化工過程工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)測算

1 引言
在化工生產(chǎn)過程中，有許多工藝參數(shù)對(duì)于生產(chǎn)操作和控制十分重要，卻無法利用儀表或直接計(jì)算獲得。利用本文介紹的計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)區(qū)域搜索方法，可解決許多這類參數(shù)的在線計(jì)算問題。以催化裂化生產(chǎn)中催化劑再生過程的動(dòng)態(tài)參數(shù)——氧含量O2%、殘?zhí)糃R、氫碳比HC為例，該方法的主要思路是：首先根據(jù)過程機(jī)理建立煙氣分析計(jì)算模型，對(duì)于O2％、CR、HC在其變化區(qū)域上的一組估值，通過上述計(jì)算模型可推導(dǎo)出O2％、CR、HC的一組新值。可以假定，當(dāng)估值與實(shí)際值十分接近時(shí)，應(yīng)在一定意義下與上述導(dǎo)出值十分接近，從而建立了O2％、CR、HC動(dòng)態(tài)區(qū)域搜索的判定準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了這些參數(shù)的在線測算。
2 過程機(jī)理與計(jì)算公式
再生燒焦反應(yīng)過程包括：焦炭中碳與氧生成CO２：和ＣＯ的平行反應(yīng)過程；在催化劑上形成的ＣＯ，在擴(kuò)散過程中氧化成ＣＯ２的順序反應(yīng)；焦炭中的氫與氧反應(yīng)生成水。

計(jì)算上述反應(yīng)過程中CO、CO2、H2O的生成速率，有以下公式：

包括一次反應(yīng)、二次反應(yīng)的CO生成速度為：r1—r4；包括一次反應(yīng)，二次反應(yīng)，二次反應(yīng)的CO２生成速度為r2+r4。
式中：［C］為催化劑上的碳含量；［H］為催化劑上的氫含量；［Pn］和［PＣＯ］分別為氧分壓和CO分壓；P為再生壓力；W為再生器藏量；Ft是再生器密相床溫度因數(shù)；factor是裝置因數(shù)；k１、k２、k3、k4分別為反應(yīng)速度常數(shù)：

其中：T為反應(yīng)溫度，Ei為活化能指數(shù)，千卡公斤分子kci為常數(shù)，I=l，2，3，4。
再生器中的氧氣是由主風(fēng)帶入的。由于在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1公斤任何氣體約等于22．4NM３即
1KgMol氣體=22．4NM３⑦
因此，由O２、H2O、CO2、N２在空氣中的比例，我們可以得出主風(fēng)帶入再生器的Ｏ２、H2O、CO２、N２分子的公斤摩爾數(shù)。
假定已有O2％、CR、HＣ的一組估值和最新采集到的主風(fēng)量V(NM３)、再生器壓力P(MPa)、密相床溫度T、催化劑藏量W等實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)。依據(jù)上述過程機(jī)理，很容易建立起一套煙氣分析算法。計(jì)算步驟如下：
(1)用⑦計(jì)算新風(fēng)帶入的O2、H2O、CO2、N2等主要成分的量(公斤摩爾數(shù))；
(2)由再生器壓力P和Ｏ２％估值，計(jì)算氧分壓；
(3)用燒焦公式⑤計(jì)算含碳量；
(4)由HＣ估值和含碳量，計(jì)算含氫量；
(5)由含碳量和氧分壓，分別用公式①、②、③計(jì)算一次燒焦過程CO、CO2、H2O剩余氧氣量O2；
(６)計(jì)算一次燒焦后CO分壓，用公式④計(jì)算二次燒焦過程二氧化碳CO2生成量；
(7)分別計(jì)算二次燒焦后，CO、CO2、H2O及剩余氧氣量Ｏ２；
(8)計(jì)算煙氣總量：



