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    （兰州石化公司自动化院，甘肃 兰州 730060）王长明

    （兰州石化公司合成橡胶厂，甘肃 兰州 730060）窦华中
                        
    王长明（1964-）男，江苏海安人，工学硕士，高级工程师，主要研究方向为先进控制与优化技术研究及应用、软测量技术研究与应用、流程工业企业信息化总体架构。

    摘要：本文根据丙烯腈反应器的工艺特点，提出了反应器在DCS系统基础之上的专家控制、GPC控制技术，以及相应的控制策略；论述了装置主要质量参数反应气中的尾氧、丙烯醛含量软测量预测技术；阐述了专家控制、GPC控制、软测量原理。专家控制、GPC、软测量技术在丙烯腈反应器结合应用，取得良好效果，解决了丙烯腈装置生产瓶颈，提高了装置运行平稳率，降低了操作人员的劳动强度，提高了丙烯腈产品收率，收到了良好的经济效益和社会效益。

    关键词：反应器；GPC；软仪表；专家控制；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

    某炼化企业丙烯腈装置采用丙烯、氨、空气为原料，在硫化床反应器中通过催化剂制得丙烯腈，装置分合成、分离、后处理和乙腈四个单元。采用丙烯氨氧化法制丙烯腈反应流程，丙烯、氨、空气按1: 1.05～1.25: 9.5～10.5的比例通过催化剂的作用，在温度420℃～435℃，压力0.055～0.08MPa条件下进行反应，主产物为丙烯腈，副产物为乙腈、氢氰酸等。

    流化床反应器是该装置的心脏，其流程简图见图1。反应器丙烯腈的收率高低直接影响整个装置的经济效益。丙烯氨氧化法制丙烯腈的反应流程为液态丙烯和液态氨经气化、过热、混合，由丙烯-氨分布器进入流化床反应器，压缩空气通过位于丙烯-氨分布器下面的空气分布板进入流化床反应器，在一定的温度和压力下，混合气体以一定的速度通过处于沸腾状的微球形催化剂床层，在催化剂的作用下，反应生成丙烯腈、乙腈及氢氰酸等产物，这些产物进入分离单元进行精制，生产出合格的丙烯腈产品。
                         

    在常规控制下，反应温度主要由反应器撤热水流量控制，由于受到进反应器换热的高压蒸汽压力、温度、流量，反应器压力，以及环境温度等因素的影响，反应温度波动大于1.5℃，工艺希望反应温度控制在0.5℃之内。针对这个生产瓶颈提出了专家控制与预测控制相结合的控制方案，并通过与反应器主要质量参数软测量数据相结合，实现反应器“卡边”控制。

    2 专家控制原理技术

    近年来，智能控制已成为控制界的一大热点，利用人工智能的智能控制领域主要包括专家控制、模糊控制和神经网络。专家控制是人工智能的一个重要分支，已在石化生产过程管理控制中获得许多应用[1]。

    专家控制是一类智能控制算法，将专家控制技术与传统控制理论相结合，实现对复杂、不确定性或病态过程的控制。专家控制器对被控过程或对象进行实时控制，对运算（推理）速度的要求是很高，必须在每个采样周期内都给出控制信号。

      专家控制模型为：U = f  (E, K,I)

    其中，U为控制器的输出作用集，E为控制器的输入集，K为系统的数据项集，I为具体推理机构的输出集。

    依照产生式规则表达形式，是一种智能算子，其基本形式为：

      if E and K then <if then U>

    根据输入信息和系统中的知识进行推理。

    专家控制系统解决控制问题的过程用下图2流程描述，事实上是一种控制信息处理过程，是周期性地进行认识判断行动的过程。专家控制系统首先根据收集的数据认识控制对象所处的状况，根据认识的结果判断应该采取的行动，由此对控制对象实施控制作用。
                    

    本文采用的专家控制的任务是自适应地管理一个受控对象的全部行为，使之满足预定要求，将应用于丙烯腈反应温度控制器。

    3 GPC控制技术

    GPC为一种预测控制，模型预测控制是工业应用最为广泛的一种控制技术。通过模型预测、滚动优化、反馈校正实现高质量的控制，因而在工业上获得了广泛的应用^[2]。

    GPC采用下列具有随机阶跃扰动非平稳噪声的离散插分方程，也即CARIMA模型：

         （1）

    其中：

    y_t 为t时刻的系统输出；

    u_t 为t时刻的控制量；

    , a₀=1 ;（2）

      ; （3）

    是零均值方差有界不相关的随机噪声序列；

    d是系统最小纯时延步数；

      Δ 为差分算子，Δ =1-q^-1；

    q^-1为向后一步平移因子。

    再经过优化计算得t时刻的控制量为：

     （4）

    （1）至（4）式中， ，G₂、H为计算过程中间变量，NU为预测长度， λ 控制量权重因子。

    在GPC控制应用过程中，利用（4）式建立数学模型，通过收集装置运行数据，利用最小二乘法，确定GPC控制数学模型中的未知系数。

    4 丙烯腈装置反应温度先进控制

    4.1 控制策略

    针对反应器控制情况和用户需求，对反应温度采用专家控制与GPC控制相结合的控制策略，实现丙烯腈反应器平稳运行。

    4.2 控制方案

    根据控制策略，在先进控制模型中选取反应温度作为被控变量，以 CV表示；选取丙烯进料量设定值、氨进料量设定值、空气的进料量为操作变量，分别以MV₁、MV₂、MV₃表示；选择反应器压力为干扰变量，以 DV表示。

