第三章 生产过程的软测量技术精选文档.ppt

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1、第三章第三章 生产过程的软测量技术生产过程的软测量技术本讲稿第一页，共六十四页提纲提纲v 软测量技术现状与发展v 化学反应过程的软测量化学反应过程的软测量v 重整反应过程的软测量v 精馏过程的软测量v 软测量的工程实施v 总结本讲稿第二页，共六十四页软测量技术现状与发展软测量技术现状与发展v生产过程重要变量不可实测实例产品质量指标（苯纯度、汽油干点、.）化学反应深度、反应产物的产率、催化剂活性需要计算不可测变量（液位速率、干扰变量、故障、.）“解决”途径间接控制&实验室化验分析在线分析仪表在线计算（软测量、软仪表）v软测量的意义操作指导、实时控制与优化；提高效益本讲稿第三页，共六十四页软测量技

2、术现状与发展软测量技术现状与发展v软测量技术的理论根源-推断控制 1970年代Brosillow提出。基本思想:采集过程中比较容易测量的辅助变量（Secondary Variable），通过构造推断估计器来估计并克服扰动和测量噪声对过程主导变量（Primary Variable）的影响。本讲稿第四页，共六十四页软测量技术现状与发展软测量技术现状与发展v估计器的设计 根据某种最优准则，选择一组既与主导变量有密切联系，又容易测量的辅助变量，通过构造某种数学关系，实现对主导变量的在线估计。软测量技术正体现了估计器的特点。本讲稿第五页，共六十四页软测量技术现状与发展软测量技术现状与发展v现有的软测量技

3、术（综述）基于过程机理模型的方法物料平衡 能量平衡 动量平衡 相平衡 反应动力学反应热力学 白箱模型白箱模型本讲稿第六页，共六十四页软测量技术现状与发展软测量技术现状与发展v基于机理模型的软测量方法的优缺点 优点：模型精度高 使用可靠 外延性好 缺点：计算量大v模型形式 代数方程组 微分方程组 本讲稿第七页，共六十四页软测量技术现状与发展软测量技术现状与发展v现有的软测量技术（综述）基于非机理模型的方法（经验方法）基于自适应推理模型方法 基于回归分析方法 基于人工智能的方法 黑箱模型黑箱模型?本讲稿第八页，共六十四页软测量技术现状与发展软测量技术现状与发展v基于自适应推理模型方法 状态估计、参

4、数估计和自适应控制原理用于获得软测量模型。v基于回归分析方法 最小二乘法 主元回归法 部分最小二乘法 本讲稿第九页，共六十四页软测量技术现状与发展软测量技术现状与发展v基于人工智能的方法 人工神经网络 模糊技术 神经模糊技术 本讲稿第十页，共六十四页软测量技术现状与发展软测量技术现状与发展v软测量系统结构图软测量系统结构图 本讲稿第十一页，共六十四页软测量技术现状与发展软测量技术现状与发展v影响软测量性能的因素 v 辅助变量的选择v灵敏性；v特异性；v过程适用性；v精确性；v鲁棒性。本讲稿第十二页，共六十四页软测量技术现状与发展软测量技术现状与发展v影响软测量性能的因素v数据预处理 随机误差的

5、处理 显著误差的处理v数据变换本讲稿第十三页，共六十四页提纲提纲v 软测量技术现状与发展v 化学反应过程的软测量化学反应过程的软测量v 重整反应过程的软测量v 芳烃歧化反应过程的软测量v 精馏过程的软测量v 软测量的工程实施v 总结本讲稿第十四页，共六十四页化学反应过程的软测量化学反应过程的软测量v化学反应生产过程的一般问题影响因素多，部分不可实测，常用反应温度控制 如何控制和优化反应过程 如何衡量反应深度 转化率、选择性、产率、反应产物组成与物性 依靠化验分析 不能实时控制与优化本讲稿第十五页，共六十四页化学反应过程的软测量化学反应过程的软测量 v反应深度的衡量和控制方法采用反应温度衡量和控

