CN101284801A - 丙烯腈生产装置及其控制反应器温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种丙烯腈生产装置及其控制反应器温度的方法，包括GPC控制器和PID进料控制回路，GPC控制器的输出端与PID进料控制回路的输入端连接。进行温度控制时，首先根据反应器的设定温度信息和实际温度信息，采用GPC控制算法对反应器的进料流量的设定值进行修正，得出进料流量的实际设定值；之后再通过PID算法对进料流量进行调节，实现对反应器温度的控制。可以使反应器温度控制稳定，执行机构变化平稳、使用寿命长。

Description

丙烯腈生产装置及其控制反应器温度的方法

技术领域

本发明涉及一种丙烯腈生产设备及工艺，尤其涉及一种丙烯腈生产装置及其控制反应器温度的方法。

背景技术

丙烯腈是生产聚丙烯腈纤维的主要原料，有着广阔的市场空间。

现有技术中的丙烯氨氧化法生产工艺，是在流化床反应器中，丙烯、氨、空气在催化剂的作用下生成丙烯腈和其它副产物。丙烯腈生产工艺流程大致分为五个部分：合成、分离、后处理、乙腈、硫氨。

丙烯腈生产装置的核心是一个流化床反应器。液态丙烯和液态氨进入丙烯腈生产装置，经过丙烯、氨蒸发系统后，形成两股气体在流化床反应器入口处混合并与来自空气压缩机的空气一起进入流化床反应器底部。当反应气体通过流化床反应器时，在催化剂作用下发生强放热反应，生成丙烯腈。反应产物和未反应的气体通过旋风分离器从流化床反应器上端出口流出。流化床反应器出口气体中包含有未反应的氨、丙烯和氧气，以及氮气、丙烯腈、乙腈、氢氰酸、二氧化碳、一氧化碳、水蒸汽和少量的其它物质。这些热的反应气体通过一台换热器，一方面加热流化床反应器蒸汽盘管中所用锅炉水，一方面反应气体本身被冷却到250℃左右。

流化床反应器释放出来的热一部分用来维持反应正常进行，另外一部分热量通过垂直安装于流化床反应器内的蒸汽盘管(U形管)来生产高压蒸汽。流化床反应器温度的控制是通过增加或减少使用饱和蒸汽盘管的数量，或调节反应器的进料量来实现的。根据工艺分析和操作经验可以知道，影响丙烯腈流化床反应器的反应温度的主要因素有：丙烯进料、氨进料、空气进料、反应压力、撤热水温度和流量等。

反应温度是丙烯氨氧化生成丙烯腈的一个重要条件。反应温度的变化对丙烯转化率、丙烯腈收率、氰氢酸收率和乙腈收率及催化剂活性都有影响。当反应温度在350℃以下时，几乎不生成丙烯腈。较高的反应温度对丙烯腈的生成有利，温度升高时，丙烯转化率、丙烯腈收率提高，而副产物乙腈和氢氰酸收率有所下降；但温度过高时丙烯腈收率不再增加，二氧化碳副产物却大量生成，甚至造成燃烧和催化剂寿命急剧降低。

由于丙烯腈流化床反应器的反应温度与丙烯的转化率、丙烯腈收率、催化剂寿命等直接相关，同时，为了后期流化床反应器在线操作优化工作的实施，因此，必须对流化床反应器反应温度进行稳定控制。

现有技术中，在流化床反应器的控制系统中，流化床反应器的温度控制手段有两个方面：一是对于较大的温度调节靠增加或减少蒸汽盘管的数量或改变其型号来维持；二是正常生产阶段靠微量调节丙烯进料量来实现。由于流化床反应器温度微调采用调节丙烯进料流量来完成，所以温度与进料配比相互之间有很大影响。

目前，丙烯腈流化床反应器温度控制系统是由典型的串级控制系统和多闭环的比值调节系统构成。该系统由一个反应器温度和丙烯流量组成的串级控制回路、一个丙烯流量/氨流量的比值调节回路和一个丙烯流量/空气流量的比值调节回路构成。这三个调节回路互相独立又互相关联。将流化床反应器的温度作为被控的主参数，三进料量为副参数，在蒸汽盘管投用数量一定的情况下，通过手动控制和PID控制调节进料量来稳定反应器温度，形成反应器温度与丙烯流量的串级控制，而氨流量和空气流量均随丙烯流量的变化而变化，构成闭环的比值调节系统。

