生产过程的软测量技术.ppt

1、生产过程的软测量技术,May, 2007 Beijing,先进控制与实时优化系统,第三章,提纲,软测量技术现状与发展 化学反应过程的软测量 重整反应过程的软测量 精馏过程的软测量 软测量的工程实施 总结,软测量技术现状与发展,生产过程重要变量不可实测 实例 产品质量指标（苯纯度、汽油干点、.） 化学反应深度、反应产物的产率、催化剂活性 需要计算不可测变量（液位速率、干扰变量、故障、.） “解决”途径 间接控制 & 实验室化验分析 在线分析仪表 在线计算（软测量、软仪表） 软测量的意义 操作指导、实时控制与优化；提高效益,软测量技术现状与发展,软测量技术的理论根源-推断控制 1970年代Bros

2、illow提出。 基本思想: 采集过程中比较容易测量的辅助变量（Secondary Variable），通过构造推断估计器来估计并克服扰动和测量噪声对过程主导变量（Primary Variable）的影响,软测量技术现状与发展,估计器的设计 根据某种最优准则，选择一组既与主导变量有密切联系，又容易测量的辅助变量，通过构造某种数学关系，实现对主导变量的在线估计。 软测量技术正体现了估计器的特点,软测量技术现状与发展,现有的软测量技术（综述） 基于过程机理模型的方法 物料平衡 能量平衡 动量平衡 相平衡 反应动力学 反应热力学 白箱模型,软测量技术现状与发展,基于机理模型的软测量方法的优缺点 优点

3、： 模型精度高 使用可靠 外延性好 缺点： 计算量大 模型形式 代数方程组 微分方程组,软测量技术现状与发展,现有的软测量技术（综述） 基于非机理模型的方法（经验方法） 基于自适应推理模型方法 基于回归分析方法 基于人工智能的方法 黑箱模型,软测量技术现状与发展,基于自适应推理模型方法 状态估计、参数估计和自适应控制原理用于获得软测量模型。 基于回归分析方法 最小二乘法 主元回归法 部分最小二乘法,软测量技术现状与发展,基于人工智能的方法 人工神经网络 模糊技术 神经模糊技术,软测量技术现状与发展,软测量系统结构图,软测量技术现状与发展,影响软测量性能的因素 辅助变量的选择 灵敏性； 特异性；

4、 过程适用性； 精确性； 鲁棒性,软测量技术现状与发展,影响软测量性能的因素 数据预处理 随机误差的处理 显著误差的处理 数据变换,提纲,软测量技术现状与发展 化学反应过程的软测量 重整反应过程的软测量 芳烃歧化反应过程的软测量 精馏过程的软测量 软测量的工程实施 总结,化学反应过程的软测量,化学反应生产过程的一般问题 影响因素多，部分不可实测，常用反应温度控制 如何控制和优化反应过程 如何衡量反应深度 转化率、选择性、产率、 反应产物组成与物性 依靠化验分析 不能实时控制与优化,化学反应过程的软测量,反应深度的衡量和控制方法 采用反应温度衡量和控制反应深度 化学反应器中，通常以反应温度为主要

5、被控变量，通过控制器自动维持反应温度为给定值，以维持反应深度和相应的生产指标一定 缺点 影响反应深度的因素多，只控制反应温度恒定不能保证反应深度不变 反应温度 原料流量、温度 原料性质 催化剂活性,化学反应过程的软测量,影响反应深度的因素很多 可测：如反应温度、原料流量、温度、压力等 不可实测：如原料组成、催化剂活性等 维持反应温度一定，并不能维持反应深度一定 催化剂活性改变 采用宏观反应热来衡量反应深度 基本原理： 任何化学反应过程都伴随着热效应，化学反应吸收或释放热量的多少可以反映出反应进行的程度,化学反应过程的软测量,宏观反应热 宏观反应热的定义 宏观反应热 = 单位质量反应物在反应过程

