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第2章化工过程模拟及相关高新技术1课程内容2.1化工过程模拟2.2化工过程先进控制2.3化工过程模实时优化2.4四项高新技术之间的关系和效益22.1化工过程动态模拟二、动态模拟的主要功能和应用领域一、概述三、国外动态模拟的发展四、稳态模拟与动态模拟的异同31、引起化工过程动态变化的因素：一、概述(1)计划内的变更：如原料的批次，计划内的高负荷或减负荷，设备的定期切换等(2)事物本身的不稳定性：如同一批次原料质量的差异与波动，催化剂活性的降低。(3)意外事故，设备故障，人为的误操作等；(4)装置的开停车。原有稳态与平衡破坏，系统向着新的平衡发展。42、动态变化中最为关心的问题：（1）波动对整个系统产生多大的影响？产品质量与产量有多大波动？（2）有无发生危险的可能？可能会导致哪些危害，危害程度如何？（3）一旦产生波动或事故，应当如何处理、调整？最恰当的措施、步骤？（4）干扰波动的持续时间多长？克服之使之恢复正常又需多久？（5）开停车的最佳策略。5二、动态模拟的主要功能和应用领域（一）动态特性研究1、内容：研究过程参数随时间变化的规律，从而得到有关过程的正确的设计方案或操作步骤。2、作用：应用动态模拟可以更全面、正确的认识一个化工过程，预测某一个波动或干扰发生时系统会发生怎样的变化。3、例子：在固定床，催化剂条件下的甲烷化反应，进料为50%的合成气和50%的水蒸气。6120612507（二）开停车指导1、开停车的重要性大型石化装置，每开停车一次损失为几十万甚至几百万元。2、动态模拟对开停车的重要指导作用：（1）缩短开停车时间，尽快达到稳定操作状态或安全停车；（2）降低物耗、能耗，减少开停车损耗；（3）避免可能产生的误操作或事故；（4）减少不合格产品；（5）保证开停车过程顺利进行；（6）取得最佳经济效益。8（三）动态仿真操作工培训系统（四）先进控制系统的设计工具建立动态仿真系统是动态模拟的重要用途；动态仿真系统既有稳态又有波动干扰引起的变化；先进控制：起源于20世纪70年；过程控制技术：20世纪90年；过程控制技术必要条件：过程的动态特性9三、国外动态模拟的发展20世纪70年代初期：动态研究报道，丁二烯抽提装置开车。专业型80年代：通用型商品化的动态模拟软件；美国的普度大学的BOSS；英国剑桥的QUASLIN。90年代中期：加拿大Hyprotech公司推出动态模拟软件HYSIS，同时兼具稳态模拟和动态模拟的功能。模拟软件推出的基础：机理模型10四、稳态模拟与动态模拟的异同稳态模拟动态模拟仅有代数方程同时有微分方程和代数方程物料平衡用代数方程描述物料平衡用微分方程描述能量平衡用代数方程描述能量平衡用微分方程描述严格的热力学方法严格的热力学方法无水力学限制有水力学限制无控制器有控制器112.2化工过程先进控制一、概述12二、先进控制和DCS（集散型控制系统）控制的主要区别三、先进控制的特点四、多变量预估控制的执行步骤五、先进控制的经济效益六、国外发展概况七、先进控制实施的外部条件2.2化工过程先进控制一、概述131、化工过程控制的巨大变化：硬件：手动阀门——自动控制阀——PID控制器（比例-积分-微分控制器）——集散型控制系统（DCS）——计算机控制系统软件：填充式的控制软件——新的数据库软件——新的改进了的优化算法——基于模型的多变量预估控制软件142、典型化工装置的生产操作特性(常规控制手段下)：（1）对动态反应存在实质性的时间延迟和滞后；（2）要求控制的变量未能在线检测；（3）非线性动态响应；（4）相互耦合；（5）存在约束；（6）存在大的外部干扰。153、基本操作系统的弊端：1）DCS控制器的基础的常规算法是PID算法，这种算法对于具有较大滞后的回路其效果很差。2）控制变量对于操作变量的改变而引起的响应经常是非线性的。3）化工过程操作的叠加的结果使得化工装置的某部分难以控制，即使采用标准控制器和标准方法。