专利名称：一种气相聚乙烯装置质量指标及操作约束在线估计系统及方法
技术领域：
本发明涉及工业过 程控制领域，是一种针对气相流化床生产工艺的聚乙烯装置质量指标及操作约束在线估计系统。
背景技术：
聚乙烯(PE)是聚烯烃中产量最大的品种，作为热塑性高分子聚合物被广泛地应用于工业、农业、国防、日用品等国民经济的各个领域。目前聚乙烯占世界聚烯烃消费总量的70%，占热塑性通用树脂消费总量的44%，所用原料占世界乙烯消费量的52%，其中采用气相流化床工艺生产的PE约占世界PE产量的70% (钱伯章.当代聚乙烯生产的技术进展.国际化工信息，2002，I :9-11.)。气相法工艺的聚乙烯生产过程包含复杂的链活化、链引发、链增长、链转移和链终止5个可逆反应系列，表征聚乙烯牌号的质量指标主要有聚合物熔融指数及树脂密度。主要的操作约束有实时产率、循环气露点温度、反应器停留时间、乙烯浓度、丁烯浓度、氢气浓度、反应温度及反应压力。除了乙烯浓度、丁烯浓度、氢气浓度、反应温度及反应压力可在线测量外，其余的质量指标及操作约束均在线不可测。采用常规的经验操作会造成PE产品质量波动大、中间过渡产品多、物耗和能耗高、存在安全隐患及操作人员劳动强度大的状况。利用多牌号产品质量指标及操作约束在线估计技术可以实时推断产品的质量指标及操作约束，从而监控装置的运行状况，进而稳定装置的操作，在满足工艺约束条件下，提高产率，提高产品质量，降低物耗和能耗、减少牌号切换时间和中间过渡产品，从而大幅度地提高装置的经济效益。PE装置操作中最受关注的是产品的质量指标及操作约束。然而由于PE装置产品的质量指标及操作约束受影响因素过多且过于复杂，目前尚无法用精确的机理模型加以描述(Soares J. B. P. Mathmatical modelling of the microstructure of polyolefinsmade by coordination polymerization a review. Chemical Engineering Science，
2001,56:4131-4153.)。然而机理模型可用于推导聚合速率与表征聚合物分子结构性能的参数，如平均分子量、分子量分布(MWD)、链长分布(CCD)等，而聚合物的质量指标及操作约束，可采用半机理或经验模型来模拟(Antonio G. et. al. Modeling ethylene/ 1-butenecopolymerization in industrial slurry reactors.Ind.Eng.Chem. Res,2005,44 2697-2715.)。联合矩方法和瞬时分布法是两类主要的PE过程机理建模方法(McKennaT. F. , Soares J.B. P. Single particle modeling for olefin polymerization onsupportedcatalysts a review and proposals for future development. ChemicalEngineering Science, 2001, 56 :3931-3949.)。联合矩方法通过计算活聚体和死聚体的各阶矩，从而计算数均分子量、重均分子量及分散指数。联合矩方法仅能给出分布的几个指标，不能给出整体的分布情况。瞬时分布法利用Floy分布方程结合聚合动力学与反应条件，可求出整个分子量分布曲线。纯机理模型可以得到较准确的模拟结果，但通常难以直接给出工业界所关心的产品质量指标与操作约束，工业直接应用困难。工业上常用的是利用经验模型推断质量指标及操作约束(McAuley K B. MacGregor J F. Nonlinear productproperty control in industrial gas-phase polyethylene reactor. AIChE,1993,39 855-866.)，经验模型一般形式简单，计算简单。但模拟对象改变时，模型参数需要重新辨识，甚至模型本身也不适用。半经验模型是机理模型和经验模型的结合体。由于纯机理模型难以直接计算产品质量指标与操作约束，而经验模型又存在适用范围窄的缺陷，因而将两者结合的半经验模型在工业应用中有很好的应用前景。浙江大学的梁军利用非线性PLS方法建立了气相聚乙烯的质量指标在线预测模型(梁军.工业流化床乙烯气相聚合中的在线测量与模型分析(I) (II).传感技术学报，2003，16 (3) :242-255.)，建模方法沿用了经验建模的思想。王靖岱等采用半经验建模方法，建立了工业流化床聚乙烯树脂性能预测模型(王靖岱，陈纪忠，阳永荣.工业流化床聚乙烯树脂性能模型的研究.高校化学工程学报，2001，15(1) :82-87.)。陈爱晖等利用机理建模法，推导了工业流化床聚乙烯冷凝操作的操 作约束(陈爱晖，阳永荣，戎顺熙.流化床冷凝模式操作与乙烯聚合过程的研究(I).