能生产系统。 如美国孟山都化工公司聚丙烯晴纶厂用v a x 计算机和p r o v o x 构成全厂 的综合自动化系统后，使劳动生产率提高5 0 ，人员减少1 0 以上。i c i 、杜邦、 道化工公司等也都建立了这样的系统，取得了明显的成效。 然而，国外市场提供的实现过程工业综合自动化的技术和产品不仅价格昂 贵，而且不完全符合中国企业的管理模式和生产条件，进一步的开发也成问题。 据报道，国外对环氧丙烷需求的增长速度略高于其他一些化工产品，到 2 0 0 0 年需求量将超过5 0 0 万吨年，而实际生产能力只有4 0 0 万吨年。根据国 内市场分析，预计2 0 0 0 年后，需求量将超过4 0 万吨年，而实际生产能力大致 为2 4 万吨年，缺口较大。 由于环氧丙烷良好的市场前景及下游产品的附加值较高，国外大的化工公 司和财团均投以较大的人力和财力竞相开发。就我国目前的国情而言，要实现 依靠新建一些规模较大的环氧丙烷装置来满足日益增长的市场需求，不仅需要 巨额资金，而且建设周期也较长。另一方面，从生产操作水平上看，与国外同 类生产装置相比，我们在装置的生产强度以及产品质量指标上都存在着一定的 差距，蕴藏着极大的潜力。实践证明，利用先进的自动化技术和信息技术，并 充分利用现有的环氧丙烷生产装置、设施及其它可利用资源进行技术生产能力 大连理工大学硕士学位论文第二章环氧丙烷生产装置集散丝型墨丝垡鱼些些查! ! ! 堕 改造与提高，优化现有环氧丙烷装置的生产操作完全能达到项目投资省、工期 短、见效快的目的，是提高我国环氧丙烷生产能力和技术水平的一个行之有效 的手段。 我国现有环氧丙烷生产厂家2 8 个，实际生产能力2 0 万吨年左右，平均 制造成本在7 0 0 0 元吨以上，大大高于国外5 0 0 0 元吨的平均水平。锦化化工 ( 集团) 有限责任公司环氧丙烷生产装置目前的生产能力为4 万吨年，其环氧 丙烷的产量居全国第一，制造成本在同类装置中也是最低的。 论文的目的是在该生产装置上，采用现代信息技术进行整个生产过程综合 自动化系统的实施，集中在装置技术改造、生产操作条件和设备的优化、生产 过程实时监控与故障诊断、先进控制技术、在线优化技术等方面。并利用先进 的计算机应用技术、自动化技术、人工智能技术等，优化现有的生产操作，提 高现有装置的生产能力、产品质量，使企业获得极高的经济效益。不仅为同类 化工装置提供经验，也使环氧丙烷生产技术水平有一个提高，并促进综合自动 化和有关控制软件的开发，以提高国内相关化工企业的生产操作和管理水平， 获得更高的经济和社会效益。 而且，目前锦化化工( 集团) 有限责任公司正在新上一套环氧丙烷生产装 置，其生产能力为8 万吨年。这套装置所采用的技术和论文的研究对象基本相 同。所以，如果本论文的研究结果成功的实施于原有的生产装置，今后可以同 样应用于新的生产装置，从而带来更大的效益。 2 2 集散控制系统改造方案 通过上面的分析，针对该装置目前存在的问题，结合其运行情况、工厂实 际生产的要求，将先进控制技术运用到该装置中，提出了如下的集散控制系统 改造方案，其总的目的是：提质降耗，提高生产效率。在d c s 系统中，将新增 如下的单元。 一、氯醇化阶段丙烯蒸发器的温度、压力控制系统 以送入反应器的气态丙烯的流量、丙烯蒸发器的液位等为参考量，通过控 制丙烯蒸发器的循环水的流量和温度等，来控制气态丙烯的压力、温度保持恒 定，同时提高该装置的自动化水平。 大连理工大学硕士学位论文第二章环氧雨烷生产菱黑集堕墨型墨丝垦兰兰些些查壅垄兰 二、氯醇化阶段丙烯、氯气的配比控制系统 结合操作人员的实际操作经验，依据反应机理，建立各种工艺条件下丙烯、 氯气的最佳配比的数学模型，以丙烯、氯气各自的压力、温度，以及生产流程 中的相关测点等为参量，计算出此时最佳的丙烯、氯气的流量，然后进行自动 控制。 三、丙烯纯度的在线软测量系统 丙烯的纯度与丙烯蒸发器的温度、压力，加热介质工业水的流量，氯醇化 反应过程的相关参数密切相关，以这些参数为参变量，采用神经网络软测量技 术，在线估计出丙烯的纯度，作为参考。 四、皂化反应段石灰乳、氯丙醇的配比控制 增加石灰乳浓度检测点，增加皂化塔塔底废液曲值的检测点。 