6、制反应深度化学反应器中，通常以反应温度为主要被控变量，通过控制器自动维持反应温度为给定值，以维持反应深度和相应的生产指标一定缺点影响反应深度的因素多，只控制反应温度恒定不能保证反应深度不变反应温度原料流量、温度原料性质催化剂活性本讲稿第十六页，共六十四页化学反应过程的软测量化学反应过程的软测量v影响反应深度的因素很多可测：如反应温度、原料流量、温度、压力等不可实测：如原料组成、催化剂活性等维持反应温度一定，并不能维持反应深度一定催化剂活性改变v采用宏观反应热来衡量反应深度基本原理：任何化学反应过程都伴随着热效应，化学反应吸收或释放热量的多少可以反映出反应进行的程度本讲稿第十七页，共六十四页化学

7、反应过程的软测量化学反应过程的软测量v宏观反应热宏观反应热的定义宏观反应热的定义宏观反应热=单位质量反应物在反应过程中吸收或释放的热量单位：KJ/kgv中国发明专利：200410048083.8“连续生产化学反应器的控制方法及系统“本讲稿第十八页，共六十四页化学反应过程的软测量化学反应过程的软测量 v宏观反应热的计算方法基于过程机理的动态数学模型数学表达式其中：Hr(t):宏观反应热 Grin(t):反应物流量 Qr(t):反应物热量 Qn(t):非反应物热量 Qd(t):积蓄热 Qe(t):其它热量本讲稿第十九页，共六十四页化学反应过程的软测量化学反应过程的软测量v宏观反应热的应用用于控制和

8、优化用于产量、产率、转化率、选择性的计算物性指标的计算v 成功应用实例催化裂化催化重整本讲稿第二十页，共六十四页化学反应过程的软测量化学反应过程的软测量v宏观反应热的应用用于控制和实时优化FCCU反应深度控制与实时优化重整反应器控制与优化芳烃歧化反应控制与优化芳烃异构化反应控制与优化本讲稿第二十一页，共六十四页化学反应过程的软测量化学反应过程的软测量v宏观反应热的应用转化率与选择性的实时计算 芳烃转化率 芳烃歧化反应选择性 芳烃烷基化选择性 反应产物组成与物性反应产物组成与物性 再生催化剂含焦量 本讲稿第二十二页，共六十四页提纲提纲v软测量技术现状与发展v化学反应过程的软测量化学反应过程的软测

9、量v催化重整反应过程的软测量v芳烃歧化反应过程的软测量v精馏过程的软测量v软测量的工程实施v总结本讲稿第二十三页，共六十四页重整反应系统的软测量重整反应系统的软测量本讲稿第二十四页，共六十四页重整反应系统的软测量重整反应系统的软测量v重整反应深度的实时衡量反应温度是衡量反应深度的重要指标反应温度只是影响反应深度的因素之一催化剂活性、氢油比、空速、温度原料性质、流量、预热温度、反应压力等维持反应温度一定，并不能维持反应深度一定例：氢油比变化用宏观反应热衡量反应深度芳构化反应是一个吸热反应过程反应热是衡量反应深度的有效变量本讲稿第二十五页，共六十四页重整反应系统的软测量重整反应系统的软测量v基于机

10、理动态模型由反应器热平衡（动态模型）计算由反应器热平衡（动态模型）计算基本假设基本假设由于催化剂循环速度慢，可按固定床计算；由于催化剂循环速度慢，可按固定床计算；各反应器床层各段的油气和反应产物的比热不变；各反应器床层各段的油气和反应产物的比热不变；以放热反应的宏观反应热为正值；以放热反应的宏观反应热为正值；散热损失可忽略。散热损失可忽略。本讲稿第二十六页，共六十四页重整反应系统的软测量重整反应系统的软测量v基于机理动态模型 (宏观宏观)反应热反应热本讲稿第二十七页，共六十四页提纲提纲v软测量技术现状与发展v化学反应过程的软测量化学反应过程的软测量v催化重整反应过程的软测量v芳烃歧化反应过程的

