（模式识别与智能系统专业论文）氯乙烯生产过程优化控制研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 氯乙烯单体( v c m ) 是生产聚氯乙烯的主要原料。氯乙烯单体生产过程反应机理复 杂，反应过程具有非线性、不确定性和时变性它具有一系列复杂化工反应过程的典型 特性。目前我国氯乙烯生产的自动化水平很低，大多生产装置都处于手动控制和半自动 控制状态，而对氯乙烯生产技术的研究大多着重于工艺性的研究，工艺研究和控制研究 还没有有效地结合。如何提高控制水平，优化氯乙烯生产过程已经成为提高氯乙烯生产 效率和产品质量的瓶颈。 本文在对氯乙烯生产工艺流程、机理特性深入了解分析的基础上，根据生产的工艺 要求和控制要求，提出了生产过程优化方案以及氯乙烯生产过程集成控制系统整体方案 设计，采用i p c + p l c + 现场总线模块的形式，利用工业以太网技术，组成三层分布式控 制系统；针对氯乙烯生产过程四个阶段之一的乙炔生产过程存在的“气柜”问题，提出 了p f c p i d 串级控制策略解决方案；针对氯乙烯转化过程存在的模型难以建立，转化温 度难以控制的问题，采用支持向量机对氧乙烯转化过程进行建模，并将得到的支持向量 机模型应用于非线性系统的预测控制，提出了基于支持向量机模型的非线性预测控制算 法；最后采用r s v i e w 3 2 组态软件对氯乙烯生产过程进行了上位机组态设计。 仿真结果表明，文中所提出的先进控制解决方案有良好的控制品质，可以成功的解 决氯乙烯生产过程现存的控制问题，实现了提质，降耗和提高生产效率的目的。 关键词：氯乙烯单体；优化；控制 大连理工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho f o p t i m i z i n gc o n t r o lo fv c m p r o d u c t i o np r o c e s s a b s t r a c t y lc h l o r i d em o n o m e r ( v c m ) i st h em a i nm a t e r i a lo fp v cp r o d u c e 1 1 1 ep r o d u c e p r o c e s so f v c mh a sc o m p l i c a t e dm e c h a n i s m i ti sn o n l i n e a r , u n c e r t m n 哆a n dt i m e - v a r y i n g , s o i th a st y p i c a lc h a r a c t e ro fas e r i e so fc o m p l e xc h e m i c a lr e a c t i o np r o c e s s c u r r e n t l y ，t h e a u t o m a t i o nl e v e lo fv c m p r o d u c t i o ni sv e r yl o wi nc h i 舰m o s to fd e v i c ei si nam a n u a lo r s e m i - a u r o r a a t i cc o n t r o l ，a n dm o s to fr e s e a r c ho fv c mp r o d u c t i o n t e c h n i q u ef o c u s0 1 1 p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , i th a sn o tb e e nc o m b m c de f f e c t i v e l yw i t hr e s e a r c ho f c o n l r 0 1 h o wt o i m p r o v et h el e v e lo fc o n t r o la n do p t i m i z et h ep r o d u c t i o np r o c e s sh a v eb e c o m et h ei m p o r t a n t m e t h o d so f i m p r o v i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n d p r o d u c tq u a l i t y b a s e do nu n d e r s t a n d i n ga n da n a l y z i n gt h em e c h a n i c so fv c m p r o d u c t i 0 1 1p r o c e s sa n d p r o d u c t i o nf l o w ，a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft e c h n o l o g ya n dc o n t r o l ，t h ep r o d u c t i o np r o c e s s o p t i m i z a t i o ns o l u t i