二、先进控制和DCS（集散型控制系统）控制的主要区别161、先进控制的历史先进控制理论20世纪70年代初提出；工业上的最初应用始于70年代末；90年代以来，先进控制的工业应用获得了蓬勃发展，获得巨大经济效益，大量工业装置纷纷在已有的DCS的基础上配备了先进控制系统。21世纪，先进控制技术在许多方面发展十分成熟：•各种多变量预估控制的理论基础已被广泛认同；•多变量预估控制涉及的范围不断地扩充；•多变量预估控制软件包不断涌现；•大量的先进控制正在在各种工业装置中实施。172、实际上，众多过程变量之间的相互影响是必然的，操作变化和控制变化之间的关系如图2-3183、DCS的缺点：（70年代初进入工业装置）基本不考虑变量之间的相互影响，将操作变量（manipulatedvariable,MV）和控制变量（controlledvariable，CV）之间的关系设定为一一对应的关系。一一对应的关系忽略了变量之间的耦合关系，不能反映装置的实际情况，因此难以真正实现装置的平稳控制。19三个彼此独立的控制回路：1）调节回流量（FC）来控制塔顶产品质量；2）通过调节塔内压力差（ΔPC）控制塔顶压力；3）通过调节再沸器加热介质的流量来控制塔釜产品的质量。如：塔釜加热量的变化，其影响经过一段时间，必然会到塔顶，引起塔顶产品质量的变化，对于传统的DCS控制方法，只有等到这一刻，塔顶控制器才能动作调节流量。精馏塔的传统控制理论：20精馏塔的先进控制理论：先进控制包：所有控制变化的变化（塔顶、塔釜产品质量波动、塔内压力差），考虑操作变量对不同控制影响的大小，通过模型的预估计算，分别得到对塔顶回流量，塔顶压力及再沸器加热介质流量的调节值。由先进控制包发出信号，同时进行调节。三、先进控制的特点1、控制性能21先进控制技术能够提供远比传统控制PID控制好得多的控制性能：1）它能处理多输入、多输出的控制问题。2）它可以处理PID难以处理的“慢动作”的工艺过程。（PID适用于“快动作”控制回路，如温度、压力流量）。3）由于其预估特性，可以有效地控制具有较大的纯滞后或时间常数回路。4）不仅计算控制器当前的一组设定值，而且要计算将来的若干组设定值，这样可有效确定预期的、将来的控制器设定值，保证不违反所有的约束条件。22卡边控制•先进控制从整体上提高了装置的控制水平，使控制变量的波动更小，操作更加平稳•控制变量波动的平均值将更贴近规定的工艺规定或约束条件（是否合理，不是先进控制的任务）。•带来可观的经济效益23卡边控制242、先进控制的核心是多变量预估控制先进控制软件根据装置的实时数据，采用多变量模型预估计算，计算出最优的设定值，送往控制器执行。3、控制范围多变量预估控制使得控制整个装置成为可能，可控制整个装置的所有变量。4、显著的经济效益先进控制可使装置在最大经济效益的条件下操作：最大的产量、最大的转化率和最低的装置操作费用。255、在各种条件下均有较高的在线因子通常是95%或更高。6、维护工作量较小先进控制具有很高的鲁棒性，且各项技术都纳入一个统一的软件包，便于运行和安装。鲁棒性/抗变换性（英文：robustness）原是统计学中的一个专门术语，20世纪70年代初开始在控制理论的研究中流行起来，用以表征控制系统对特性或参数扰动的不敏感性。267、投资回收期短投资回收期都在半年到一年之间，装置的规模越大，效益越明显。四、多变量预估控制的执行步骤1、预估计算利用装置的动态模型和当前装置的工艺参数，计算出控制变量，如产品组成、温度等的预期的变化值。2、最优目标计算27利用适当的计算方法，如线性规划，确定符合所有约束的最优的稳态工艺条件。283、控制设定值计算•基于预估的控制变量的预期轨迹以及根据线性规划得到的最优控制目标，计算出各个操作变量的预期的设定值的最佳组合。•通过操作变量的调整，驱动装置朝所希望的操作区域移动，而不违反所有的约束条件，或者操作变量的极限值。