11、软测量v精馏过程的软测量v软测量的工程实施v总结本讲稿第二十八页，共六十四页芳烃歧化反应过程的软测量芳烃歧化反应过程的软测量v芳烃歧化反应机理本讲稿第二十九页，共六十四页芳烃歧化反应过程的软测量芳烃歧化反应过程的软测量v芳烃歧化宏观反应热的计算方法数学表达式其中：Hr(t):宏观反应热 Grin(t):反应物流量 Qr(t):反应物热量 Qn(t):循环氢热量 Qd(t):积蓄热本讲稿第三十页，共六十四页提纲提纲v软测量技术现状与发展v化学反应过程的软测量化学反应过程的软测量v催化重整反应过程的软测量v芳烃歧化反应过程的软测量v精馏过程的软测量v软测量的工程实施v总结本讲稿第三十一页，共六十四

12、页精馏过程的软测量精馏过程的软测量v一般性描述复杂系分馏塔原油分割过程（一次加工）中的分馏塔 CDU CDU 常压塔、减压塔常压塔、减压塔石油馏分加工过程（二次加工）中的分馏塔 FCCU FCCU 主分馏塔、焦化分馏塔主分馏塔、焦化分馏塔二元系【二元或近似二元】精馏塔苯塔、甲苯塔本讲稿第三十二页，共六十四页精馏过程的软测量精馏过程的软测量v常见工艺流程常压塔主分馏塔二元精馏塔本讲稿第三十三页，共六十四页精馏过程的软测量精馏过程的软测量vCDU常压塔本讲稿第三十四页，共六十四页精馏过程的软测量精馏过程的软测量vFCCU主分馏塔本讲稿第三十五页，共六十四页精馏过程的软测量精馏过程的软测量v二元精馏

13、塔本讲稿第三十六页，共六十四页精馏过程的软测量精馏过程的软测量402塔本讲稿第三十七页，共六十四页精馏过程的软测量精馏过程的软测量v动态机理模型建模出发点以已有研究为基础基于机理分析，须合理反映u、y、x等关系力求工程实用，适合在线计算适应观测计算需要，尽可能满足可观条件尽可能通用，适合各种精馏塔本讲稿第三十八页，共六十四页精馏过程的软测量精馏过程的软测量v模型假设按房室法(Compartmental Method)划分塔段塔内汽液相流动状态的假设考虑压力变化的影响塔内不凝气不参与传质本讲稿第三十九页，共六十四页v塔段模型物料平衡能量平衡精馏过程的软测量精馏过程的软测量本讲稿第四十页，共六十四

14、页其它关系式压力方程塔盘水力学方程精馏过程的软测量精馏过程的软测量本讲稿第四十一页，共六十四页进料口处塔段模型物料平衡能量平衡进料方程塔底液位模型精馏过程的软测量精馏过程的软测量本讲稿第四十二页，共六十四页v相关设备模型塔顶分离罐精馏过程的软测量精馏过程的软测量本讲稿第四十三页，共六十四页精馏过程的软测量精馏过程的软测量v液位速率计算方法计算关系式：其中，LevelV：液位速率；k：当前时刻；p：液体密度；A：截面积；R：液位量程；Ts：计算周期；N、L：可调参数本讲稿第四十四页，共六十四页v建模中的有关问题塔段划分的参考原则塔段划分后变量的处理塔段压力的处理纯滞后的考虑物性参数的计算精馏过程

15、的软测量精馏过程的软测量本讲稿第四十五页，共六十四页v软测量总体考虑主要观测计算变量塔内汽液相流量、塔内积蓄量、塔内汽液传质传热量、产率（收率）、产品质量指标等。总体分析过程子系统划分 全塔可观性分析 全塔观测计算 产品质量及产率在线计算 现场实施分析精馏过程的软测量精馏过程的软测量本讲稿第四十六页，共六十四页v子系统划分DA402塔精馏过程的软测量精馏过程的软测量本讲稿第四十七页，共六十四页v模型特点划分子系统塔顶分离罐、塔底再沸器、塔底液位、若干个塔段由子系统组成的全塔模型特点状态关联在结构上是一个分块三对角阵型式，状态关联阵中存在许多零块。子系统法（可观性分析、观测器设计）精馏过程的软测