上述现有技术至少存在以下缺点：

流化床反应器温度控制很不稳定。同时，丙烯进料PID控制器的控制量变化频繁，加重了执行机构的负担，缩短了执行机构的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种反应器温度控制稳定，执行机构变化平稳、使用寿命长的丙烯腈生产装置及其控制反应器温度的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的丙烯腈生产装置，包括反应器，所述反应器设有温度控制回路，所述温度控制回路包括GPC控制器和进料控制回路，所述GPC控制器的输出端与所述进料控制回路的输入端连接。

本发明的上述的丙烯腈生产装置控制反应器温度的方法，包括步骤：

首先，采集反应器的设定温度信息和实际温度信息，并根据该信息采用GPC控制算法计算所述反应器的进料流量的调节值；

然后，将所述进料流量的调节值与设定值相加，所得的值作为所述进料流量的实际设定值；

之后，根据所述反应器的设定温度信息和实际温度信息对所述进料流量进行调节，实现对所述反应器温度的控制。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的丙烯腈生产装置及其控制反应器温度的方法，由于温度控制回路包括GPC控制器和进料控制回路，GPC控制器的输出端与进料控制回路的输入端连接。进行温度控制时，首先根据反应器的设定温度信息和实际温度信息，采用GPC控制算法对反应器的进料流量的设定值进行修正，得出进料流量的实际设定值；之后再根据反应器的设定温度信息和实际温度信息对进料流量进行调节，实现对反应器温度的控制。反应器温度控制稳定，执行机构变化平稳、使用寿命长。

附图说明

图1为本发明的丙烯腈生产装置中的反应器温度控制回路的原理框图；

图2为本发明中温度控制回路的数据通讯原理框图；

图3为本发明中GPC控制软件的流程图；

图4为现有技术中未运行GPC控制时的反应器温度曲线示意图；

图5为本发明中运行GPC控制时的反应器温度曲线示意图。

具体实施方式

本发明的丙烯腈生产装置，其较佳的具体实施方式如图1所示，包括反应器，反应器设有温度控制回路，温度控制回路包括GPC控制器和进料控制回路。GPC控制器的输出端与进料控制回路的输入端连接，二者构成串级控制回路。

进行温度控制时，首先由GPC控制器根据反应器的温度信息，采用GPC控制算法对反应器的进料流量的设定值进行修正，得出进料流量的实际设定值；之后再由进料控制回路对进料流量进行调节，实现对反应器温度的控制。通过两级控制，可以使反应器温度控制稳定，执行机构变化平稳、使用寿命长。

具体进料控制回路可以包括丙烯进料控制回路、氨气进料控制回路和空气进料控制回路，三条控制回路相互并联。丙烯进料控制回路、氨气进料控制回路和空气进料控制回路上分别设有丙烯进料PID控制器、氨气进料PID控制器和空气进料PID控制器，可以对丙烯进料、氨气进料和空气进料流量分别进行调节。

本发明的上述的丙烯腈生产装置控制反应器温度的方法，包括步骤：

首先，采集反应器的设定温度信息和实际温度信息，并根据该信息采用GPC控制算法计算所述器的进料流量的调节值；

然后，将计算所得的进料流量的调节值与设定值相加，所得的值作为进料流量的实际设定值；

之后，以进料流量的实际设定值为基准，根据反应器的设定温度信息和实际温度信息对进料流量进行调节，实现对反应器温度的控制，可以通过PID算法对进料流量的调节值进行计算。