o na n dt h ep r o j e c to ft h ei n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mo fv c mp r o d u c t o n p r o c e s sa r ep r o p o s e d i nt h i sp r o j e c t , t h e3 - l a y e rd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e db y a s s e m b l i n gp l c ，i n d u s t r i a lp c ，f i e l db u sf om o d u l e sa n dt h ei n d u s t r i a le t h e m c t a i m e da t t h e “g a s t a n k ”p r o b l e mi na c e t y l e n es t a t i o n , t h ep f c p i dc a s c a d ec o n t r o ls o l u t i o ni sd e s i g n e d a i m e da tt h ep r o b l e m so f b u i l d i n g 叩m o d e la n dc o n t r o l l i n gt r a n s l a t i o nt e m p e r a t u r ed i f f i c u l t y , a m o d e l i n gm e t h o do fn o n l i n e a rs y s t e m su s i n gs u p p o r tv t 圮t o rm a c h i n e si sp r o p o s e d a n dt h e m o d e l i n go fs v mi sa p p l i e dt on o n l i n e a rp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ak i n do fn o n l i n e a rp r e d i c t i v e c o n t r o ls c h m eb a s e do nt h es v mm o d e li sg a v eo u t f i n a l l y , t h eh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c eo f v c m p r o d u c t i o ni sd e s i g n c db a s e do nr s v i c w 3 2 t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ea d v a n c e dc o n t r o ls o l u t i o n sh a v eg o o dc o n t r o l q u a l i t y , i tc o u l dr e v o l v e ds u c c e s s f u l l yt h ec o n t r o lp r o b l e m so fv c mp r o d u c t i o np r o c e s s r e a l i z et h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gp r o d u c eq u a l i t y , r e d u c i n gc o n s u m ea n d i m p r o v m g p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y 一1 i 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：鎏塑查 日期：弛：f ：2 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：鋈盎茎 新一 空】 导师签名：j 墅j 麴2 年卫月且同 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 氯乙烯( v _ i y l c h l o r i d e m o n o m e r 简称v c m ，分子式c h ，t c h c l ) 是无色的、易液 化的气体。易聚合，也能与丁二烯、乙烯、丙烯、丙烯腈、醋酸乙烯和马来酸脂等共聚。 主要用于制备聚氯乙稀( p o l y m e r i z ec h l o r i d em o n o m e r 简称p v c ) ，也用于有机合成、制 备冷冻剂掣”早在1 8 3 5 年，法国人r e g n a u k 就已经发现了氯乙烯，但直到1 9 1 2 年前 后。德国化学家f k l a t e 和e z a c h a r i s 才发展了氯乙烯和聚氯乙稀的工业生产方法，而较 大规模的用氯乙烯聚合产生聚氯乙稀是在1 9 3 5 年由b i t t e r f e l d 实现。