16、量精馏过程的软测量本讲稿第四十八页，共六十四页v可观性分析结论全塔可观的条件相关设备的液位、流量和温度可测；进出塔段的汽液相温度可测；塔段馏出或打入的物流流量和温度可测；塔顶冷回流流量可测；塔段压力可测。可观性分析对实际装置的测点分布所提出的要求，具有实际工程意义。精馏过程的软测量精馏过程的软测量本讲稿第四十九页，共六十四页v全塔观测计算子系统观测顺序塔顶分离罐 塔底液位系统 各塔段（自顶向底、或自底向顶）相关设备的观测观测得到的不可测变量作为相应塔段的可测变量各塔段的观测采用非线性观测器，基于实际可测变量观测得到：塔内汽相流量、液相流量、汽液传质量、传热系数、液相积蓄量；按塔段顺序观测，得到

17、全塔的不可测变量；进一步作为计算分压、产品质量、产率的基础。精馏过程的软测量精馏过程的软测量本讲稿第五十页，共六十四页精馏过程的软测量精馏过程的软测量v产品质量指标的在线计算化验分析是规定条件下的规格指标在线计算目的:得到与实际一致的动态变化计算的主要指标塔顶产品含量 塔底产品含量塔顶产品纯度 塔底产品纯度本讲稿第五十一页，共六十四页v塔顶组分含量与纯度的计算影响因素温度（汽、液相温度）分压回流比与内回流比进料流量与组成计算关系式精馏过程的软测量精馏过程的软测量本讲稿第五十二页，共六十四页v结论在线计算方法的可行性和有效性着重考虑适应进料负荷变化和过程动态可用做操作指导、实时控制和优化精馏过程

18、的软测量精馏过程的软测量本讲稿第五十三页，共六十四页提纲提纲v软测量技术现状与发展v化学反应过程的软测量化学反应过程的软测量v催化重整反应过程的软测量v芳烃歧化反应过程的软测量v精馏过程的软测量v软测量的工程实施v总结本讲稿第五十四页，共六十四页软测量的工程实施软测量的工程实施v实施过程数据收集（过程数据、化验数据）模型建立 机理模型 非机理模型在线安装、试运行考核与调整长期运行与在线自校正本讲稿第五十五页，共六十四页软测量的工程实施软测量的工程实施v软测量与系统其它部分的关系APP过程数据过程数据DCS流程图流程图软测量与在软测量与在线校正界面线校正界面软测量软测量控制器控制器优化器优化器数

19、据通讯与数据通讯与数据处理数据处理RTDBDCS本讲稿第五十六页，共六十四页软测量的工程实施软测量的工程实施v实时计算结果的检验化验分析对比（如质量指标）常规化验对比 专人专门化验对比运行分析与考察（如催化剂循环量）基于工艺机理分析 注重动态特性分析本讲稿第五十七页，共六十四页软测量的工程实施软测量的工程实施v实时计算结果的保证在线校正 随时调整模型参数，缩小计算误差 自动适应原料和生产方案的变化 其可靠性依赖于外界因素化验分析的可靠性计算点与采样点的可对比性实时性装置或工况重大变化时的 参数调整 模型升级本讲稿第五十八页，共六十四页数据输入区数据输入区软测量指标软测量指标计算值计算值化验值化

20、验值采样日期与时间采样日期与时间输入确认开关输入确认开关校正开关校正开关软测量的工程实施软测量的工程实施本讲稿第五十九页，共六十四页软测量的工程实施软测量的工程实施v软测量的运行维护相关的过程变量 校表 仪表故障 仪表的准确性参数调整 零点 有关的模型参数 调整时，使用该软测量结果的控制器应处于切除状态本讲稿第六十页，共六十四页软测量的工程实施软测量的工程实施v不同软测量方法的应用实施过程各不相同调整和维护方法各不相同在实际工程中有各自的生命力基于机理模型的方法可以解决一些其它方法无法解决的软测量问题本讲稿第六十一页，共六十四页提纲提纲v软测量技术现状与发展v 化学化学反应过程的软测量v 烷基化过程的软测量v 乙苯脱氢过程的软测量v 精馏过程的软测量v 软测量的工程实施v 总结总结本讲稿第六十二页，共六十四页总结总结v总结软测量是基础软测量的动态性能决定了其是否实用基于机理动态模型的软仪表有其优势工程实践证明了本方法的有效性本讲稿第六十三页，共六十四页谢谢！谢谢！感谢各位光临！本讲稿第六十四页，共六十四页