专利名称：一种连续生产过程的实时优化器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使生产过程随时运行在优化状态下的连续生产过程的实时优化
O
背景技术：
许多对连续生产过程，其最优运行状况和优化目标值的大小(下面均以目标值最 高为最优状况)都受不可实测变量的影响而经常变化，在不少情况下优化目标值也不可实 测，如何使生产过程随时运行在最优状况，是实时优化要解决的问题。为解决实时优化问题，对许多连续生产过程，大多采用基于生产过程稳态数学模 型的方法例如石油化工生产过程中常见的化学反应过程，在运行时，原料组成(不可实 测)常有变化，操作条件和运行环境(其中有些变量是不可实测的)也常有变化；优化目 标，如反应的转化率和产率，或选择性和反应物组成，也常常是不可实测的。为使反应器运 行在最优状况(最优反应深度)下，常用的方法是根据化验分析得到的原料组成和催化剂 活性，生产过程处于稳态时的实测过程变量，用稳态数学模型计算出使目标最优的操作条 件，对反应过程进行调整，最常见的调优变量是反应温度，即调整反应温度以达到最优。每 次调优后要等待生产过程运行平稳后，再次根据生产过程的实测变量和模型进行调优，两 次调优间隔(调优周期)一般在两小时以上。以上方法不足之处是一是实时性差，不能在 生产过程有变化时迅速调整到优化状况下运行。二是不能适应生产过程实际运行的动态变 化，所依据的实测过程变量总是有偏差的，加上模型的精度有限，使计算所得优化条件与实 际不能吻合，因此，还很少见到依据这种方法的有效实例。另一种优化方法是不用模型，只根据调优变量的变化和优化目标的变化决定下次 如何调优，其调优逻辑是当目标值增高与调优增量变化方向相同时，继续增高调优变量。 每隔一定时间(周期)调优一次，使生产过程逐步逼近最优运行状况，简称为自寻最优方 法.这种方法的优点是简单易行，避免了模型不准确的影响；由于依据目标和调优变量的 相对变化，也不要求实测值绝对准确；其主要不足之处是一是对目标值和调优变量的变 化方向判断，若不适应生产过程动态特性，可能引起误判。二是在最优运行状况附近，可能 每次调优方向都在变化，形成调优变量的振荡，使生产过程不能平稳运行。三是当目标值或 与目标值相关的变量无实测信息时，如上述化学反应器的转化率与选择性，与上述用模型 计算的方法相比，就无法实施优化。在实际实施生产过程优化时，还需要有一个好的调优手段，既能迅速准确的调整 调优变量，又能在各种干扰下维持最优运行状况。生产过程的故障检测与处理，各种约束的 检测与处理也是必须的。
发明内容
本发明的目的是给出一个适应生产过程运行动态特性和实际情况，切实有效的实 时优化器。
本发明所述的连续生产过程的实时优化器，其主要特征是优化目标的实时计算当优化目标不可实测时，根据可测过程变量和动态数学模 型，在线实时计算得到。寻优的“暂停”与“自起动”:当寻优使生产过程优化后，或生产过程状况不允许时， 即暂停寻优，避免在优化点附近的振荡，防止出现非正常运行状况，保持在优化状况下平稳 运行。
当生产过程及其环境发生变化需要调优时，自动起动寻优，随时使生产过程处于 优化状况。“动态补偿”根据生产和寻优过程的动态特性，对寻优周期内优化目标值实施动 态补偿，可在生产过程动态变化时寻优，避免寻优的误判，缩短寻优周期，加速寻优进程。约束预报与处理基于动态数学模型对变量受约束进行预报，当预报受约束(达 上下限)时，只允许朝脱离约束的方向调优，使寻优在安全可靠的条件下运行。数据处理与故障诊断对含有噪声的过程变量和优化目标值进行处理和故障诊 断，使寻优在可靠的基础上进行。智能寻优在判断调优变量与优化目标的变化方向是否相同的基本寻优逻辑基础 上，增加判断的智能性，及时”暂停”或”自起动”，缩短寻优过程，确保寻优安全。基于动态模型的模型预估协调控制系统作为调优手段给出迅速响应，又能平稳 维持优化状况的调优手段。本发明所述的连续生产过程的实时优化器由生产过程监测器1，优化目标实时计 算器2，智能寻优控制器3，调优控制器4，运行操作监视与设定器5五部分组成。