到二十世纪六十年 代，聚氯乙稀已经是塑料中最大的品种，目前聚氯乙稀仍然是塑料中位居第二的产品， 是木材、钢铁、玻璃、纸张等传统材料的良好代用品，在塑料工业中具有举足轻重的地 位1 2 1 。而在聚氯乙稀生产过程中，氯乙烯单体的生产是至关重要的。 经过近半个世纪的发展，氯乙烯生产规模不断扩大，生产技术快速更新，实践证明， 氯乙烯生产工艺的技术水平直接影响着聚氯乙烯树脂的产品质量、生产成本及市场竞争 力 1 1 氯乙烯生产技术及现状 生产聚氯乙烯( p v c ) 的主要原料氯乙烯的工业生产方法主要有3 种：电石法、乙烯 氧氯化法及二氯乙烷氯乙烯( e d c n c m ) 法。但从本质上讲，e d c c m 法实际上是乙 烯氧氯化法的后段，所以氯乙烯的工业生产方法主要是电石法和乙烯法f 3 】。 ( 1 ) 电石法： 该工艺是氯乙烯最早工业化的生产方法。甩电石和水反应生成乙炔，乙炔与氯化氢 反应，以氯化汞为催化剂，从而生成氯乙烯。 ( 2 ) 乙烯氧氯化法： 该工艺是用乙烯与氧气反应生成二氯乙烷，二氯乙烷又裂解生成氯乙烯和氯化氢。 氯化氢再与乙烯和氧气发生氯化反应生成二氯乙烷和水。 目前，世界上先进国家已完全淘汰了电石法生产氯乙烯。而在我国，氯乙烯生产中 乙烯法、电石法和e d c w c m 法基本各占1 ，3 ，呈现三足鼎立之势，是世界上各大氯乙 烯生产国中仅有的兼有乙烯法、电石法、e d c c m 法3 种装置共存的国家。 电石法生产氯乙烯在我国能够生存是有其深刻的历史和现实原因的。由于目前我国 氯乙烯生产的原料路线、资源分布和环境要求的不同，尤其是电石法的工艺技术己相对 成熟，资源有保证。因此，电石法在国内还可以生存相当长的时间。近几年以来，特别 是美国9 1 1 事件以来，随着国际局势的紧张，国际原油、天然气价格暴涨，导致了以乙 氯乙烯生产过程优化控制研究 烯为工艺路线的成本增加，从而突显了我国电石法生产氯乙烯企业的成本优势。与此同 时，电石生产企业的扩产，大型电石炉的投用及采用密闭生产工艺，使电石产量大大提 高，电石供应平稳，价格波动不大，且质量较好，电石法生产氯乙烯的企业又可因此降 低电石消耗，利润进一步增加，从而使得电石法生产氯乙烯主导了全国的氯乙烯市场， 出现了一个暴利时代。于是国内再度掀起了电石法生产氯乙烯的投资、装置改扩建以及 生产系统优化的热潮。 2 电石法v o g 生产过程控制系统存在的问题 和其他行业的自动化控制水平相比，国内电石法v c m 控制技术发展水平还是很低 的，大多生产装置处于手动控制和半自动控制状态，很多企业虽然采用了p l c 控制系 统，但是仍然靠人工手动操作，这种情况和国内自动化应用基础水平比较低有很大的关 系。 电石法v c m 生产工艺过程是一个复杂的工业过程，反应机理复杂，反应过程具有 非线性、不确定性和时变性，而且难以建模，它具有一系列复杂化工反应过程的典型特 性。目前对电石法v c m 生产技术的研究主要着重于工艺性的研究，工艺研究和控制研 究还没有有效地结合，如果能将集成优化控制技术应用于氯乙烯生产过程，将会产生更 大的经济效益。从优化控制角度来看，电石法v c m 生产过程主要存在以下问题需要解 决 4 1 ： ( 1 ) 在深入分析电石法v c m 生产工艺的基础上，确定控制目标和控制变量，分析 氯乙烯生产过程中主要的控制问题和优化目标，完成控制系统的总体结构设计是解决问 题的第一步。 ( 2 ) 乙炔生产工序中发生器温度、发生器压力耦合，如何控制好发生器内温度与压 力是系统平稳生产的关键。 ( 3 ) 氯化氢生产工序中氢气与氯气的配比是氯乙烯生产中重要的工艺参数，控制是 否得当是该工序安全生产以及提高氯乙烯纯度的关键。 ( 4 ) 氯乙烯转化阶段的温度控制属于多变量、非线性复杂化工过程控制，给过程建 模和优化控制带来了很大的困难，建立其过程模型是氯乙烯生产过程优化控制的重要环 节。 ( 5 ) 氯乙烯精馏阶段各工艺参数受其它工艺参数的影响较大，各参数之间存在着耦 合关系，相互作用，研究各变量之间的相互关系，建立多变量的控制系统，是提高氯乙 烯纯度最为重要的环节。 大连理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 根据现场情况和现有条件，设计氯乙烯生产过程集成优化控制系统，保证生产 正常运行，也是讫待解决的问题。 1 3 工业过程控制技术的发展及现状 1 3 1 控制理论的发展 控制理论的发展过程一般可分为三个阶段，第一阶段时间为2 0 世纪4 0 6 0 年代， 称为“经典控制理论”时期闭2 0 世纪4 0 年代开始形成的经典控制理论被称位“2 0 世 纪上半叶三大伟绩之一”，在人类社会的各个方面有着深远的影响。特别是第二次世界 大战以后的半个世纪里，控制理论发展尤为迅速【6 l 。 经典控制理论主要是解决单输入单输出问题，主要采用传递函数、频率特性、根轨 迹为基础的频域分析方法，所研究的系统多是线性定常系统，对非线性系统分析时采用 的相平面法一般也不超过两个变量。经典控制理论能够较好地解决生产过程中的单输入 单输出问题，其最辉煌的成果之一要首推p i d 控制规律。p i d 控制原理简单，易于实现， 对无时间延迟的单回路控制系统极为有效。直到目前为止，在工业过程控制中，有 9 0 的系统还使用p i d 控制规律。