一種連續生產過程的實時優化器的製作方法

2023-08-09 05:39:46 1

專利名稱：一種連續生產過程的實時優化器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種使生產過程隨時運行在優化狀態下的連續生產過程的實時優化
O
背景技術：
許多對連續生產過程，其最優運行狀況和優化目標值的大小(下面均以目標值最 高為最優狀況)都受不可實測變量的影響而經常變化，在不少情況下優化目標值也不可實 測，如何使生產過程隨時運行在最優狀況，是實時優化要解決的問題。為解決實時優化問題，對許多連續生產過程，大多採用基於生產過程穩態數學模 型的方法例如石油化工生產過程中常見的化學反應過程，在運行時，原料組成(不可實 測)常有變化，操作條件和運行環境(其中有些變量是不可實測的)也常有變化；優化目 標，如反應的轉化率和產率，或選擇性和反應物組成，也常常是不可實測的。為使反應器運 行在最優狀況(最優反應深度)下，常用的方法是根據化驗分析得到的原料組成和催化劑 活性，生產過程處於穩態時的實測過程變量，用穩態數學模型計算出使目標最優的操作條 件，對反應過程進行調整，最常見的調優變量是反應溫度，即調整反應溫度以達到最優。每 次調優後要等待生產過程運行平穩後，再次根據生產過程的實測變量和模型進行調優，兩 次調優間隔(調優周期)一般在兩小時以上。以上方法不足之處是一是實時性差，不能在 生產過程有變化時迅速調整到優化狀況下運行。二是不能適應生產過程實際運行的動態變 化，所依據的實測過程變量總是有偏差的，加上模型的精度有限，使計算所得優化條件與實 際不能吻合，因此，還很少見到依據這種方法的有效實例。另一種優化方法是不用模型，只根據調優變量的變化和優化目標的變化決定下次 如何調優，其調優邏輯是當目標值增高與調優增量變化方向相同時，繼續增高調優變量。 每隔一定時間(周期)調優一次，使生產過程逐步逼近最優運行狀況，簡稱為自尋最優方 法.這種方法的優點是簡單易行，避免了模型不準確的影響；由於依據目標和調優變量的 相對變化，也不要求實測值絕對準確；其主要不足之處是一是對目標值和調優變量的變 化方向判斷，若不適應生產過程動態特性，可能引起誤判。二是在最優運行狀況附近，可能 每次調優方向都在變化，形成調優變量的振蕩，使生產過程不能平穩運行。三是當目標值或 與目標值相關的變量無實測信息時，如上述化學反應器的轉化率與選擇性，與上述用模型 計算的方法相比，就無法實施優化。在實際實施生產過程優化時，還需要有一個好的調優手段，既能迅速準確的調整 調優變量，又能在各種幹擾下維持最優運行狀況。生產過程的故障檢測與處理，各種約束的 檢測與處理也是必須的。

發明內容
本發明的目的是給出一個適應生產過程運行動態特性和實際情況，切實有效的實 時優化器。
本發明所述的連續生產過程的實時優化器，其主要特徵是優化目標的實時計算當優化目標不可實測時，根據可測過程變量和動態數學模 型，在線實時計算得到。尋優的「暫停」與「自起動」:當尋優使生產過程優化後，或生產過程狀況不允許時， 即暫停尋優，避免在優化點附近的振蕩，防止出現非正常運行狀況，保持在優化狀況下平穩 運行。