实时优化 器通过已有的数据输入输出接口 6实时地取得生产过程7的运行数据，并将调优作用送给 生产过程7进行调优，形成实时优化系统。1.生产过程监测器主要有以下功能1-1.数据处理与故障诊断大部分可利用已有技术。本专利的一个特征是基于动 态数学模型计算结果和实测变量之差，实时判断运行工况和实测信息是否正常。1-2.约束预报根据动态模型对变量未来变化进行预估，实现变量是否受约束 (达上下限)的预报，预报超限时即停止超限方向的调优。对变量的预估有以下有“简化” 和“完整”两种方式简化方式Y(t+p/t) = Y (t) +A [Y (t) -Y (t-1) ] (1)t =当前时刻，ρ =预估时域，A =可设置的预报系数Y (t+p/t)=当前时刻对未来t+p时刻的变量预估值Y(t)，Y(t_l)=当前时刻和前一时刻变量的实测值完整方式基于离散时间状态空间模型，模型X(k+l)= F[X(k-Tx)，U(k-Tu)] (2A)Y(k) = G[X(k)，U(k)](2B)Y=需要预估未来的变量 X=状态变量 U=输入变量k = t/Td=离散时间周期数t=时间Td=离散时间周期τ χ =状态变量之间互相影响的滞后时间相应的离散时间周期数τ υ =输入变量对状态变量影响的滞后时间的离散时间周期数
经在线实时修正的预报Yc (k+p/k) = Y (k+p/k) + [Y (k) -Y (k/k-p) ] (3)Yc (k+p/k)=修正后的[在未来(k+p)Td时刻]预报值ρ为设定的预报时间所相应的离散时间周期数Y(k+p/k)=由模型计算的未来(k+p)Td时刻的预估值Y(k/k-p)=由模型计算的当前时刻(kTd)的预估值Y (k)=当前时刻k的实测值，Y (k)-Y (k/k-p)=在线实时(对模型预估的)修正值。以修正后的预报值Yc(k+p/k)判断变量是否超限。1-3.工况变化检测在生产过程运行正常，无变量受约束，无故障的情况下，由于 不可实测变量的变化，使生产过程运行偏离优化状况时，本专利实时检测这种工况变化，为 寻优的自起动提供信息。本发明提供的工况变化检测内容包括①比较基于状态空间模型[式(2A) (2B)] 计算的各变量与实际运行时各变量实测值的大小与方向是否有明显变化。②基于动态数学 模型在线实时计算的工艺参数有明显变化，如传质与传热系数，组分浓度，等。③优化目标 值有明显变化。④运行工况有明显变化，如自动控制器或人为的操作变量有明显变化，生产 方案变化，原料组成与流量变化，变量约束状况变化，生产设备变化，等等。2.优化目标实时计算器对于不可实测的优化目标，本发明依据生产过程机理， 实测变量，动态模型[式(2A) (2B)]和存在的时间滞后，在线实时计算给出不可实测的优 化目标，例如化学反应器的转化率或反应产物中的产品分布为优化目标时，可由其下游产 品分离设备分离出来的各产品的实测流量和分离设备的动态数学模型计算分离设备入口 (即反应器出口)各产品的流量，从而计算得到相应的优化目标。计算时，对实测变量和计 算结果都要进行恰当的滤波处理，以抑制噪声。优化目标实时计算器的另一个特点是当用于计算的任一个实测变量有故障或非 正常时，都给出故障信息，使寻优暂停。3.智能寻优器实现寻优的暂停与自起动，对每次调优后目标值的变化量进行动 态补偿，在满足一定条件或工况不允许时停止调优，是智能寻优器的主要功能。智能寻优器的一个特点是“自起动”寻优在无约束和具备足够时间长度的寻优数 据后，操作员给出调优命令，或工况判断需要调优，或约束解除，或设定的(上次调优后的) 调优暂停时间已到，寻优器将自动起动寻优，即根据调优变量和优化目标的变化方向，确定 调优变量的调整方向和大小，进行调优。第一次调优时，若调优变量或优化目标无变化，可 根据设定的条件和当前工况确定调优方向。每次调优后，经设定的调优周期时间后，开始第 二次及以后各次调优。智能寻优器的第二个特点是对每个调优周期内优化目标值的变化具有动态补偿，这是因为生产过程和数据处理的动态特性会出现以下现象每次调优前，若优化目标正在 下降，即使调优作用使目标上，调优后表现出来的可能是目标值还在下降，只是下降的速度 变慢，在一个寻优周期结束时，优化目标值可能并未上升，如果认为优化目标没有上升，将 导致方向错误的调优。