结合操作人员的实际操作经验，依据反应机理，建立石灰乳、氯丙醇的最 佳配比的数学模型，以石灰乳的浓度、皂化塔塔底废液的p h 值，以及生产流程 中的相关测点等为参量，计算出石灰乳、氯丙醇溶液的最佳流量。并实现自动 控制。 五、皂化反应段s 4 p 的温压补偿、热量恒算及控制 建立皂化反应热量恒算的数学模型，以皂化塔的进料量、皂化塔内的温度、 皂化塔内的压力、s 4 p 的温度压力等为参量，计算出最佳的s 4 p 的流量，并进 行自动控制。 六、精馏段精馏塔的先进控制系统 研究精馏塔各变量之间的相互关系，建立其数学模型，然后建立精馏塔的 多变量控制系统，实现精馏塔各工艺参数的自动控制，以达到更优的控制效果。 七、生产运行情况的在线分析 根据反应的机理、操作人员的经验，建立生产运行情况的在线分析系统， 并给出相应的控制策略，进行自动调节。 八、在线故障诊断系统 根据反应的机理、操作人员的经验，建立在线的故障诊断专家系统，在出现 设备故障时，及时给出提示，并给出操作建议。 九、丙烯蒸发器的循环水预热器的自动控制系统 加入相关的测点，实现丙烯蒸发器的循环水预热器的自动控制。 垄兰兰兰查兰翌圭兰竺笙墨 苎三兰兰塾苎些兰兰茎墨叁丝型墨堕苎! 皇兰些些主室! 兰生 2 3 集散控制系统改造方案所需设备 在上述改造方案的实施过程中，需要新增或更换一些设备，这些设备列在 表2 1 中。 2 4 1 概述 2 4 环氧丙烷生产装置在线稳态优化方案 现代工业的一个重要特点是向大型化和自动化发展，工业过程自动化是实 现大规模工业生产安全、平稳、优质、高效的基本条件和重要保证。工业过程 自动化就控制方案而言在五六十年代仅仅是些单回路为主的简单控制系统， 其目的主要是以定值控制生产过程中的一些工艺变量，以达到稳定生产操作的 目的。因而，它们往往寓于工艺过程的稳定操作所带来的效益之中。随着工业 的发展，工厂装置规模的不断扩大，生产操作与装置运行的好坏与工厂的经济 效益关系更加密切，于是对工业过程自动化提出了更高的要求，对控制系统的 设置从稳定单个工艺变量发展到着眼于单元过程的控制进而发展到对整个车 间、整个工厂乃至整个公司的根据市场信息来最优地管理、控制企业生产的计 算机集成综合自动化，其经济效益也随着“控制”规模的扩大而显著增长。 当计算机作为控制工具被用于工业生产过程控制以后，开始人们期望将工业过 程中的单元过程，甚至一个装置( 一个完整的工艺流程) 用一个动态模型来加 以描述，然后用动态最优控制方法( 如动态规划及以后发展起来的大系统控制 方法) 来加以控制。不久，人们意识到这几乎是不可能的，这主要来自于两个 方面的原因。其是，随着控制规模的扩大，过程整体动态数学模型的获得( 一 般都是非线性的) 如果说不是不可能的话，也是极为困难的；其二是，工业过 程的非线性及不确定性以及变量如此之多，以致于没有一种控制算法( 包括大 系统控制算法) 能够运用。 人们首先想到的办法是分解一协调的方法。作为基本生产单位的车间( 装 置) ，其主要功能是生产过程的控制及操作优化。将个车间( 装置) 作为一个 整体来进行控制如上所述是极其困难的，国外在六七十年代早期的在线优化就 2 三兰墅墨三垄兰型堡堕圭 蔓三主堡垒至些兰生茎兰叁墼苎型墨丝垄兰皇些些立壅堡兰 嘲 妊 拣 皿】l l 艨 喾辱凿戛 划划 洲 长 o ，v o )( 3 3 8 ) 将f ( x ：) ；d i ( 仁】，2 ，n ) 带入式( 3 3 7 ) 可碍含有m 个未知数( 权) x i 8 m ； = 以 垄竺墨三垄兰翌主兰竺丝查 苎三主型查堡坚壁丝翌竺：! 坚型竺鲨登! ! ! 兰 w ；的n 个线性方程 中w = d( 3 3 9 ) 式中，n x m 矩阵。可表示为 中= 巾j 1 i i = l ，2 ，n ；j = 1 ，2 ，m ) ( 3 - 3 - 1 0 ) 而 巾i i = 巾( | | x i t j | | ) ( i = l ，2 ，n ：j = 1 ，2 ，m ) ( 3 - 3 11 ) w = 【w 】，w 2 ，w m 】1( 3 - 3 - 1 2 ) d = d t ，d 2 ，d n 】1( 3 3 1 3 ) 方程( 3 - 3 9 ) 的最小二乘解为 w = 0 + d ( 3 - 3 1 4 ) 式中，中+ 是矩阵中的伪逆，即 中+ = ( o t 巾) 。