经典控制理论最主要的特点是：线性定常对象、单输 入单输出、完成镇定任务。即便对这些极简单对象的描述及控制任务，理论上也尚不完 整，从而促使了现代控制理论的发展。 第二阶段时间为2 0 世纪6 0 ? 0 年代，称为“现代控制理论”时期。这个时期，计 算机的飞速发展，推动了空间技术的发展。现代控制理论以状态空间法为基础，描述控 制系统的动态过程，可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线性定常的，也可以是 非线性时变的。现代控制理论中，为了扩大现代控制理论的适用范围，相继产生和发展 了系统辨识与参数估计、随机控制、自适应控制以及鲁棒控制等各种理论分支，使控制 理论的内容愈来愈丰富。现代控制理论虽然在航天、航空、制导等领域取得了辉煌的成 果，但对于复杂的工业过程却显得无能为力l ”。 第三阶段时间为2 0 世纪7 0 年代末至今。2 0 世纪7 0 年代末，控制理论向着“大系 统理论”和“智能控制”方向发展，前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论 在深度上的挖掘。“大系统理论”是用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案， 总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。实际上，大系统理论仍未突破现 代控制理论的基本思想与框架，除了高维线性系统之外，它对其他复杂系统仍然束手无 策。对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统，基于知识的专家系统、模糊控制、 人工神经网络控制、学习控制、软测量技术、预测技术、遗传算法和基于信息论的智能 控制等应运而生【8 l 。“智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程 一3 一 氯乙烯生产过程优化控制研究 的规律，研制具有某些仿入智能的工程控制与信息处理系统。已广泛应用在机器入学、 机械制造、电力电子、工业过程控制等领域。 1 3 2 智能控制的产生与发展 人工智能是2 0 世纪3 0 年代至4 0 年代产生并发展起来的一门前沿和交叉学科，用 来模拟人的思维，已经引起了许多学科领域的日益重视，许多不同专业背景的科学家正 在人工智能领域内获得一些新的思维和新的方法肛儿j 。随着人工智能技术的迅速发展， 在各个领域的应用广泛展开。从2 0 世纪6 0 年代起，人们开始将人工智能技术应用于控 制系统，并形成人工智能控制的概念回顾智能控制的产生与发展历程，主要分为4 个 时期的发展阶段： ( 1 ) 启蒙期从2 0 世纪6 0 年代起，自动控制理论和技术的发展已渐趋成熟，控制界 学者为了提高控制系统的自学习能力，开始注意将入工智能技术与方法应用于控制系 统。2 0 世纪6 0 年代初期，f w 史密斯提出采用性能模式识别器来学习最优控制方法的 新思想，试图利用模式识别技术来解决复杂系统的控制问题。1 9 6 5 年，美国著名控制论 专家扎德创立了模糊集合论，为解决复杂系统的控制问题提供了强有力的数学工具。 1 9 6 6 年j m 德尔首先主张将人工智能用于空间飞行器的学习控制系统的设计，并提出 了“人工智能控制”的概念。1 9 7 1 年，著名美籍华裔科学家傅京逊从发展学习控制的角 度首次正式提出智能控制这个新兴的学科领域。这些标志着智能控制的思想已经萌芽。 ( 2 ) 形成期2 0 世纪7 0 年代可以看作是智能控制的形成期。从2 0 世纪7 0 年代初开 始，傅京逊等人从控制论角度进一步总结了人工智能技术与自适应，白组织、自学习控 制的关系，正式提出了智能控制就是人工智能技术与控制理论的交叉，并创立了人一机 交互式分级递阶智能控制的系统结构，在核反应堆、城市交通等控制中成功地应用了智 能控制系统，这些研究成果为分级递阶智能控制的形成奠定了基础【1 2 1 。1 9 7 4 年，英国 工程师曼德尼将模糊集合和模糊语言用于锅炉和蒸汽机的控制，创立了基于模糊语言描 述控制规则的模糊控制器，取得良好的控制效果。1 9 7 9 年，他又成功地研制出自组织模 糊控制器，使得模糊控制器具有了较高的智能【1 3 l 。模糊控制的形成和发展，以及与人工 智能中的产生式系统、专家系统思想的相互渗透，对智能控制理论的形成起了十分重要 的推动作用。 ( 3 ) 发展期进入2 0 世纪舳年代以来，由于微机的迅速发展以及人工智能的重要领 域一专家系统技术的逐渐成熟，使得智能控制和决策的研究及应用领域逐步扩大，并取 得了一批应用成果。这种系统体现了传感器技术、自动控制技术、计算机技术和过程知 识在生产自动化应用方面的综合先进水平，标志着智能控制系统已由研制、开发阶段转 一4 大i 奎理工大学硕士学位论文 向应用阶段。应该特别指出，2 0 世纪8 0 年代中后期，神经网络的研究获得了重要进展， 神经网络理论和应用研究为智能控制的研究起到了重要的促进作用。 ( 4 ) 高潮期进入2 0 世纪9 0 年代以来，智能控制的研究势头异常迅猛，每年都有各 种以智能控制为专题的大型国际学术会议在世界各地召开，各种智能控制杂志或专刊不 断涌现，来自各国政府和企业的专项科研经费不断增加。