动态补偿的作用就是防止错误的调优，从而缩短调优进程。动态补 偿利用动态模型[可选用(1)式或(3)式给出的方法]，计算在调优量不变时，在一个调优周期内第1，2，直到第N个计算时刻优化目标的变化，称为优化目标的零响应。用调优后实 际表现出来的优化目标值与零响应之差，作为判断调优方向的依据。智能寻优器的第三个特点是及时停止调优可设置多种暂停标准，使调优进程停 止，如朝一个方向连续调优次数达到设定值，两次调优方向相反，调优后优化目标无明显 变化，调优受到约束，所用实测信息或在线实时计算有故障，生产过程出现非正常状况，不 具备足够长度的判断调优数据，等等，4.调优控制器智能优化器给出的调优作用通过调优控制器对生产过程实施调 优。采用基于动态数学模型的模型预估协调控制器作为调优控制器。推荐采用中国专利 99105546. 2和200710118864. 3给出的基于模型的控制器，对于化学反应器的优化，推荐采 用中国专利200410048083. 8给出的以宏观反应热为被控变量的自动控制系统，作为调优 控制器。5.运行操作，监视与设定器对实时优化器的操作只有一个运行开关。可监视调 优的运行状况，对实时优化器的功能和运行参数进行在线调整。
图1是本发明给出的实时优化器的组成框图。
具体实施例方式实施例1 钻井过程的实时优化优化目标是钻进速度最高。一般来说，钻压越高，机械钻速越高，但钻头的磨损速 度也高，因此，存在一个最优的钻压。机械钻速是可实时测量的，但可能的机械钻速取决于 所钻岩层的性质，钻头的磨损程度，钻井液的流速和性质，等等，这些影响钻进速度的因素 都没有实时测量信息，且随时会发生变化，需要进行实时寻优。调优变量是钻压自动控制系统中钻压的给定值。调优过程中需考虑各种约束，故障和非正常工况。主要的约束有钻压的上下限，钻 机扭矩上下限，钻压控制系统的约束等。除仪表和设备的故障外，检测钻进过程中出现跳钻 和其它非正常工况时，及时停止调优。寻优也可按设定的寻优逻辑自行暂停。寻优自起动的判断和条件是在钻压自动控制系统正常运行的情况下，若机械钻 速，钻机扭矩，钻井液流量和性质有明显变化，故障或非正常工况解除，且具有正常运行状 况下两个寻优周期长度的数据，或设定的暂停寻优时间已到，或钻压自动控制系统投入自 动控制后，在寻优得到生产管理工程师允许的条件下，寻优将自起动。实施例2 催化裂化反应过程的实时优化催化裂化反应是将较重的石油裂化生成石油气，液态烃，汽油，柴油等轻质石油馏 分的生产过程。其优化目标是以上各反应产物产率和原料中掺渣比的加权和。由于反应产物中各产品的产率不能实时测量得到，各产率的大小因原料油的组成 不同而变化，原料油的组成也是不能实时测量得到的。为此，采用本发明提供的优化目标实 时计算器，根据将反应产物分离为各产品的分馏塔馏出的各产品流量的实测值和其他实测 变量，基于动态数学模型，考虑物料和热量在分馏塔和容器内的积蓄量变化，考虑温度，内 回流，油气分压，油气线速等(除温度外都是不可实测的，也需要由动态模型实时计算)对产品分离的影响，考虑反应器出口到馏出产品实测流量间的时间滞后，最终计算出标准分 离状况下反应器出口各反应产物的产率。同时，基于再生器的动态数学模型和实测变量，计 算出再生器的烧焦量，计及时间滞后，给出反应器的产焦率。采用中国专利200410048083. 8给出的以宏观反应热为被控变量的自动控制系 统，作为调优控制器。采用中国专利99105546. 2或200710118864. 3给出的基于模型的控 制器，实施宏观反应热和反应温度的浮动区域协调控制，保持反应热为优化值，也保持反应 温度在给定的上下限内。调优过程的主要约束有宏观反应热和反应温度的浮动区域协调控制中有关变量 的约束，再生器与主风机的约束，富气压缩机的约束，分馏塔的约束，等等。自起动寻优的工况检测主要有在宏观反应热基本不变的情况下，反应产物产率 有明显变化，调优控制器输出有明显变化，分馏塔和再生器运行状况有明显变化，约束或故 障(包括优化目标实时计算器的故障)解除后有足够长度的寻优数据。