    反应温度采用设定点控制，利用GPC控制模型预测输出MV1控制输出值，输出值与下面的专家控制相结合，得到最后的控制输出。

    根据操作人员和工艺人员的经验，对操作变量丙烯进料量设定值输出提出以下控制策略：

    IF  ≤t₁ THEN MV1 的变化量 ≤ A₁ ；

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

    |反应温度实时数据-先控目标值|；

    其中t_i、A_i分别是根据专家经验将反应温度与先控目标值之差划分不同的h个范围值，并确定相对应MV₁ 的限幅值。

    MV₂、MV₃的输出值根据工艺确定的氨丙比、空丙比、MV₁的值获得。

    4.3 应用效果

    反应温度先进控制器投运后运行良好，如图3所示。通过先进控制投运，确保反应温度及时的响应目标值的变化，同时也没有产生超调，很好的将温度控制在目标值较小的波动范围内，控制效果十分明显，提高了装置运行的平稳率。 

                

    5 软测量技术

    5.1 软测量实施思想

    软测量的基本思想是把自动控制理论与生产工艺过程知识有机结合起来，应用计算机技术，对于一些难于测量或暂时不能测量的重要变量，选择另外一些容易测量的变量，通过构成某种数学关系来推断和估计，以软件来代替硬件（传感器）功能。这类方法具有响应迅速，连续给出主导变量信息，且具有投资低、维护保养简单等优点。

    根据丙烯腈反应器的特点，以及操作控制需求，选取反应气中的尾氧和丙烯醛含量进行实时预测，丙烯腈反应气中的尾氧和丙烯醛含量与反应器反应温度、压力、氨烯比、空烯比等反应条件相关联。反应气中的尾氧和丙烯醛含量进行实时预测，为装置正常运行提供帮助。

    5.2 软测量模型

    （1）反应气尾氧含量软测量模型

    尾氧含量是丙烯腈反应气中一个重要的质量控制指标，采用PLS(Partial Least Squares) 建立尾氧含量软测量数学型，实施过程如图4所示。 

                             

    确的辅助变量选择使软仪表建立在准确的输入、输出采集数据基础之上，实现质量数据的准确预测。在计算尾氧含量模型中，开始选择了10个辅助变量，通过对该塔工艺机理及主元分析，确定PLS模型中的辅助变量为反应温度、丙烯进料、氨丙比、空丙比、反应器压力5个辅助变量，分别记为x1、x2、x3、x4及x5，尾氧含量y计算公式为：
           
               
 
    式中的x₁、x₂、x₃、x₄及x₅分别根据相应参数的量程范围进行了归一化处理。

      尾氧含量软测量模型预测精度高，如图5所示。尾氧含量软测量预测值与化验值变化趋势一致。尾氧含量反映空烯比的控制情况，尾氧含量高，反应器中的催化剂容易被还原而失去活性。尾氧含量软测量预测值实时指导装置操作，与反应温度先进控制相结合，实际应用中发挥了较好的作用。 

    （2）反应气丙烯醛含量软测量模型

    丙烯醛含量是丙烯腈反应气中一个十分重要的质量控制指标，采用PLS建立丙烯醛含量软测量模型。

    在丙烯醛含量计算模型中的辅助变量为反应温度、反应器压力、氨丙比、空丙比4个辅助变量，分别记为x₁、x₂、x₃、x₄ 尾丙烯醛含量 y 计算公式。
  
              

      丙烯醛含量软测量模型预测精度高，如图6所示，图6为2010年5月1日-5日丙烯醛含量的化验值和模型计算值对比图。丙烯醛含量软测量预测值与化验值变化趋势一致。丙烯醛含量反映氨烯比的控制情况，氨烯比过低，丙烯腈收率降低，丙烯醛生成量增加，造成精制工段的困难；氨烯比过高，会增加氨耗，同时增加中和过量氨所用硫酸的用量。尾氧含量软测量预测值实时指导装置操作，与反应温度先进控制相结合，实际应用中发挥了较好的作用。 

    6 结论

    专家控制、预测控制、软测量技术在丙烯腈反应器上取得成功应用。通过这三种技术的结合应用，实现了“卡边控制”，提高了产品质量，增加了主要产品的产量，节能降耗，延长催化剂使用寿命。

    参考文献：

    [1] 韩志刚.先进控制技术在石化行业中的应用问题分析[J]. 中外能源, 2007.12.98～101.

    [2] 孙德敏等. 工业过程先进控制及优化软件产业[J], 自动化博览, 2003,9,5～13.

    摘自《自动化博览》2010年第十二期