智能控制研究与应用涉及到众 多领域，从高技术的航天飞机推力矢量的分级智能控制、空间资源处理设备的高自主控 制，到智能故障诊断及控制重新组合，从轧钢机、汽车喷油系统的神经控制到家电产品 的神经模糊控制。如果说智能控制在2 0 世纪8 0 年代的应用和研究主要是面向工业过程 控制，那么9 0 年代，智能控制的应用已经扩大到面向军事、高技术领域和日用家电产 品等领域1 1 4 , t s 1 3 3 控制系统技术发展。町 2 0 世纪5 0 年代，过程控制系统是基于3 1 5 p s i 的气动信号标准的基地式气动控制 仪表系统，像自力式温度控制器、就地式液位控制器等即第一代过程控制体系结椅( p c s p n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e m ) ，它们的功能往往限于单回路控制。时至今日，这类控制系统 仍没有被淘汰，而且还有了新的发展，但所占的比重大为减少。 2 0 世纪6 0 年代出现基于模拟电流信号标准0 1 0 m a ( 4 2 0 m a ) 单元组合式模拟仪 表组成的控制系统。即为第二代过程控制体系结构( a c s 。a n a l o g o u sc o n t r o ls y s t e m ) 。由 单元组合仪表组成的控制系统，控制策略主要是p i d 控制和常用的复杂控制系统( 例如 串级、均匀、比值、前馈、分程和选择性控制等) 。 2 0 世纪7 0 年代，由于使用了数字计算机，从而产生了集中式数字控制系统，代替 常规控制仪表。即第三代过程控制体系结构( c c s ，c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ) 。由于集中 控制的固有缺陷，未能普及和推广就被集散控制系统( d e s ) 所替代。 2 0 世纪8 0 年代，微处理机的出现和应用，从而产生了分布式控制系统，即第四代 过程控制体系结构( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，d c s 在硬件上将控制回路分散化， 使数据显示、实时监督等功能集中化，有利于安全平稳生产。就控制策略而言最初的 d c s 系统仍以简单p i d 控制为主，再加上一些复杂控制算法，并没有充分发挥计算机 的功能和控制水平。 2 0 世纪9 0 年代，现场总线技术的出现产生了新的一代过程控制体系结构，即现场 总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。现场总线被称为2 1 世纪工业过程测控网 络标准。它能够提供智能化、简单化、标准化的现场总线设备接口，将使过程控制用户 氯乙烯生产过程优化控 锨开究 在低成本、易移植、易扩展这样一种友好的环境中进行系统设计、安装和运行，给自动 化领域带来了新的革命，有着广泛的应用领域和市场。 由早期继电器逻辑控制系统与微机计算机技术相结合而发展起来的p l c ，融计算机 技术、控制技术和通信技术于一体，集顺序控制、过程控制和数据处理于一身，可靠性 高、功能强大、控制灵活、操作维护简单。随着电子技术，计算机控制技术和通信技术 的发展，p l c 的功能也愈来愈强大，由原来简单的逻辑控制功能逐渐发展到模拟量控制、 高速大容量运算处理、p i d 闭环控制、运动定位控制和网络通信等功能。 近年来，现场总线技术、工业以太网、工控p c 、组态软件迅速发展并应用于p l c 系统，使得p l c 有条件和其它各种计算机系统和设备实现集成，在实际应用中，p l c 可与上位工控p c 机联网，也可下挂p l c 、现场总线加模块和设备，组成大型的分布 式控制系统，p l c 系统具备了d c s 的形态。目前，基于p l c 和工控p c 的d c s 系统目 前在国内外都得到了广泛的应用，已经成为现代工业控制设备的三大支柱之一。 开放结构、集成技术、先进控制、过程优化、人工智能和现场总线是未来 d c s p 螂口m s c i p s 等系统的四大重要特征，各种工业控制和管理系统己出现了大统 一趋势，并将大大地影响并推动分散控制系统的发展，导致新一代工厂自动化系统的产 生。 1 ，4 选题背景与主要研究内容 本论文的选题来自于氯乙烯单体生产过程优化及先进控制系统改造项目。氯乙烯生 产过程具有高度非线性、时变性的特点，而且对控制的稳定性、系统的安全性要求很高， 可以代表一系列复杂的非线性工业过程。在经过精心仔细的现场调研基础上。根据氯乙 烯单体生产过程的工艺要求和系统控制要求，针对系统的现状，提出了i p c + p l c + 现 场总线i o 模块的氯乙烯生产过程控制系统的整体架构。针对乙炔站存在的“气柜问题” 提出了p f c - p i d 串级控制解决方案。针对其中的氯乙烯转化过程，采用支持向量回归进 行系统建模，并在此模型基础上，引入预测控制方法，提出基于支持向量回归的非线性 预测控制，并应用遗传算法对目标函数进行滚动优化。最后利用罗克韦尔公司的 r s v i e w 3 2 组态软件完成了上位机监控系统的开发，包括了氯乙烯生产过程的实时监视， 提供实时报警、历史曲线、数据存储等功能。