當生產過程及其環境發生變化需要調優時，自動起動尋優，隨時使生產過程處於 優化狀況。「動態補償」根據生產和尋優過程的動態特性，對尋優周期內優化目標值實施動 態補償，可在生產過程動態變化時尋優，避免尋優的誤判，縮短尋優周期，加速尋優進程。約束預報與處理基於動態數學模型對變量受約束進行預報，當預報受約束(達 上下限)時，只允許朝脫離約束的方向調優，使尋優在安全可靠的條件下運行。數據處理與故障診斷對含有噪聲的過程變量和優化目標值進行處理和故障診 斷，使尋優在可靠的基礎上進行。智能尋優在判斷調優變量與優化目標的變化方向是否相同的基本尋優邏輯基礎 上，增加判斷的智能性，及時」暫停」或」自起動」，縮短尋優過程，確保尋優安全。基於動態模型的模型預估協調控制系統作為調優手段給出迅速響應，又能平穩 維持優化狀況的調優手段。本發明所述的連續生產過程的實時優化器由生產過程監測器1，優化目標實時計 算器2，智能尋優控制器3，調優控制器4，運行操作監視與設定器5五部分組成。實時優化 器通過已有的數據輸入輸出接口 6實時地取得生產過程7的運行數據，並將調優作用送給 生產過程7進行調優，形成實時優化系統。1.生產過程監測器主要有以下功能1-1.數據處理與故障診斷大部分可利用已有技術。本專利的一個特徵是基於動 態數學模型計算結果和實測變量之差，實時判斷運行工況和實測信息是否正常。1-2.約束預報根據動態模型對變量未來變化進行預估，實現變量是否受約束 (達上下限)的預報，預報超限時即停止超限方向的調優。對變量的預估有以下有「簡化」 和「完整」兩種方式簡化方式Y(t+p/t) = Y (t) +A [Y (t) -Y (t-1) ] (1)t =當前時刻，ρ =預估時域，A =可設置的預報係數Y (t+p/t)=當前時刻對未來t+p時刻的變量預估值Y(t)，Y(t_l)=當前時刻和前一時刻變量的實測值完整方式基於離散時間狀態空間模型，模型X(k+l)= F[X(k-Tx)，U(k-Tu)] (2A)Y(k) = G[X(k)，U(k)](2B)Y=需要預估未來的變量 X=狀態變量 U=輸入變量k = t/Td=離散時間周期數t=時間Td=離散時間周期τ χ =狀態變量之間互相影響的滯後時間相應的離散時間周期數τ υ =輸入變量對狀態變量影響的滯後時間的離散時間周期數
經在線實時修正的預報Yc (k+p/k) = Y (k+p/k) + [Y (k) -Y (k/k-p) ] (3)Yc (k+p/k)=修正後的[在未來(k+p)Td時刻]預報值ρ為設定的預報時間所相應的離散時間周期數Y(k+p/k)=由模型計算的未來(k+p)Td時刻的預估值Y(k/k-p)=由模型計算的當前時刻(kTd)的預估值Y (k)=當前時刻k的實測值，Y (k)-Y (k/k-p)=在線實時(對模型預估的)修正值。以修正後的預報值Yc(k+p/k)判斷變量是否超限。1-3.工況變化檢測在生產過程運行正常，無變量受約束，無故障的情況下，由於 不可實測變量的變化，使生產過程運行偏離優化狀況時，本專利實時檢測這種工況變化，為 尋優的自起動提供信息。本發明提供的工況變化檢測內容包括①比較基於狀態空間模型[式(2A) (2B)] 計算的各變量與實際運行時各變量實測值的大小與方向是否有明顯變化。②基於動態數學 模型在線實時計算的工藝參數有明顯變化，如傳質與傳熱係數，組分濃度，等。③優化目標 值有明顯變化。④運行工況有明顯變化，如自動控制器或人為的操作變量有明顯變化，生產 方案變化，原料組成與流量變化，變量約束狀況變化，生產設備變化，等等。2.