6、中 吸收或释放的热量 单位：KJ/kg 中国发明专利：200410048083.8 “连续生产化学反应器的控制方法及系统,化学反应过程的软测量,宏观反应热的计算方法 基于过程机理的动态数学模型 数学表达式 其中：Hr(t):宏观反应热 Grin(t):反应物流量 Qr(t):反应物热量 Qn(t):非反应物热量 Qd(t):积蓄热 Qe(t):其它热量,化学反应过程的软测量,宏观反应热的应用 用于控制和优化 用于产量、产率、转化率、选择性的计算 物性指标的计算 成功应用实例 催化裂化 催化重整,化学反应过程的软测量,宏观反应热的应用 用于控制和实时优化 FCCU反应深度控制与实时优化 重整反应

7、器控制与优化 芳烃歧化反应控制与优化 芳烃异构化反应控制与优化,化学反应过程的软测量,宏观反应热的应用 转化率与选择性的实时计算 芳烃转化率 芳烃歧化反应选择性 芳烃烷基化选择性 反应产物组成与物性 再生催化剂含焦量,提纲,软测量技术现状与发展 化学反应过程的软测量 催化重整反应过程的软测量 芳烃歧化反应过程的软测量 精馏过程的软测量 软测量的工程实施 总结,重整反应系统的软测量,重整反应系统的软测量,重整反应深度的实时衡量 反应温度是衡量反应深度的重要指标 反应温度只是影响反应深度的因素之一 催化剂活性、氢油比、空速、温度 原料性质、流量、预热温度、反应压力等 维持反应温度一定，并不能维持反

8、应深度一定 例：氢油比变化 用宏观反应热衡量反应深度 芳构化反应是一个吸热反应过程 反应热是衡量反应深度的有效变量,重整反应系统的软测量,基于机理动态模型 由反应器热平衡（动态模型）计算 基本假设 由于催化剂循环速度慢，可按固定床计算； 各反应器床层各段的油气和反应产物的比热不变； 以放热反应的宏观反应热为正值； 散热损失可忽略,重整反应系统的软测量,基于机理动态模型 (宏观)反应热,提纲,软测量技术现状与发展 化学反应过程的软测量 催化重整反应过程的软测量 芳烃歧化反应过程的软测量 精馏过程的软测量 软测量的工程实施 总结,芳烃歧化反应过程的软测量,芳烃歧化反应机理,芳烃歧化反应过程的软测量

9、,芳烃歧化宏观反应热的计算方法 数学表达式 其中：Hr(t):宏观反应热 Grin(t):反应物流量 Qr(t):反应物热量 Qn(t):循环氢热量 Qd(t):积蓄热,提纲,软测量技术现状与发展 化学反应过程的软测量 催化重整反应过程的软测量 芳烃歧化反应过程的软测量 精馏过程的软测量 软测量的工程实施 总结,精馏过程的软测量,一般性描述 复杂系分馏塔 原油分割过程（一次加工）中的分馏塔 CDU 常压塔、减压塔 石油馏分加工过程（二次加工）中的分馏塔 FCCU 主分馏塔、焦化分馏塔 二元系【二元或近似二元】精馏塔 苯塔、甲苯塔,精馏过程的软测量,常见工艺流程 常压塔 主分馏塔 二元精馏塔,精

10、馏过程的软测量,CDU 常压塔,精馏过程的软测量,FCCU 主分馏塔,精馏过程的软测量,二元精馏塔,精馏过程的软测量,402塔,精馏过程的软测量,动态机理模型建模出发点 以已有研究为基础 基于机理分析，须合理反映u、y、x等关系 力求工程实用，适合在线计算 适应观测计算需要，尽可能满足可观条件 尽可能通用，适合各种精馏塔,精馏过程的软测量,模型假设 按房室法(Compartmental Method)划分塔段 塔内汽液相流动状态的假设 考虑压力变化的影响 塔内不凝气不参与传质,塔段模型 物料平衡 能量平衡,精馏过程的软测量,其它关系式 压力方程 塔盘水力学方程,精馏过程的软测量,进料口处塔段模