本论文具体结构安排如下： 第二章在深入研究氯乙烯单体生产工艺流程以及所存在问题的基础上，提出了优 化方案以及氯乙烯生产过程控制系统的总体结构。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 第三章针对氯乙烯生产过程之一的乙炔生产所存在的“气柜问题”提出了预铡函 数控制解决方案，并在实际工业测试的出过程模型的基础上进行了仿真，结果表明预测 函数控制有良好的控制品质及强鲁棒性，且算法简单，易于工程实现。 第四章主要介绍了基于支持向量回归对氯乙烯转化过程建模，支持向量回归可以 利用实际可测量的输入输出数据来辨识模型，而且它拓扑结构简单，有完备的理论基础， 良好的推广泛化能力，其最终将转化为一个二次型寻优问题，得到的是全局最优解。以 及在此基础上采用预测控制对转化温度进行控制。在此模型基础上，引入预测控制方法， 提出基于支持向量回归的非线性预测控制。并应用遗传算法对目标函数进行滚动优化， 仿真实验与现场运行都证明该方法的良好控制效果。 第五章对氯乙烯生产过程上位机组态，包括流程监控、工艺参数修改、实时报警、 某工艺参数历史趋势以及实时趋势显示、报表等功能。 第六章结论与展望，总结论文所解决的问题，并对下一步研究提出建议。 氧乙烯生产过程优化控制研究 2 氯乙烯单体生产过程控制系统设计 电石法生产氯乙烯单体是先将电石加入水中生成乙炔，再用氯气、氢气合成氯化氢 然后乙炔与氯化氢转化生成氯乙烯，最后再进行精馏的生产过程。对应的四个生产阶段 为：乙炔的生成、氯化氢合成、氯乙烯转化和氯乙烯精馏。流程如图2 1 所示 图2 1 氯乙烯单体生产流程 f i g 2 1 t h e p r o d u c ef l o wo fv c m 2 1电石法v c m 生产工艺流程简介 电石乙炔法是生产氯乙烯最早工业化的方法，设备工艺简单，投资少，产品纯度高。 反应基本原理为乙炔和氯化氢在以氯化汞为活性组份。以活性碳为载体的催化剂上气相 反应生成氯乙烯 主反应：o c + 王l d - c h - c h + c a ( o h ) ， c hl c h + h c l 坚k c h 2 - c h c l + 1 2 4 副反应：c h - c h + 风0 - c h 3 c h o c h - c h + 2 月奢c l = c l c h 2 l c h c l + h g c l 2 c h 2 - c h c l + h c l c h 3 c h c l 2 工艺过程为：乙炔和氯化氢按一定摩尔比混合进入在列管内装有氯化汞催化剂反应 器进行反应，在反应中放出的热量，借列管外的循环冷却水带走，反应后粗氯乙烯气体 进入水洗塔及碱洗塔，洗去气体中氯化氢及二氧化碳，碱洗后气体，通过干燥塔进行压 缩、全凝、液化，液体氯乙烯通过低沸点塔及高沸点塔，除去高、低沸物，得到精氯乙 烯送入贮槽，工艺流程图如图2 2 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 氯乙烯单体生产流程简图 f i g 2 2 t h ed i a g r a mo fv c m p r o d u c ef l o w 氯乙烯单体的生产过程可分为四个阶段，具体工艺流程如下： ( 1 ) 乙炔的生成 乙炔的生成的基本原理是电石和水反应生成乙炔的过程，具体工艺流程如图2 3 所 示，将粉碎好的电石直径( 1 5 5 0 m m ) 放入电石吊斗内，用电葫芦或皮带运输机经第一、 第二料斗，借电石振荡器连续不断地加入发生器内，加入量大小由振荡器电流控制，其 中振荡器电流与气柜高度连锁起到安全保护作用。电石与反应器内的水反应后，生成的 9 一 氯乙烯生产过程优化控制研究 乙炔气从发生器顶部逸出，经正水封进入冷却塔和水洗塔降温及除去电石泥等固体杂质 后进入气柜中。水解反应放出的热量由连续不断加入发生器内的过量水移去。产生的电 石渣浆从溢流管不断溢出。而浓渣浆及矽铁等杂质经搅拌耙齿耙至发生器锥底，经气动 排渣阀间断放至渣池。为了防止因后续管路、设备堵塞发生超压，反应器内的乙炔或物 料进入安全水封捧出。 图2 3 乙炔生产工艺流程图 f i g 2 3a c e t y l e n e p r o d u c t i o n p r o c e s s f l o w ( 2 ) 氯化氢合成 如图2 4 所示，电解装置送来的氢气经缓冲罐、阻火器、进入合成炉，在底部的石 英灯头上燃烧，氯气经缓冲罐进入合成炉按一定比例与氢气混合燃烧生成氯化氢，燃烧 温度可达2 0 0 0 ，借炉身及冷却夹套冷却，出炉口温度约为5 0 0 ，经较长的铸铁空气 冷却管冷却到1 2 0 1 5 0 ，在块式石墨冷凝器中，用工业水间接冷却至3 5 左右，将 气体中的水冷却生成盐酸进入盐酸贮槽，氯化氢借系统压力送至氯乙烯合成装置。 大连理工大学硕士学位论文 图2 4 氯化氢生产工艺流程图 f i g 2 4h y d r o c h l o r i cp r o d u c t i o np r o c e mf l o w ( 3 ) 氯乙烯单体合成 氯乙烯单体合成工艺流程如图2 5 所示，乙炔和氯化氢气体按一定比例在混合器中 混合后进入石墨冷凝器中，用0 3 5 c 盐水问接冷却到1 4 c 左右，进入酸雾捕集器，用硅 油玻璃棉捕集酸雾使之生成盐酸，放入盐酸贮槽。