優化目標實時計算器對於不可實測的優化目標，本發明依據生產過程機理， 實測變量，動態模型[式(2A) (2B)]和存在的時間滯後，在線實時計算給出不可實測的優 化目標，例如化學反應器的轉化率或反應產物中的產品分布為優化目標時，可由其下遊產 品分離設備分離出來的各產品的實測流量和分離設備的動態數學模型計算分離設備入口 (即反應器出口)各產品的流量，從而計算得到相應的優化目標。計算時，對實測變量和計 算結果都要進行恰當的濾波處理，以抑制噪聲。優化目標實時計算器的另一個特點是當用於計算的任一個實測變量有故障或非 正常時，都給出故障信息，使尋優暫停。3.智能尋優器實現尋優的暫停與自起動，對每次調優後目標值的變化量進行動 態補償，在滿足一定條件或工況不允許時停止調優，是智能尋優器的主要功能。智能尋優器的一個特點是「自起動」尋優在無約束和具備足夠時間長度的尋優數 據後，操作員給出調優命令，或工況判斷需要調優，或約束解除，或設定的(上次調優後的) 調優暫停時間已到，尋優器將自動起動尋優，即根據調優變量和優化目標的變化方向，確定 調優變量的調整方向和大小，進行調優。第一次調優時，若調優變量或優化目標無變化，可 根據設定的條件和當前工況確定調優方向。每次調優後，經設定的調優周期時間後，開始第 二次及以後各次調優。智能尋優器的第二個特點是對每個調優周期內優化目標值的變化具有動態補償，這是因為生產過程和數據處理的動態特性會出現以下現象每次調優前，若優化目標正在 下降，即使調優作用使目標上，調優後表現出來的可能是目標值還在下降，只是下降的速度 變慢，在一個尋優周期結束時，優化目標值可能並未上升，如果認為優化目標沒有上升，將 導致方向錯誤的調優。動態補償的作用就是防止錯誤的調優，從而縮短調優進程。動態補 償利用動態模型[可選用(1)式或(3)式給出的方法]，計算在調優量不變時，在一個調優周期內第1，2，直到第N個計算時刻優化目標的變化，稱為優化目標的零響應。用調優後實 際表現出來的優化目標值與零響應之差，作為判斷調優方向的依據。智能尋優器的第三個特點是及時停止調優可設置多種暫停標準，使調優進程停 止，如朝一個方向連續調優次數達到設定值，兩次調優方向相反，調優後優化目標無明顯 變化，調優受到約束，所用實測信息或在線實時計算有故障，生產過程出現非正常狀況，不 具備足夠長度的判斷調優數據，等等，4.調優控制器智能優化器給出的調優作用通過調優控制器對生產過程實施調 優。採用基於動態數學模型的模型預估協調控制器作為調優控制器。推薦採用中國專利 99105546. 2和200710118864. 3給出的基於模型的控制器，對於化學反應器的優化，推薦採 用中國專利200410048083. 8給出的以宏觀反應熱為被控變量的自動控制系統，作為調優 控制器。5.運行操作，監視與設定器對實時優化器的操作只有一個運行開關。可監視調 優的運行狀況，對實時優化器的功能和運行參數進行在線調整。


圖1是本發明給出的實時優化器的組成框圖。
具體實施例方式實施例1 鑽井過程的實時優化優化目標是鑽進速度最高。一般來說，鑽壓越高，機械鑽速越高，但鑽頭的磨損速 度也高，因此，存在一個最優的鑽壓。機械鑽速是可實時測量的，但可能的機械鑽速取決於 所鑽巖層的性質，鑽頭的磨損程度，鑽井液的流速和性質，等等，這些影響鑽進速度的因素 都沒有實時測量信息，且隨時會發生變化，需要進行實時尋優。調優變量是鑽壓自動控制系統中鑽壓的給定值。調優過程中需考慮各種約束，故障和非正常工況。主要的約束有鑽壓的上下限，鑽 機扭矩上下限，鑽壓控制系統的約束等。除儀表和設備的故障外，檢測鑽進過程中出現跳鑽 和其它非正常工況時，及時停止調優。尋優也可按設定的尋優邏輯自行暫停。