实施例3 催化重整反应过程的实时优化这里以生产芳烃为主的催化重整反应为例，其优化目标是芳烃产率最高。但芳烃 产率不能实时测量得到，本发明中的优化目标时时计算器，根据重整反应的机理和特点，利 用动态数学模型和实测变量给出解决这一问题的方法，有以下三个途径(1)用反应热和动态数学模型计算重整反应器中主要有生成芳烃的吸热反应和 裂化成戊烷或更轻组分的放热反应。可由反应器下游脱戊烷塔分离出来的戊烷和更轻组分 的实测流量，利用分馏塔和相关容器的动态数学模型计算得到反应器出口的戊烷和更轻组 分的流量，进而得到裂化反应放出的热量。由反应器的动态数学模型和实测变量可计算得 到反应过程的宏管反应热(表现为吸热反应)。由宏观反应热与裂化反应热之和可计算得 到芳烃产率。(2)用反应产生的氢产率和动态数学模型计算原料生成芳烃的反应是附产氢气 的反应，裂化反应是消耗氢气的反应。利用下游脱戊烷塔动态数学模型计算得到戊烷产率 和相应的耗氢量，即可由实测氢气产率(加上动态修正)计算芳烃反应产生的氢气量，根据 化学计量系数，计算得到芳烃产率。(3)由下游抽提塔将芳烃和非芳烃分离后，利用动态书学模型进行动态补偿，计算 得到芳烃产率。以上三种方法都根据实际情况考虑时间滞后。以上三种计算结果未必十分准确，但只要反应相对变化就可满足寻优的要求。可 用三者的加权和作为优化目标变化的判断依据。若其中某种算法有故障或因实际条件所限 不能计算，可将该算法的加权系数设为零。采用中国专利200410048083. 8给出的以宏观反应热为被控变量的自动控制系 统，作为调优控制器。采用中国专利99105546. 2或200710118864. 3给出的基于模型的控 制器，实施宏观反应热和反应温度的浮动区域协调控制，保持反应热为优化值，也保持反应 温度在给定的上下限内。通常催化重整反应是由四个串联反应器构成的，第四个反应器中裂化反应所占比 重最高。在计算产率和优化目标时，由动态数学模型计算每个反应器的宏观反应热和总反 应热。在实施调优时，智能寻优器以前三个反应器宏观反应热给定值为调优变量。
实施例4 裂解炉的实时优化裂解炉是以轻或重石油馏分为原料，以乙烯和丙烯为主要产品的生产装置。由于 石油馏分的复杂性，在高温裂解的过程中，还会生成氢气和其它烃类产品。随着裂解反应深 度(主要取决与裂解温度和停留时间)的增高，乙烯和丙烯的产率达到最高值后将会下降， 氢气和甲烷的产率则不断增高。裂解产生的焦碳，使炉管内和急冷器结焦到一定程度需停 产清焦，也是影响效益的重要因素。各产品产率的大小及其随裂解深度的变化情况与原料 性质和操作条件有关，需要一个实时优化器随时将裂解炉保持在优化状况下运行。裂解炉优化目标可选用以下两种之一(1)优化目标 1 = C2+w2C3-wsSmc2=乙烯产率c3=丙烯产率w3 >0，为加权系数
申护产宝S =,是裂解深度的一种表达式
丙烯产率m彡1，为设定参数 ws > 0，为加权系数，-wss是对结焦的罚函数
⑵优化目标
权利要求
一种连续生产过程的实时优化器，其特征在于由生产过程监测器(1)，优化目标实时计算器(2)，智能寻优控制器(3)，调优控制器(4)，运行操作监视与设定器(5)五部分组成，实时优化器通过已有的数据输入输出接口(6)实时地取得生产过程(7)的运行数据，并将调优作用送给生产过程(7)进行调优；(1)生产过程监测器具有以下功能1).数据处理与故障诊断基于动态数学模型计算结果和实测变量之差，实时判断运行工况和实测信息是否正常；2).约束预报根据动态模型对变量未来变化进行预估，实现变量达上下限的预报，预报超限时即停止超限方向的调优，对变量的预估有以下有“简化”和“完整”两种方式简化方式Y(t+p/t)＝Y(t)+A[Y(t) Y(t 1)](1)t＝当前时刻，p＝预估时域，A＝可设置的预报系数Y(t+p/t)＝当前时刻对未来t+p时刻的变量预估值Y(t)，Y(t 1)＝当前时刻和前一时刻变量的实测值完整方式基于离散时间状态空间模型，模型X(k+1)＝F[X(k τX)，U(k τU)](2A)Y(k)＝G[X(k)，U(k)](2B)Y＝需要预估未来的变量X＝状态变量U＝输入变量k＝t/Td＝离散时间周期数 t＝时间 