在计算进料流量的实际设定值时，可以首先计算丙烯进料流量的实际设定值；

然后，根据氨烯比和空烯比分别计算氨气和空气进料流量的实际设定值；

之后，根据计算的结果对丙烯、氨气和空气的进料流量分别进行调节。

其中，实际温度信息包括反应器的实际温度值和温度的变化率等；设定温度信息包括设定温度值和温度的控制范围等。

因为工业过程比较复杂，难以建立精确的数学模型。又因为生产环境的改变和外来干扰的影响，使得精心建立的精确模型并不能很好地描述实际的被控对象。因而，有时根据这种精确模型提出的最优控制方案不能奏效，甚至难以达到预期的理想效果。所以在目前的工业过程控制中，通常并不追求理想的最优控制效果，而更关心保持良好的控制性能。工业过程控制中常用的是PID控制、前馈控制等，其功能多半是模拟调节器的数字化过程，控制规律没有太大的改变。

GPC控制(广义预测控制，Generalized Predictive Control)是一种新型的计算机控制算法。广义预测控制可以采用递推方法避免Diophantine方程在线求解，但还是要进行高维矩阵运算，包括矩阵求逆运算，计算量非常大，况且有时矩阵不可逆，不利于在线实施。

为简化计算，在实际应用中，在实际控制系统运行时，应尽量减小控制量的变化波动，可以通过阶梯式控制策略，以减少计算量，即预测的若干步控制量增量遵循一个比例系数：Δu_t+1/Δu_t＝β，其中Δu_t+1和Δu_t分别为预测的t+1时刻和t时刻的控制量增量。

这样控制量呈现阶梯状，变化稳定均衡，避免了矩阵的在线求逆，计算也因此大为简化。阶梯式控制，就是对未来控制量的变化加以约束，强迫未来控制量以一阶指数响应曲线的形式变化。当β＝1时，每一步控制量都相同，控制量的变化呈台阶状。在控制工程中，控制量不宜变化频繁，变化幅度不宜过大，一段时间内应当向一个方向变动。当β＞1时，未来控制量增量递增，表明更希望在未来时刻改变控制量，响应速度较慢，控制量平缓；当β＜1时，未来控制量增量递减，表明更希望在当前时刻改变控制量，响应速度较快。β的取值应在被控系统的快速性与平稳性之间取折衷。

本发明在不改变原有的控制结构的基础上，增加了一个广义预测控制器GPC以改善控制品质，其控制量为丙烯进料量的调整值，这个调整值与丙烯进料量的设定值(车间生产任务决定)相加作为实际的丙烯进料PID回路实际设定值，通过微量的丙烯流量变化达到调整反应器温度的效果。同时通过实际的丙烯进料实际设定值、氨烯比和空烯比来计算氨进料和空气进料PID回路的实际设定值，调整氨和空气的进料量。

本发明的丙烯腈装置的温度控制回路的数据通信原理，如图2所示：

现有技术中的丙烯腈装置包括DCS(Distributed Control System，集散控制系统)，可以采用美国EMERSON公司的Delta V集散控制系统。Delta V集散控制系统主要由工程师站(Profession Plus)、OPC Server服务器及多个操作站(Operator Station)构成，同时还可以包括AMS设备管理系统、事件记录服务器、网络服务器(Web Server)、历史信息管理服务器(Historian+MIS)等；可以通过应用控制器(Controller)参与现场过程控制。

本发明开发了一个丙烯腈反应器温度阶梯式GPC控制软件，为了实现操作优化，且不影响原有的DCS系统，可以在DCS系统上扩展一台单独的上位机——先进控制站，将丙烯腈反应器温度阶梯式GPC控制软件整合到先进控制站中。由于Delta V集散控制系统整合了OPC服务器，所以先进控制站和DCS系统之间的数据通讯可由OPC标准接口完成。

如图3所示，本发明中，丙烯腈反应器温度阶梯式GPC控制软件流程的具体实施例，包括：

步骤1、初始化及控制参数设置：

可以包括预测步长、控制步长、阶梯因子、柔化因子、权重因子等，及模型各项参数、程序控制参数等；

还可以包括预测运算预置数据(一定长度的输入输出序列)、计算柔化轨迹等；

可以是上述参数中的一种或多种参数。

步骤2、获取当前周期实时数据：

包括读取当前丙烯流量的设定值和反应器温度的数据信息，以及其它需要的数据信息；

步骤3、预测控制计算：

首先，计算“控制量”，即丙烯流量的调整值，该调整值与设定值相加，所得的值为丙烯流量的实际设定值；

然后，根据氨烯比和空烯比计算出氨气的实际设定值和空气的实际设定值。

步骤4、将丙烯实际设定值、氨气实际设定值和空气的实际设定值的输出，并等待下一周期。

本发明中的GPC控制软件程序的编写可以按照模块化设计原则和面向对象的方法来实现，包括递推最小二乘辨识算法、丢番图方程求解、阶梯式广义预测控制算法等拆分的单独模块，可以在其它程序中实现代码共享。具体可以包括以下模块：