化学反应工程与工艺1998，14(4) :365-372.流化床冷凝模式操作与乙烯聚合过程的研究(II).化学反应工程与工艺1999，15 (I) :31-37.) ο由于PE装置中通常采用经验模型或半经验模型作为质量指标及操作约束的推断模型，因而当牌号切换时质量指标及操作约束推断计算会产生明显的偏差。为提高牌号切换时推断模型的精度，可以采用扩展卡尔曼滤波(EKF)对推断模型参数进行自适应调整(Semino D. , Morretta M. and Scali C. Parameter estimation in extended Kalmanfilters for quality control in polymerization reactors. Comput. Chem. Eng.,1996,20 S913-S919.)。然而EKF要求测量噪声为高斯噪声，实际应用中很难满足，因而有较大的局限性。模块化反推估计(F. J. Havard, T. A. Johansen, L. Imsland, G. 0. Kaasa.Parameter estimation and compensation in systems with nonlinearly parameterizedperturbations. Automatica, 2010,46 (I) :19-28)是近年来提出的一种非线性参数自适应估计方法，但其针对的是非线性仿射模型结构，通常的PE过程模型难以满足，另外该方法的参数更新律设计采用了基于定常的负梯度下降法，忽略了时变因素导致其工程应用受到很大的局限性。在PE装置操作中，会定期对产品进行采样化验分析。如何利用实验室分析数据反馈修正质量指标及操作约束的推断计算是大型PE装置多牌号产品质量及操作约束在线估计技术中的关键问题(Takeda M. and Ray W. H. Optimal-grade transition strategiesfor multistage polyolefin reactors. AIChE J. 1999,45 :1776-1793.)。经典的方法是米用 EKF 进行滤波估计(Gahnon L. and MacGregor J. F. State estimation for continuousemulsion polymerization. Can. J. Chem. Eng. , 1991,69 :648-656. Keller J. Y. , Darouach,M.Optimal two-stage Kalman filter in the presence of random bias. Automatica,1999,33 :1745-1753.)。传统的EKF是基于H2估计准则的，要求模型准确且已知外部干扰的统计特性。由于PE装置的复杂性，因而EKF应用于大型PE装置的质量指标及操作约束的在线估计有很大的局限性。针对EKF鲁棒性差的缺点，清华大学的周东华等将渐消因子和正交性原理引入到EKF中，提出了强跟踪滤波器方法(周东华，席裕庚，张仲俊.一种带多重次优渐消因子的扩展卡尔曼滤波器.自动化学报，1991，17 ￠) =689-695. WangD. , Zhou D. H. , Jin Y. H. et. al. A strong predictor for nonlinear processes withinput time delay. Comput. Chem. Eng. , 2004, 28 :2523-2540.)并成功应用于复杂工业过程。赵众等基于质量指标及操作约束推断模型偏差的上限估计，提出了次优的强跟踪滤波器，并成功应用于中石油吉化分公司大型LLDPE装置的熔融指数及树脂密度的实时在线估计(赵众，马博.大型聚乙烯工业装置质量指标的次优强跟踪滤波估计.化工学报，2008，59 (7) :1635-1639.)。针对复杂工业过程的推断模型存在有界偏差、外部扰动统计特性未知以及频繁的牌号切换的特点，近年来，针对切换系统的鲁棒滤波(Foo Y. K. andSoh Y.C.Robust Kalman filtering for uncertain discrete-time systems withprobabilistic parameters bounded within a polytope. Systems & Control Letters
2008,57:482-488.)正成为相关的研究热点，然而应用于复杂PE过程的鲁棒滤波技术尚未见报道。
发明内容