11、型 物料平衡 能量平衡 进料方程 塔底液位模型,精馏过程的软测量,相关设备模型 塔顶分离罐,精馏过程的软测量,精馏过程的软测量,液位速率计算方法 计算关系式： 其中，LevelV：液位速率；k：当前时刻； p：液体密度；A：截面积；R：液位量程； Ts：计算周期；N、L：可调参数,建模中的有关问题 塔段划分的参考原则 塔段划分后变量的处理 塔段压力的处理 纯滞后的考虑 物性参数的计算,精馏过程的软测量,软测量总体考虑 主要观测计算变量 塔内汽液相流量、塔内积蓄量、塔内汽液传质传热量、产率（收率）、产品质量指标等。 总体分析过程 子系统划分 全塔可观性分析 全塔观测计算 产品质量及产率在线计算

12、现场实施分析,精馏过程的软测量,子系统划分 DA402塔,精馏过程的软测量,模型特点 划分子系统 塔顶分离罐、塔底再沸器、塔底液位、若干个塔段 由子系统组成的全塔模型特点 状态关联在结构上是一个分块三对角阵型式，状态关联阵中存在许多零块。 子系统法（可观性分析、观测器设计,精馏过程的软测量,可观性分析结论 全塔可观的条件 相关设备的液位、流量和温度可测； 进出塔段的汽液相温度可测； 塔段馏出或打入的物流流量和温度可测； 塔顶冷回流流量可测； 塔段压力可测。 可观性分析对实际装置的测点分布所提出的要求，具有实际工程意义,精馏过程的软测量,全塔观测计算 子系统观测顺序 塔顶分离罐 塔底液位系统 各

13、塔段（自顶向底、或自底向顶） 相关设备的观测 观测得到的不可测变量作为相应塔段的可测变量 各塔段的观测 采用非线性观测器，基于实际可测变量 观测得到：塔内汽相流量、液相流量、汽液传质量、传热系数、液相积蓄量； 按塔段顺序观测，得到全塔的不可测变量； 进一步作为计算分压、产品质量、产率的基础,精馏过程的软测量,精馏过程的软测量,产品质量指标的在线计算 化验分析是规定条件下的规格指标 在线计算目的: 得到与实际一致的动态变化 计算的主要指标 塔顶产品含量 塔底产品含量 塔顶产品纯度 塔底产品纯度,塔顶组分含量与纯度的计算 影响因素 温度（汽、液相温度） 分压 回流比与内回流比 进料流量与组成 计算

14、关系式,精馏过程的软测量,结论 在线计算方法的可行性和有效性 着重考虑适应进料负荷变化和过程动态 可用做操作指导、实时控制和优化,精馏过程的软测量,提纲,软测量技术现状与发展 化学反应过程的软测量 催化重整反应过程的软测量 芳烃歧化反应过程的软测量 精馏过程的软测量 软测量的工程实施 总结,软测量的工程实施,实施过程 数据收集（过程数据、化验数据） 模型建立 机理模型 非机理模型 在线安装、试运行 考核与调整 长期运行与在线自校正,软测量的工程实施,软测量与系统其它部分的关系,软测量的工程实施,实时计算结果的检验 化验分析对比（如质量指标） 常规化验对比 专人专门化验对比 运行分析与考察（如催化剂循环量） 基于工艺机理分析 注重动态特性分析,软测量的工程实施,实时计算结果的保证 在线校正 随时调整模型参数，缩小计算误差 自动适应原料和生产方案的变化 其可靠性依赖于外界因素 化验分析的可靠性 计算点与采样点的可对比性 实时性 装置或工况重大变化时的 参数调整 模型升级,数据输入区,软测量指标,计算值,化验值,采样日期与时间,输入确认开关,校正开关,软测量的工程实施,软测量的工程实施,软测量的运行维护 相关的过程变量 校表 仪表故障 仪表的准确性 参数调整 零点 有关的模型参数 调整时，使用该软测量结果的