实时数据采集模块：

通过数据缓冲器(Data Buffer Pool)获取从OPC CLIENT的实时数据，并按不同的采样要求进行分类和存储；通过对采集的数据进行有效性检查、漏失数据的弥补、滤波、归一化处理，以备优化和控制使用。

模型辨识模块：

采用渐消记忆的递推最小二乘算法辨识模型。

假设系统对象可写成：

$y\left(k\right)=-a_{1}y(k-1)-\·\·\·-a_{n_a}y(k-n_a)+b_{1}u(k-d-1)+\·\·\·+b_{n_b}u(k-d-n_b).$

对象的输入为丙烯进料量，单位为NM3/h，其值范围在0～2300；对象的输出为反应器温度的测量值，单位为℃，其值范围在426～428。采用渐消记忆的递推最小二乘算法辨识模型，其算法为：

$K\left(k\right)=\frac{P(k-1)x\left(k\right)}{\mathrm{\λ}+x^T\left(k\right)P(k-1)x\left(k\right)},\widehat{\mathrm{\θ}}\left(k\right)=\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)+K\left(k\right)[y\left(k\right)-x^T\left(k\right)\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)],$

$P\left(k\right)=\frac{1}{\mathrm{\λ}}[P(k-1)-K(k-1)x^T\left(k\right)P(k-1)],$ 其中λ∈(0，1]为遗忘因子。

${\mathrm{\θ}}^T=[a_1,\·\·\·,a_{n_a},b_1,\·\·\·,b_{n_b}],$

x^T(k)＝[-y(k-1)，...，-y(k-n_a)，u(k-d-1)，...，u(k-d-n_b)]。采用渐消记忆的递推最小二乘算法在线辨识模型，每一次辨识收敛并得到合理的辨识结果后，控制器将更新对象的数学模型，再重新进行控制律的设计。

通过改变丙烯进料负荷，观察负荷开始调整时间和反应温度变化时间确定模型纯滞后时间，并通过相关系数法再次确认纯滞后步数。

GPC参数设置模块：

实现基于阶梯式广义预测控制的反应器温度的自动控制；包括预测步长、控制步长、柔化因子、阶梯因子、控制量变化量的权重、控制量的上下限、控制量每步限幅、控制量变化限幅的设置功能。

GPC模型参数设置模块：预测控制模型参数的设置功能。

GPC控制算法模块：阶梯式广义预测控制的算法实现。

为了便于查询，在GPC控制软件的运行过程中产生一系列的中间数据文件，并且所有文件都采用系统文件的格式进行文件读写。考虑到随着时间的推移，产生的数据会逐渐失去其应有的意义，因此这些文件均采用环状结构，当达到一定的数据量以后，就进入循环，以新数据代替无效的旧数据，这样既保证数据量充足，又避免了数据文件的无限扩大。

本发明在设计GPC控制器时，还可以考虑以下原则：

1)安全性、可靠性：操作人员对手动及PID控制比较熟悉，有一定操作经验，但对GPC控制比较陌生，所以实现预测控制时要充分考虑操作人员的适应性。

具体可以保留原PID控制及手动控制。当切换到GPC控制时，通过GPC控制操作实现GPC控制和PID控制；当需要切换回PID控制时，或者在GPC控制出现意外的情况下，可以人为手工切换到PID控制，保证装置可靠运行。