3 動(dòng)態(tài)區(qū)域搜索方法
在O2%、CR、HC的化驗(yàn)分析值(O2％，CR，HC)的鄰域內(nèi)隨機(jī)取點(diǎn)，進(jìn)行煙氣分析計(jì)算。大量計(jì)算結(jié)果表明：在化驗(yàn)值附近EE值都相對(duì)很??；反之亦然(概率接近1)。據(jù)此，我們提出了如下的搜索方法：首先找到這樣一個(gè)小區(qū)域，在它里面隨機(jī)地取一定數(shù)目的估值能使偏差EE之和最??；然后在這個(gè)小區(qū)域內(nèi)取一個(gè)使EE最小的估值作為最終估值。
可使用下列兩種方法之一進(jìn)行參數(shù)的在線搜索。其中第一種方法計(jì)算量一般很大。在機(jī)時(shí)緊張等情況下，可使用第二種方法。
(1)網(wǎng)絡(luò)法：將搜索區(qū)域各維坐標(biāo)分別按參數(shù)O2％、CR、HＣ的精度要求的1／2—1／3的長度平分，得到若干估值點(diǎn)；進(jìn)行煙氣分析計(jì)算；選取一定數(shù)目的使EE值較小的估值點(diǎn)(個(gè)數(shù)為估值點(diǎn)總數(shù)的5％左右)，并以每個(gè)點(diǎn)為中心作一適當(dāng)小的鄰域，統(tǒng)計(jì)上述各小鄰域內(nèi)估值的偏差(以計(jì)算)和ΣEE，在使和ΣEE最小的小鄰域內(nèi)取一個(gè)使EE最小的估值作為最終估值。
(2)正交法：將搜索區(qū)域各維坐標(biāo)分別按參數(shù)O2%、CR、HＣ的精度要求的3～6倍的長度平分(適當(dāng)確定平分份數(shù)以優(yōu)化選擇正交表)，得到若干較小的搜索區(qū)域；選擇正交表；在正交表指定的每個(gè)較小的搜索區(qū)域均勻地取若干個(gè)估值點(diǎn)(個(gè)數(shù)視精度要求確定)，進(jìn)行煙氣分析計(jì)算并統(tǒng)計(jì)偏差和ΣEE；分析得出最優(yōu)搜索區(qū)域并驗(yàn)證(這個(gè)最優(yōu)搜索區(qū)域可能還沒計(jì)算過)；在上述最優(yōu)搜索區(qū)域選取一個(gè)使EE最小的估值作為最終估值。
4 結(jié)束語
(1)在勝利煉油廠、玉門煉油廠等幾套催化裂化裝置的優(yōu)化控制系統(tǒng)中，使用這種動(dòng)態(tài)區(qū)域搜索方法對(duì)再生過程工藝參數(shù)氧含量、殘?zhí)?、氫碳比進(jìn)行在線測算。標(biāo)定數(shù)據(jù)表明，測算結(jié)果與化驗(yàn)值比較趨勢(shì)準(zhǔn)確率達(dá)98％以上，平均偏差均在化驗(yàn)操作誤差范圍之內(nèi)，效果令人十分滿意。
(2)本文所述方法實(shí)際上是一種軟測量方法，其特點(diǎn)是：由一些易于獲得的測量信息，借助于動(dòng)態(tài)區(qū)域搜索的方法，實(shí)現(xiàn)某些難以檢測工藝參數(shù)的在線估計(jì)。
(3)如果事先確定參數(shù)的搜索區(qū)域，一般必須很大。但實(shí)際過程通常上是平穩(wěn)進(jìn)行的，因而可將前一次的測算結(jié)果為中心的一個(gè)較小的區(qū)域作為本次測算的搜索區(qū)域。
(4)在上述利用正交分析方法確定“最優(yōu)搜索區(qū)域”時(shí)，應(yīng)注意到三個(gè)估值因素EE值的交互作用，因此必須對(duì)它作交互效應(yīng)的分析。

參考文獻(xiàn)：

［１］陳長貴，等，化工原理［Ｍ］．天津科學(xué)技術(shù)出版社，1993．
［２］裴小軍．一種實(shí)用的生產(chǎn)調(diào)優(yōu)系統(tǒng)［Ｊ］．黑龍江大學(xué)學(xué)報(bào)，1994年1期．