尋優自起動的判斷和條件是在鑽壓自動控制系統正常運行的情況下，若機械鑽 速，鑽機扭矩，鑽井液流量和性質有明顯變化，故障或非正常工況解除，且具有正常運行狀 況下兩個尋優周期長度的數據，或設定的暫停尋優時間已到，或鑽壓自動控制系統投入自 動控制後，在尋優得到生產管理工程師允許的條件下，尋優將自起動。實施例2 催化裂化反應過程的實時優化催化裂化反應是將較重的石油裂化生成石油氣，液態烴，汽油，柴油等輕質石油餾 分的生產過程。其優化目標是以上各反應產物產率和原料中摻渣比的加權和。由於反應產物中各產品的產率不能實時測量得到，各產率的大小因原料油的組成 不同而變化，原料油的組成也是不能實時測量得到的。為此，採用本發明提供的優化目標實 時計算器，根據將反應產物分離為各產品的分餾塔餾出的各產品流量的實測值和其他實測 變量，基於動態數學模型，考慮物料和熱量在分餾塔和容器內的積蓄量變化，考慮溫度，內 回流，油氣分壓，油氣線速等(除溫度外都是不可實測的，也需要由動態模型實時計算)對產品分離的影響，考慮反應器出口到餾出產品實測流量間的時間滯後，最終計算出標準分 離狀況下反應器出口各反應產物的產率。同時，基於再生器的動態數學模型和實測變量，計 算出再生器的燒焦量，計及時間滯後，給出反應器的產焦率。採用中國專利200410048083. 8給出的以宏觀反應熱為被控變量的自動控制系 統，作為調優控制器。採用中國專利99105546. 2或200710118864. 3給出的基於模型的控 制器，實施宏觀反應熱和反應溫度的浮動區域協調控制，保持反應熱為優化值，也保持反應 溫度在給定的上下限內。調優過程的主要約束有宏觀反應熱和反應溫度的浮動區域協調控制中有關變量 的約束，再生器與主風機的約束，富氣壓縮機的約束，分餾塔的約束，等等。自起動尋優的工況檢測主要有在宏觀反應熱基本不變的情況下，反應產物產率 有明顯變化，調優控制器輸出有明顯變化，分餾塔和再生器運行狀況有明顯變化，約束或故 障(包括優化目標實時計算器的故障)解除後有足夠長度的尋優數據。實施例3 催化重整反應過程的實時優化這裡以生產芳烴為主的催化重整反應為例，其優化目標是芳烴產率最高。但芳烴 產率不能實時測量得到，本發明中的優化目標時時計算器，根據重整反應的機理和特點，利 用動態數學模型和實測變量給出解決這一問題的方法，有以下三個途徑(1)用反應熱和動態數學模型計算重整反應器中主要有生成芳烴的吸熱反應和 裂化成戊烷或更輕組分的放熱反應。可由反應器下遊脫戊烷塔分離出來的戊烷和更輕組分 的實測流量，利用分餾塔和相關容器的動態數學模型計算得到反應器出口的戊烷和更輕組 分的流量，進而得到裂化反應放出的熱量。由反應器的動態數學模型和實測變量可計算得 到反應過程的宏管反應熱(表現為吸熱反應)。由宏觀反應熱與裂化反應熱之和可計算得 到芳烴產率。(2)用反應產生的氫產率和動態數學模型計算原料生成芳烴的反應是附產氫氣 的反應，裂化反應是消耗氫氣的反應。利用下遊脫戊烷塔動態數學模型計算得到戊烷產率 和相應的耗氫量，即可由實測氫氣產率(加上動態修正)計算芳烴反應產生的氫氣量，根據 化學計量係數，計算得到芳烴產率。(3)由下遊抽提塔將芳烴和非芳烴分離後，利用動態書學模型進行動態補償，計算 得到芳烴產率。以上三種方法都根據實際情況考慮時間滯後。以上三種計算結果未必十分準確，但只要反應相對變化就可滿足尋優的要求。可 用三者的加權和作為優化目標變化的判斷依據。若其中某種算法有故障或因實際條件所限 不能計算，可將該算法的加權係數設為零。