Td＝离散时间周期τX＝状态变量之间互相影响的滞后时间相应的离散时间周期数τU＝输入变量对状态变量影响的滞后时间的离散时间周期数经在线实时修正的预报YC(k+p/k)＝Y(k+p/k)+[Y(k) Y(k/k p)](3)YC(k+p/k)＝修正后的[在未来(k+p)Td时刻]预报值p为设定的预报时间所相应的离散时间周期数Y(k+p/k)＝由模型计算的未来(k+p)Td时刻的预估值Y(k/k p)＝由模型计算的当前时刻(kTd)的预估值Y(k)＝当前时刻k的实测值，Y(k) Y(k/k p)＝在线实时(对模型预估的)修正值。以修正后的预报值YC(k+p/k)判断变量是否超限；3).工况变化检测在生产过程运行正常，无变量受约束，无故障的情况下，由于不可实测变量的变化，使生产过程运行偏离优化状况时，为寻优的自起动提供信息；工况变化检测内容包括①比较基于状态空间模型[式(2A)(2B)]计算的各变量与实际运行时各变量实测值的大小与方向是否有明显变化；②基于动态数学模型在线实时计算的工艺参数有明显变化，如传质与传热系数，组分浓度；③优化目标值有明显变化；④运行工况有明显变化，包括自动控制器或人为的操作变量有明显变化，生产方案变化，原料组成与流量变化，变量约束状况变化，生产设备变化；(2).优化目标实时计算器对于不可实测的优化目标，依据生产过程机理，实测变量，动态模型[式(2A)(2B)]和存在的时间滞后，在线实时计算给出不可实测的优化目标，包括化学反应器的转化率或反应产物中的产品分布为优化目标时，可由其下游产品分离设备分离出来的各产品的实测流量和分离设备的动态数学模型计算分离设备入口各产品的流量，从而计算得到相应的优化目标，计算时，对实测变量和计算结果都要进行滤波处理，以抑制噪声；当用于计算的任一个实测变量有故障或非正常时，给出故障信息，使寻优暂停；(3).智能寻优器实现寻优的暂停与自起动，对每次调优后目标值的变化量进行动态补偿，在满足一定条件或工况不允许时停止调优；1)智能寻优器“自起动”寻优在无约束和具备足够时间长度的寻优数据后，操作员给出调优命令，或工况判断需要调优，或约束解除，或设定的上次调优后的调优暂停时间已到，寻优器将自动起动寻优，根据调优变量和优化目标的变化方向，确定调优变量的调整方向和大小，进行调优；第一次调优时，若调优变量或优化目标无变化，根据设定的条件和当前工况确定调优方向；每次调优后，经设定的调优周期时间后，开始第二次及以后各次调优；2)智能寻优器对每个调优周期内优化目标值的变化具有动态补偿，防止错误的调优，缩短调优进程；动态补偿利用动态模型[可选用(1)式或(3)式给出的方法]，计算在调优量不变时，在一个调优周期内第1，2，直到第N个计算时刻优化目标的变化，称为优化目标的零响应；用调优后实际表现出来的优化目标值与零响应之差，作为判断调优方向的依据；3)及时停止调优可设置多种暂停标准，使调优进程停止，包括朝一个方向连续调优次数达到设定值，两次调优方向相反，调优后优化目标无明显变化，调优受到约束，所用实测信息或在线实时计算有故障，生产过程出现非正常状况，不具备足够长度的判断调优数据；(4).调优控制器智能优化器给出的调优作用通过调优控制器对生产过程实施调优。(5).运行操作，监视与设定器对实时优化器的操作只有一个运行开关；监视调优的运行状况，对实时优化器的功能和运行参数进行在线调整。
全文摘要
本发明涉及一种连续生产过程的实时优化器；由生产过程监测器(1)，优化目标实时计算器(2)，智能寻优控制器(3)，调优控制器(4)，运行操作监视与设定器(5)五部分组成，实时优化器通过已有的数据输入输出接口(6)实时地取得生产过程(7)的运行数据，并将调优作用送给生产过程(7)进行调优；在实际实施生产过程优化时，本调优手段，既能迅速准确的调整调优变量，又能在各种干扰下维持最优运行状况，生产过程的故障检测与处理，各种约束的检测与处理。
文档编号G05B13/04GK101957597SQ20101028950
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者于佐军, 袁璞 申请人:袁璞