除去酸雾的干燥混合气体进入预热器， 由流量计控制从上部进入串联转化器组，以反应器列管中充填的氢化汞，活性碳为催化剂 使乙炔与氢化氢反应转化为氯乙烯单体。合成反应放出的热量通过循环热水泵循环热水 移去。 后台反应器中排出的氯乙烯气体在高温下带出的氯化汞在填充活性碳的除汞器中 除去，然后进入石墨冷凝器，用0 c 水将其间接冷却至1 5 以下再进入泡沫塔，回收过 量的氯化氢以制取3 0 以上的盐酸放入酸贮槽。泡沫塔顶部排出的气体再经水洗塔和碱 洗塔洗涤，进一步彻底除去残余的氯化氢后，送入粗氯乙烯气柜，而后进入机前列管式 冷却器。用0 水间接除去部分水，用往复式压缩机压缩至0 5 m p a ( 表压) 左右，经分离 器分离除去油和水后送入精馏系统。 氯乙烯生产过程优化控制研究 图2 5 氯乙烯转化工艺流程图 f i g 2 5v i o y jc h l o r i d et r a n s l a t i o np r o c e s sf l o w ( 4 ) 氯乙烯精馏 粗氯乙烯中含有杂质，杂质中有未参加反应的c 2 h 2 、h c l 、有原料气带来的气体 h 2 、n 2 、c o z 、h z o 等，还有副反应产物，如二氯乙烷、二氯乙烯、三氯乙烷、三氯乙 烯等多种氯化物。去除粗氯乙烯中的杂质主要由耪馏来完成，低沸塔除去轻组分杂质， 高沸塔除去重组分杂质。工艺流程如图2 6 所示： 氯乙烯气体先进入全凝器，用0 c 水间接将其中大部分氯乙烯气体液化，靠位差流 入分离器中除去水，然后进入低沸点塔，全凝器中未凝气体进入尾气冷凝器中，由3 5 盐水间接冷凝为含乙炔的氯乙烯液体作为低沸塔的回流液，而不凝气体减压后捧放或 回收。低沸塔底部的再沸器由转化器循环水进行问接加热。 脱除乙炔等不凝气体后的氯乙烯从低沸塔借压差进入高沸塔。向下流动的液相与塔 底上升的气相在塔板上进行传热与传质，最终在塔顶排出纯氯乙烯气体，经塔顶冷凝器 用o 水将其冷凝下来，部分回流入塔顶，大部分进入纯氯乙烯贮槽。塔釜里的高沸物 要定期排放到贮槽，以便回收其中的氯乙烯，其余高沸物作为溶剂处理。同样，高沸塔 底再沸器也是由转化来的热水提供所需的热量。 大连理工大学硕士学位论文 图2 6 氯乙烯精馏工艺流程图 f 培2 6v i n y lc h l o r i d er e c t i f y i n gp r o c e s sf l o w 2 2 电石法v c g 生产主要控制问题 对于上述的氯乙烯生产流程，各车间的生产任务、生产设备不同，自动控制的内容 也不同，而同时，根据系统工程的观点，各工艺环节之问又是相互联系，相互影响的， 相应的检测与控制也不是孤立的，而是联接成一个有机的整体，作为一个系统来共同运 行。下面分别介绍本系统各生产工序主要的控制任务。 2 2 1 乙炔站 ( 1 ) 发生器温度压力控制：电石水解反应为放热反应，随着电石的加入，反应温度 上升，水解速度加快，同时乙炔在电石渣浆中溶解度下降，较显著地降低电石消耗，但 反应温度过高，电石渣浆含固量大，会造成溢流不畅或排渣困难；反应温度高，粗乙炔 气中水蒸气含量大，会造成后部冷却塔超负荷，堵塞管路或塔板，同时随着温度的升高， 反应器内压力增大，发生器反应温度与反应压力是耦合的。反应温度低，乙炔气在水中 溶解度大，影响电石额升高。通过检测加入反应器中过量水流量来控制发生器温度在 9 0 之间，同时控制压力在3 3 1 5 k p a 之间。 一1 3 氯乙烯生产过程优化控制研究 ( 2 ) 水洗塔液位控制：通过检测加入水洗塔中次氯酸钠流量来控制水洗塔液位在液 面计1 3 2 3 之间。 ( 3 ) 冷却塔液位控制，通过检测加入冷却塔中工业水的流量来控制冷却塔液位在液 面计1 3 2 3 之间。 ( 4 ) 清净塔液位控制；通过检测加入清净塔中次氯酸钠流量来控制清净塔液位在液 面计1 3 2 3 之间。 2 2 2 氯化氢站 ( 1 ) 氢气、氯气压力控制：分别检测进入缓冲罐中氢气与氯气的流量来控制氢气压 力在0 0 6 0 0 9 m p a 之间，氯气压力在0 1 o 2 m p a 之问。 ( 2 ) 氢气氯气配比控制：分别检测进入合成炉前氢气与氯气的流量来实现氢气：氯 气= 1 0 5 1 1 0 ：1 0 0 。 ( 3 ) 氯化氢热水槽液位控制：检测加入氯化氢热水槽中脱盐水的流量来控制其液位 在液面计7 0 9 0 之间。 2 2 3 氯乙烯转化站 ( 1 ) 乙炔、氯化氢配比控制：分别检测进入合成炉前氯化氢与乙炔的流量来实现氯 化氢：乙炔= 1 0 5 1 1 0 ：1 0 0 。 ( 2 ) 混合脱水温度控制：通过检测盐水分配台加入到石墨冷凝器中3 5 盐水的流 量来控制混合脱水温度在1 4 i o c 之间。 ( 3 ) 转化器反应温度控制：此过程具有非线性、时变性、复杂性等特点，对其的温 度控制极为复杂，温度过高，导致触媒中毒失效；温度过低反应不完全，而且过剩的氯 化氢形成强酸腐蚀反应设备。转化过程中，随着反应的进行，反应放出大量的热量，在 不同反应阶段，反应程度不同，反应放出的热量也不同，这时必须根据反应器温度的高 低及变化趋势，通过调节控制热水槽水流量、热水槽水温度、乙炔与氯化氢混合气体流 量和混合气体温度及时有效控制转化器温度以满足转化要求的温度1 3 0 1 8 0 c 之间。 ( 4 ) 2 0 0 ：泡沫水洗塔出口温度控制：检测加入2 # 泡沫水洗塔中工业水的流量来达到 将其出口温度控制在3 0 的目的。 2 2 4 氯乙烯精馏站 ( 1 ) 低沸塔塔顶温度控制：由塔顶冷剂量来控制，即检测加入塔顶0 盐水来控制 塔顶温度在3 3 3 8 之间。同时，塔顶温度受进料量、进料状态及塔釜加热量等扰动 影响。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 低沸塔塔顶压力控制：由尾气放空来控制，使得塔顶压力在0 4 5 0 5 m p a 之 间，这个变量与其他变量之间耦合较小。 ( 3 ) 低沸塔塔釜温度控制：由再沸器加热量来控制，保证塔釜温度在3 8 4 2 c 之 问。该回路最大扰动是进料量和进料状态( 温度、成分) 的变化，其次是低塔液位的波动。 ( 4 ) 低沸塔塔釜液位控制：由低塔到高塔的进料量来控制，使塔釜液位在液面计 1 3 2 3 之间。 ( 5 ) 高沸塔塔顶温度控制：由塔顶冷剂量控制，即检测加入塔顶o c 盐水来控制塔 顶温度在1 5 2 0 c 之间。而高塔液位的波动和表征高塔传质传热效果的精馏段温差波 动以及成品冷凝冷剂量的波动最终会影响塔顶温度。 ( 6 ) 高沸塔塔顶压力控制：由成品冷凝量来控制，保证塔顶压力在0 1 5 0 2 5 m p a 之间。它受塔釜液位、回流量、塔釜加热量等波动的影响。 ( 7 ) 高沸塔塔釜液位控制：由塔釜再沸器的加热量来间接控制( 控制加热量，从而 控制塔釜中蒸汽上升量达到控制液位的目的) ，使得塔釜液位在液面计的1 3 2 3 之间。 但加热量的多少并非仅由液位决定，其影响因素较多，因为高沸塔液位由低沸塔过来的 氯乙烯单体和高塔馏出需排放的高沸物组成，而高沸物大都是定时或定量排放的，在正 常操作时，随着高沸物馏出量的增加，其液位中二者比例不断变化，高沸物浓度不断上 升，塔釜温度也不断上升，当塔釜温度上升到一定值时就要定量排放高沸物，此时塔内 的工作状况可能会有所变化，工况的微小变化都会在表征高塔传热传质效率的精馏段温 差和提馏段温差上反应出来，并对加热量提出要求，特别是提馏段温差影响更大。还有 低塔过来的物料量、塔顶回流量的波动都会影响液位。 2 3 氯乙烯生产各阶段存在问题及解决方案 目前国内生产氯乙烯的公司虽然对其氯乙烯生产装置进行不断的改造，但是，总的 来说这些装置的自动化水平仍然很低，甚至有的环节还停留在手工调节、凭经验操作的 水平。这严重制约了产品经济效益的提高和企业的发展。因此，氯乙烯单体生产过程控 制系统的改造是必要的、迫切的。 针对氯乙烯单体生产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，其总的目的是：提质降耗，提高生产效率，提高系统 的自动化水平。提出方案如下： ( 1 ) 乙炔的生成阶段发生器温度、压力的控制 存在问题 氯乙烯生产过程优化控制研究 该发生器是获得乙炔的生产装置，其原料是电石和水。由于水解反应放出大量的热， 会使发生器的温度不断升高，由于温度的升高，使得发生器内压力增大，甚至由于压力 过大而引发事故。原理上可以调节振荡器电流。减少电石的加入量来控制压力，但考虑 到整个系统的平稳生产，一旦开机后加入的电石量应该是恒定的，故此法不妥。为了保 持发生器压力稳定在一定范围内，一般做法是在后续工段设置了一个气柜，当压力过大 时，乙炔气经正水封进入冷却塔和水洗塔降温及除去电石泥等固体杂质后进入气柜中， 保证安全生产。但与此同时，气柜的存在带来了一极大隐患，它不仅占地面积大，维护 费用高，而且易发生爆炸 解决方案 以冷却塔出口压力为主控变量，乙炔发生器反应温度为副被控变量，建立p f c - p i d 串缓控制系统，达到在保证压力稳定的前提下提高温度，从而提高乙炔生产率，同时又 能取消气柜的目的。 ( 2 ) 氯化氢合成阶段氯气和氢气的配比控制 存在问题 氯气和氢气的配比是整个氯乙烯生产中尤为重要的工艺参数，它不仅关系到氯化氢 的生产和安全，而且直接影响到最终产品氯乙烯的产量和纯度。到目前为止，氯化氢合 成阶段只能实现少量参数的显示，氯气、氢气的输入量完全由工人凭经验靠观察燃烧火 焰的颜色来进行控制，存在很大误差。另外，氢气易燃易爆，氯气为有毒气体，凭经验 控制氯气、氢气的流量无法实现氯气、氢气的最佳配比，存在重大安全隐患。 解决方案 以氯气流量作为主流量，氢气流量作为副流量，设计单闭环比值控制系统，同时由 于早晚气温的变化和四季气候的变化。也会引起流体密度变化，由于工艺条件发生变化。 进合成炉的氢气、氯气成分也会发生相应变化。甚至发生大幅度的波动，氢氯气体流量 也会受到压力的影响，故应对其流量进行温度、压力补偿。氢气、氯气单闭环比值控制 系统p & i 图如图所示： 当氯气流量变化时，由氯气在线成分分析仪a t 将氯气纯度值送主调节器f i c 进行 折百运算补偿，同时，根据压力变送器p t 、温度变送器1 r i 的检测值，对其流量进行温 度、压力补偿，使氯气流量f t 成为真值流量f i c 。氢气流量经过同样处理后，得到氢 气真值流量 大连理工大学硕士学位论文 f 1 r 图2 7 单闭环比值控制系统p i 图 f i g 2 7 t h ep & i p l a no f s i n g l e