採用中國專利200410048083. 8給出的以宏觀反應熱為被控變量的自動控制系 統，作為調優控制器。採用中國專利99105546. 2或200710118864. 3給出的基於模型的控 制器，實施宏觀反應熱和反應溫度的浮動區域協調控制，保持反應熱為優化值，也保持反應 溫度在給定的上下限內。通常催化重整反應是由四個串聯反應器構成的，第四個反應器中裂化反應所佔比 重最高。在計算產率和優化目標時，由動態數學模型計算每個反應器的宏觀反應熱和總反 應熱。在實施調優時，智能尋優器以前三個反應器宏觀反應熱給定值為調優變量。
實施例4 裂解爐的實時優化裂解爐是以輕或重石油餾分為原料，以乙烯和丙烯為主要產品的生產裝置。由於 石油餾分的複雜性，在高溫裂解的過程中，還會生成氫氣和其它烴類產品。隨著裂解反應深 度(主要取決與裂解溫度和停留時間)的增高，乙烯和丙烯的產率達到最高值後將會下降， 氫氣和甲烷的產率則不斷增高。裂解產生的焦碳，使爐管內和急冷器結焦到一定程度需停 產清焦，也是影響效益的重要因素。各產品產率的大小及其隨裂解深度的變化情況與原料 性質和操作條件有關，需要一個實時優化器隨時將裂解爐保持在優化狀況下運行。裂解爐優化目標可選用以下兩種之一(1)優化目標 1 = C2+w2C3-wsSmc2=乙烯產率c3=丙烯產率w3 >0，為加權係數
申護產寶S =,是裂解深度的一種表達式
丙烯產率m彡1，為設定參數 ws > 0，為加權係數，-wss是對結焦的罰函數
⑵優化目標
權利要求
一種連續生產過程的實時優化器，其特徵在於由生產過程監測器(1)，優化目標實時計算器(2)，智能尋優控制器(3)，調優控制器(4)，運行操作監視與設定器(5)五部分組成，實時優化器通過已有的數據輸入輸出接口(6)實時地取得生產過程(7)的運行數據，並將調優作用送給生產過程(7)進行調優；(1)生產過程監測器具有以下功能1).數據處理與故障診斷基於動態數學模型計算結果和實測變量之差，實時判斷運行工況和實測信息是否正常；2).約束預報根據動態模型對變量未來變化進行預估，實現變量達上下限的預報，預報超限時即停止超限方向的調優，對變量的預估有以下有「簡化」和「完整」兩種方式簡化方式Y(t+p/t)＝Y(t)+A[Y(t) Y(t 1)](1)t＝當前時刻，p＝預估時域，A＝可設置的預報係數Y(t+p/t)＝當前時刻對未來t+p時刻的變量預估值Y(t)，Y(t 1)＝當前時刻和前一時刻變量的實測值完整方式基於離散時間狀態空間模型，模型X(k+1)＝F[X(k τX)，U(k τU)](2A)Y(k)＝G[X(k)，U(k)](2B)Y＝需要預估未來的變量X＝狀態變量U＝輸入變量k＝t/Td＝離散時間周期數 t＝時間 Td＝離散時間周期τX＝狀態變量之間互相影響的滯後時間相應的離散時間周期數τU＝輸入變量對狀態變量影響的滯後時間的離散時間周期數經在線實時修正的預報YC(k+p/k)＝Y(k+p/k)+[Y(k) Y(k/k p)](3)YC(k+p/k)＝修正後的[在未來(k+p)Td時刻]預報值p為設定的預報時間所相應的離散時間周期數Y(k+p/k)＝由模型計算的未來(k+p)Td時刻的預估值Y(k/k p)＝由模型計算的當前時刻(kTd)的預估值Y(k)＝當前時刻k的實測值，Y(k) Y(k/k p)＝在線實時(對模型預估的)修正值。以修正後的預報值YC(k+p/k)判斷變量是否超限；3).