294、执行过程•第一组预期的操作变量设定值付诸实施后，每一次执行多变量预估控制时，控制变量的预估值都要采用当前的装置测量进行计算和予以更新，以保证多变量预估控制和实际装置的一致性。五、先进控制的经济效益30先进控制务必在DCS的基础上方能实施，各种不同石油化工装置实施先进控制后，其净增（含实时优化）见下表2-2装置规模（万吨/年）年净增效益/万美元常减压750225-450催化裂化370420-1050催化重整215150-450加氢裂化265225-450烷基化130135-315延迟焦化212144-480异构化15550-150乙烯45300-50031六、国外发展概况1、美国（1996年之前）Setpoint公司的SMCADynamicMatrixControl公司的DMC1996年AspenTech公司收购AspenTech公司：软件DMCPlus融合上述2个软件的优点，1997年底，全世界实施先进控制的项目有1500套，AspenTech完成了1050套，占70%。全世界最大的五套催化裂化装置全部采用的AspenTech的DMC技术。1998年加拿大TreiberControl公司32Setpoint公司：成立于1977年曾承担过大量石油化工装置的先进控制项目的设计工作。特点：工程经验丰富，工程业绩遍及全世界最早进入中国的过程控制公司，中国有多套由它设计的先进控制在运行。33DynamicMatrixControl公司：•1984年创办。•创办人：Dr.CharlieCulter，先进控制理论创始人之一。•该公司长期从事动态矩阵控制软件的研究和应用，其软件的高品质和先进控制的高性能吸引了大量的客户，至1994年，已经实施了500多个先进控制项目。342、英国PredictiveControlLtd.公司成立于1988年；专门从事先进控制系统的设计；有名的控制软件包：CONNOISSEUR。3、美国——Honeywell公司原是著名的DCS的供应商；近年来向着先进控制和实时优化的方向发展。兼并了美国的Profimatics公司，先进控制业务有较大发展。有部门专门从事先进控制和优化业务，推出工厂一体化化解决方案（TPS）由先进控制包和实时优化包两部分组成。35七、先进控制实施的外部条件多专业、多学科的紧密合作；要求工作人员具备丰富的工程能力和经验。由工艺专家和自控专家共同合作完成；公司技术人员应具备化工背景。2.3化工过程模实时优化一、概述二、实时优化的应用范围和功能三、实时优化系统主要结构框图四、实时优化的方程组集形式五、实时优化的目标函数3637一、概述先进控制：•解决的是给定的设定值下装置的平稳操作问题•不负责各个设定值是否最佳工艺条件，是否有最大经济效益。实时优化的诞生：•实际生产中经常会遇到原料和公用工程条件的变化。（与原来设计不同）•工艺调整必然性：催化剂的老化、换热器结垢、设备状况变差的情况，需要适时调整工艺。•现代化的工业生产要求整个装置经济效益最大，要求在给定约束条件下，按照适时的生产数据，求出各个工艺参数的匹配，并随时适时优化控制。38大型工业装置的实时优化应该是在线、闭环实时优化。•在线：优化系统和装置的控制系统相连，随时根据实时数据执行有关的计算。•闭环：优化系统的计算结果传送到控制系统，控制系统不想按照优化结果实施控制。•实时优化是模拟和控制的紧密结合。39实时优化的发展：•20世纪90年代成为热点。•AspenTech公司的RT-OPT——较著名——基于方程的模型组集，图形界面与其稳定模拟软件ASPENPLUS兼容。•DynamicMatrixControl公司的DMO——声誉较高；•SimulationSciences公司——ROMEO——在原有优化软件ROM的基础上发展而成的；•Honeywell公司的TPSProfitMax——也有比较多的客户。40二、实时优化的应用范围和功能主要用于解决装置一级的过程优化问题，通常这些都是大型、非线性过程的优化，总的模型方程的数量可达20万个或