1 中t( 3 3 1 5 ) 3 3 3r b f 网络存在的问题 对于r b f 网络，需要注意的是： ( 1 ) r b f 与b p 网主要的不同点是，在非线性映射上采用了不同的作用函数， 分别为径向基与s 函数，前者的作用函数是局部的，后者的作用函数是全局的。 ( 2 ) 已证明r b f 网络具有唯一最佳逼近的特性，且无局部极小。 ( 3 ) 求r b f 网络隐节点的中心、标准化参数，是一个困难闯题。 ( 4 ) 径向基函数，即径向对称函数，有多种。对于一组样本，如何选择适合 的径向基函数、如何确定隐节点数，以使网络学习能达到要求的精度，这是尚 未解决的问题。当前，用计算机选择、设计、再检验是一种通用的手段。 ( 5 ) r b f n n 用于非线性系统辨识与控制中，虽具有唯一最佳逼近的特性， 且无局部极小的优点，但隐节点的中心难求，是该网络难以广泛应用的原因。 理论上r b f 网络具有广泛的非线性适应能力。r b f 网络的学习算法主要有： m o o k y 与d a r k e n 的算法；局部训练算法；正交优选算法；聚类和g i v e n s 变换 联合算法等。其中前两种算法不适合实际应用，第3 种算法能有效应用于r b f 网络的离线学习，第4 种算法适于r b f 网络的迭代学习。与b p 算法相比，r b f 网络的学习算法不存在学习的局部最优问题，且由于参数调整是线性的，可望 获得较快的收敛速度，非常适合系统的实时辨识和控制。但后两种算法在实际 应用中仍存在以下问题：( 1 ) 网络基函数的中心值确定问题：( 2 ) 输出权值计 大连理i 大学项士学位论文 第三章动态递归神经网络、r b f 神经网络算法 算中的数值变态问题：( 3 ) 网络的在线校正问题：( 4 ) 网络的在线校正与数据 采集的配合问题；( 5 ) 网络综合性能的提高问题。 3 3 4r b f 网络的改进学习算法 如前所述，r b f 网络的基本算法存在许多问题有待解决，所以，提出了一 些改进算法。由于这不是本论文的研究重点，所以只在这里做一般性的讨论。 这些改进算法主要有如下一些。 1 基于正交最小二乘法o l s 的r b f 学习方法 早期时确定r b f 网中心的一种方法便是把每一个输入向量都作为网路中 心，也就是说，网络中心数与输入样本的个数是相等的。该方法显然在问题比 较复杂、输入向量比较多时，所得到的网络规模过于庞大而不实用。 经过分析可以发现，不同的输入样本对网络的中心的影响是不一样的，有 的比较大，有的比较小。如果我们能够准确的找到各个样本点对网络中心影响 的大小的一个度量，那么，便可以从中取出对网络中心影响较大的作为网络中 心，便可以简化网络的结构。这便是正交最小二乘法，它使我们能够根据精度 要求以及各个样本点对中心的影响的大小来合理地确定网络的结构，该结构在 满足精度要求的前提下，中心的数量少，还不会导致数值病态情况的发生。其 具体的算法见文献 2 0 、【3 3 1 。 2 基于动态均值聚类的r b f 学习方法 如前所述，r b f 网络中心学习的目的就是把输入数据分配到一定数目的有 意义的类别中去，即根据欧式空间中的距离来对输入向量进行聚类，而k - 均值 聚类正是按照欧式距离来进行聚类的方法。但它要求预先知道聚类中心的数目， 在实际应用中，这是不可能的。因此极其需要一种自适应调整聚类中心的方法， 动态均值聚类法便是其中的一种。 动态聚类法是一种很有价值的动态确定网络中心的方法，该方法的计算过 程简单，计算量小。其具体的算法见文献 1 0 、3 4 1 。 3 基于e r p c l 的r b f 学习算法 我们知道r b f 网的关键是确定网络的中心，而中心又应是输入样本的最佳 聚类的反映，所以其它各种能够实现自组织聚类的神经网，如k o h o n e n 网等的 聚类思想都是可以借鉴的。 k o h o n e n 网模拟了信息在人脑中传递、组织和记忆的模式，作为无导师学 习的神经网络模型广泛应用于样