工況變化檢測在生產過程運行正常，無變量受約束，無故障的情況下，由於不可實測變量的變化，使生產過程運行偏離優化狀況時，為尋優的自起動提供信息；工況變化檢測內容包括①比較基於狀態空間模型[式(2A)(2B)]計算的各變量與實際運行時各變量實測值的大小與方向是否有明顯變化；②基於動態數學模型在線實時計算的工藝參數有明顯變化，如傳質與傳熱係數，組分濃度；③優化目標值有明顯變化；④運行工況有明顯變化，包括自動控制器或人為的操作變量有明顯變化，生產方案變化，原料組成與流量變化，變量約束狀況變化，生產設備變化；(2).優化目標實時計算器對於不可實測的優化目標，依據生產過程機理，實測變量，動態模型[式(2A)(2B)]和存在的時間滯後，在線實時計算給出不可實測的優化目標，包括化學反應器的轉化率或反應產物中的產品分布為優化目標時，可由其下遊產品分離設備分離出來的各產品的實測流量和分離設備的動態數學模型計算分離設備入口各產品的流量，從而計算得到相應的優化目標，計算時，對實測變量和計算結果都要進行濾波處理，以抑制噪聲；當用於計算的任一個實測變量有故障或非正常時，給出故障信息，使尋優暫停；(3).智能尋優器實現尋優的暫停與自起動，對每次調優後目標值的變化量進行動態補償，在滿足一定條件或工況不允許時停止調優；1)智能尋優器「自起動」尋優在無約束和具備足夠時間長度的尋優數據後，操作員給出調優命令，或工況判斷需要調優，或約束解除，或設定的上次調優後的調優暫停時間已到，尋優器將自動起動尋優，根據調優變量和優化目標的變化方向，確定調優變量的調整方向和大小，進行調優；第一次調優時，若調優變量或優化目標無變化，根據設定的條件和當前工況確定調優方向；每次調優後，經設定的調優周期時間後，開始第二次及以後各次調優；2)智能尋優器對每個調優周期內優化目標值的變化具有動態補償，防止錯誤的調優，縮短調優進程；動態補償利用動態模型[可選用(1)式或(3)式給出的方法]，計算在調優量不變時，在一個調優周期內第1，2，直到第N個計算時刻優化目標的變化，稱為優化目標的零響應；用調優後實際表現出來的優化目標值與零響應之差，作為判斷調優方向的依據；3)及時停止調優可設置多種暫停標準，使調優進程停止，包括朝一個方向連續調優次數達到設定值，兩次調優方向相反，調優後優化目標無明顯變化，調優受到約束，所用實測信息或在線實時計算有故障，生產過程出現非正常狀況，不具備足夠長度的判斷調優數據；(4).調優控制器智能優化器給出的調優作用通過調優控制器對生產過程實施調優。(5).運行操作，監視與設定器對實時優化器的操作只有一個運行開關；監視調優的運行狀況，對實時優化器的功能和運行參數進行在線調整。
全文摘要
本發明涉及一種連續生產過程的實時優化器；由生產過程監測器(1)，優化目標實時計算器(2)，智能尋優控制器(3)，調優控制器(4)，運行操作監視與設定器(5)五部分組成，實時優化器通過已有的數據輸入輸出接口(6)實時地取得生產過程(7)的運行數據，並將調優作用送給生產過程(7)進行調優；在實際實施生產過程優化時，本調優手段，既能迅速準確的調整調優變量，又能在各種幹擾下維持最優運行狀況，生產過程的故障檢測與處理，各種約束的檢測與處理。
文檔編號G05B13/04GK101957597SQ20101028950
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月21日 優先權日2010年9月21日
發明者於佐軍, 袁璞 申請人:袁璞