为克服现有的质量指标及操作约束估计技术用于气相PE过程难以适应频繁的牌号切换、广泛存在的未知干扰，因而难以长周期运行的局限性，本发明提供一种针对气相流化床生产工艺的聚乙烯(PE)多牌号产品质量指标及操作约束在线估计系统及方法，其关键点在于结合混合模型的模块化设计方法和半参数化设计方法的长处，构造了气相PE过程的质量指标及操作约束的预测模型；利用模块反推自适应方法实现了在牌号切换时对质量指标预测模型的自适应调整；利用考虑质量指标预测模型逼近偏差及过程不确定性的鲁棒次优滤波估计方法，结合实验室分析数据，实现了实时估计PE多牌号产品质量指标及操作约束。本发明所采用的技术方案是一种气相聚乙烯(PE)多牌号产品质量指标及操作约束在线估计系统，包括与PE生产过程连接的现场仪表、集散控制系统(DCS)、实验室分析数据库以及先进控制服务器，所述的PE生产过程指采用气相流化床生产工艺生产多个牌号的聚乙烯的生产过程；所述的DCS控制系统由数据接口、操作员站、工程师站、PE质量指标及操作约束显示画面、数据库及OPC服务器构成；现场仪表、DCS系统、实验室分析数据库、先进控制服务器依次相连，所述的先进控制服务器包括I、OPC客户端及数据接口模块，用于从DCS控制系统及实验室分析数据库采集数据，并将PE质量指标及操作约束在线估计结果传送到DCS控制系统中的质量指标及操作约束显示画面，指导多牌号PE平稳生产；2、PE质量指标及操作约束预测模型参数辨识模块，用于根据生产过程数据及实验室分析数据辨识多牌号PE质量指标及操作约束的预测模型，其中多牌号PE质量指标预测模型采用稳态机理模型串联特征动态模型的混合模型结构，多牌号PE产率的预测模型采用热力学模型并联支持向量机回归模型的混合模型结构，多牌号PE循环气露点温度预测模型采用简化热力学模型结构，辨识得到的PE质量指标及操作约束预测模型能预测多牌号PE产品质量指标熔融指数、密度以及PE生产操作约束产率、循环气露点温度的动态变化；3、PE质量指标预测模型参数自适应模块，用于针对牌号切换及生产过程扰动变化修正PE质量指标预测模型参数，其中预测模型参数的自适应更新采用模块反推自适应方法;4、PE质量指标在线估计模块，用于根据实验室分析数据实时修正PE多牌号质量指标的模型预测并将在线估计结果通过OPC客户端写入DCS控制系统中的PE质量指标及操作约束显示画面，指导PE过程的平稳生产，其中PE质量指标在线估计采用了考虑预测模型逼近偏差及过程不确定性的鲁棒次优滤波估计方法。
一种用所述的气相聚乙烯(PE)多牌号产品质量指标及操作约束在线估计系统实现的在线估计方法，所述的PE质量指标及操作约束在线估计方法包括以下步骤I、利用OPC客户端及数据接口模块采集PE过程质量指标熔融指数、树脂密度；操作约束产率、循环气露点温度；PE过程变量反应温度、乙烯浓度、共聚单体浓度、氢气浓度、乙烯流量、丁烯流量、氮气流量、循环气流量、床层重量；PE过程物性数据反应器总进料热焓、反应器汽体进料热焓、反应器液体进料热焓、反应热。将采集到的数据分成模型辨识组及模型验证组，按以下的步骤辨识及验证PE产品质量指标及操作约束的预测模型I. 1)PE质量指标熔融指数及密度的稳态瞬时模型由以下公式计算\ηΜΙ = θ0Λ + ΘΜΘ,+θ}^ + θ5ψ^(I)
a υγ< ι、θι。 f fDen = 0e+^ + 0x ^ +θ9 ^(2)
T \[C2]J \[C2] J其中MI (g/10min)、Den (g/cm3) >T (°C )、[H2] (moI % ) > [C2] (moI % ) > [Cj (moI % ) >θ0, θ17 θ2, θ3, θ4, θ5, θ6, θ7, θ8, θ9, θ1(ι、In分别表示熔融指数、密度、反应温度、氢气浓度、乙烯浓度、共聚单体浓度、模型参数及求自然对数；考虑固体颗粒在反应器的停留时间，PE反应器床层平均质量指标的动态预测由以下公式计算InWZc (i+1) = / (O+Z21InMZc (i-^+gnj^oIn|沒3 + θ4 + θ5 j j(3 )
/\ Q/N Q
Denc (i +1) = fl2Denc (i) + f22Denc (i -1) + g12 θ6+士+ Qi+θ9(4)其中MIc(g/10min)、Denc (g/cm3)、fn, f21, gn, f12, f22, g12, g22、i 分别为 PE 反应器床层平均熔融指数、密度、特征动态模型参数及采样时刻。根据质量指标模型(3)、(4)，取目标函数为min V {[A^(/)-M/c(/·)]2 + [D^n(i) - Denc(i)f}(5 )利用粒子群优化(PSO)算法(MarcioSchwaab，Evaristo Chalbaud Biscaia, Jr.,Jose Luiz Monteiro, Jose Carlos Pinto. Nonlinear parameter estimation throughparticle swarm optimization. Chemical Engineering Science，2008，63 :1542-1552)优化得到质量指标预测模型参数 Θ。，Q1, 0 2 θ 3，θ 4，θ 5，θ 6，θ 7 θ 8 θ 9，θ 1(1，Α ，&1，gn，f12，f22，g12，&2。利用模型验证组数据校验辨识模型，当校验结果与辨识结果相差不超过10 %时,确认质量指标预测模型参数为标称模型。I. 2)根据PE过程的表观热量平衡，操作约束产率计算的热力学模型由以下公式计算
权利要求
1.一种气相聚乙烯(PE)多牌号产品质量指标及操作约束在线估计系统，包括与PE生产过程连接的现场仪表、集散控制系统(DCS)、实验室分析数据库以及先进控制服务器，所述的PE生产过程指采用气相流化床生产工艺的生产多个牌号的聚乙烯生产过程；所述的DCS控制系统由数据接口、操作员站、工程师站、PE质量指标及操作约束显示画面、数据库及OPC服务器构成；现场仪表、DCS系统、实验室分析数据库、先进控制服务器依次相连，其特征在于所述的先进控制服务器包括 (1)OPC客户端及数据接口模块，用于从DCS控制系统及实验室分析数据库采集数据，并将PE质量指标及操作约束在线估计结果传送到DCS控制系统中的质量指标及操作约束显示画面，指导多牌号PE平稳生产； (2)PE质量指标及操作约束预测模型参数辨识模块，用于根据生产过程数据及实验室分析数据辨识多牌号PE质量指标及操作约束的预测模型，其中多牌号PE质量指标预测模 型采用稳态机理模型串联特征动态模型的混合模型结构，多牌号PE产率的预测模型采用热力学模型并联支持向量机回归模型的混合模型结构，多牌号PE循环气露点温度预测模型采用简化热力学模型结构，辨识得到的PE质量指标及操作约束预测模型能预测多牌号PE产品质量指标熔融指数、密度以及PE生产操作约束产率、循环气露点温度的动态变化； (3)PE质量指标预测模型参数自适应模块，用于针对牌号切换及生产过程扰动变化修正PE质量指标预测模型参数，其中预测模型参数的自适应更新采用模块反推自适应方法； (4)PE质量指标在线估计模块，用于根据实验室分析数据实时修正PE多牌号质量指标的模型预测并将在线估计结果通过OPC客户端写入DCS控制系统中的PE质量指标及操作约束显示画面，指导PE过程的平稳生产，其中PE质量指标在线估计采用了考虑预测模型逼近偏差及过程不确定性的鲁棒次优滤波估计方法。
2.一种用于如权利要求I所述的气相聚乙烯(PE)多牌号产品质量指标及操作约束在线估计系统的在线估计方法，其特征在于所述的在线估计方法包括以下步骤 (1)利用OPC客户端及数据接口模块，从DCS控制系统采集实时操作数据，从实验室分析数据库读取质量指标及操作约束分析数据，辨识多牌号PE质量指标及操作约束的预测模型； (2)针对PE质量指标的混合模型结构，利用模块反推自适应方法，对质量指标预测模型参数进行自适应修正； (3)在线运行时，读取实验室分析数据，利用考虑预测模型逼近偏差及过程不确定性的鲁棒次优滤波估计方法，实时估计PE多牌号质量指标； (4)利用OPC客户端，将PE质量指标及操作约束在线估计结果写入DCS控制系统中的PE质量指标及操作约束显示画面，指导PE过程的平稳生产。
3.如权利2所述的气相聚乙烯(PE)多牌号产品质量指标及操作约束在线估计方法，其特征在于 (I)PE质量指标熔融指数及密度的稳态瞬时模型由以下公式计算
4.如权利2所述的气相聚乙烯(PE)多牌号产品质量指标及操作约束在线估计方法，其特征在于取
5.如权利2所述的气相聚乙烯(PE)多牌号产品质量指标及操作约束在线估计方法，其特征在于质量指标预测模型参数自适应修正后的离散系统模型可写为x(k+l) = Ax (k)+BF (u (k)) (14) y (k) = Cx (k)θ0Λ + θΜθ,+θ}^ + θ5ψ^ 其中F(KQ)=广2 Λ義。，构造如下的状态观测器 θ6Λ+θ\[^\ +武四 _ τ \[Q]J Uq]J _ΛΛΛ x{k +1) = Ax{k) + BF(u(k)) + K{k)[y{k) - Cχ(Λ)](15) 引入预测模型最大逼近偏差％及测量不确定性R(A)满足
全文摘要
一种针对气相流化床生产工艺的聚乙烯(PE)多牌号产品质量指标及操作约束在线估计系统，包括与气相PE对象连接的现场过程仪表、现场分析仪表、集散控制系统(DCS)、实验室分析数据服务器及先进控制服务器。所述的先进控制服务器包括OPC客户端及数据接口模块、多牌号PE生产过程质量指标及操作约束模型预测模块，PE质量指标预测模型参数自适应修正模块，PE质量指标鲁棒次优滤波估计及质量指标和操作约束显示模块，以及提供了一种气相PE质量指标及操作约束的在线估计方法。本发明提供一种多牌号气相PE产品质量指标熔融指数、密度以及气相PE生产操作约束产率、循环气露点温度的实时在线估计系统及方法。
文档编号G05B19/418GK102736570SQ201110091920
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月13日 优先权日2011年4月13日
发明者孙康, 赵众 申请人:北京化工大学