2)友好性：GPC控制器的人机界面可以采用外观与PID控制器相似的设计，显示控制器的设定值、控制量的输出值、测量值等，可以很方便地调整控制器参数。

3)有效性：采用GPC控制时应尽可能减少人工干预。GPC控制器能对一些不良情况(如反应器温度的异常设定、丙烯流量和氨流量的异常设定)进行自动处理，以方便使用。

本发明提供了在线修改参数的功能，这样在投运过程中也可以很方便地不断在线调整参数，实现对反应器温度的控制。可以使反应器温度控制稳定，执行机构变化平稳、使用寿命长。

如图4所示，在没有运行阶梯式GPC控制前，反应器温度的控制靠人工手动调节丙烯进料量，反应温度很不稳定。图中，温度图的纵坐标跨度是1.6℃，横坐标为时间(刻度单位为小时)。可以看出没有运行阶梯式GPC控制时反应温度的波动较大，波动范围有1.67℃，并且温度很不稳定，超过了催化剂的温度范围(426℃～428℃)，影响了催化剂的使用寿命。

如图5所示，在运行GPC控制后，温度图的纵坐标跨度是1.6℃，横坐标为时间(刻度单位为小时)。可以看出投用GPC控制时反应器温度的波动较小，波动范围只有0.43℃，反应器温度十分稳定，一直都处在催化剂温度范围中。反应器温度平均值为427.40℃，标准差为0.07。

对不投用GPC控制和连续投用GPC控制各一周的数据分析表明，在反应器温度控制品质提高的同时，丙烯腈收率也提高了0.3228％。

本发明实现了丙烯腈流化床反应器温度的预测控制，很好的解决了由反应器进料流量波动、反应压力变化等因素引起的反应温度的大幅波动问题，提高了反应器温度的控制品质，同时也提高了丙烯腈收率，取得了巨大的经济效益。

本发明增加了一个广义预测控制器以改善控制品质。其控制量为丙烯进料量的调整值，这个调整值与丙烯进料量的设定值(车间生产任务决定)相加作为实际的丙烯进料PID回路设定值，通过微量的丙烯流量变化达到调整反应器温度的效果。同时通过实际的丙烯进料、氨烯比和空烯比来计算氨进料和空气进料PID回路的实际设定值，调整氨和空气的进料量。本发明中流化床反应器温度广义预测控制器在不改变原有控制系统结构的基础上加入，和原有的丙烯流量控制回路一起构成串级控制，以提高反应温度控制品质。实际运行结果表明，该方案实施具有很好的控制效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种丙烯腈生产装置，包括反应器，所述反应器设有温度控制回路，其特征在于，所述温度控制回路包括GPC控制器和进料控制回路，所述GPC控制器的输出端与所述进料控制回路的输入端连接。

2、根据权利要求1所述的丙烯腈生产装置，其特征在于，所述进料控制回路包括相互并联的丙烯进料控制回路、氨气进料控制回路和空气进料控制回路。

3、根据权利要求2所述的丙烯腈生产装置，其特征在于，所述丙烯进料控制回路、氨气进料控制回路和空气进料控制回路上分别设有丙烯进料PID控制器、氨气进料PID控制器和空气进料PID控制器。

4、一种权利要求1、2或3任一项所述的丙烯腈生产装置控制反应器温度的方法，其特征在于，包括步骤：

首先，采集反应器的设定温度信息和实际温度信息，并根据该信息采用GPC控制算法计算所述反应器的进料流量的调节值；

然后，将所述进料流量的调节值与设定值相加，所得的值作为所述进料流量的实际设定值；

之后，根据所述反应器的设定温度信息和实际温度信息对所述进料流量进行调节，实现对所述反应器温度的控制。

5、根据权利要求4所述的控制反应器温度的方法，其特征在于，计算所述进料流量的实际设定值时，首先计算丙烯进料流量的实际设定值；

然后，根据氨烯比和空烯比分别计算氨气和空气进料流量的实际设定值；

之后，根据计算的结果对丙烯、氨气和空气的进料流量分别进行调节。

6、根据权利要求4或5所述的控制反应器温度的方法，其特征在于，计算出所述进料流量的实际设定值后，对所述进料流量进行调节时，通过PID算法对所述进料流量的调节值进行计算。

7、根据权利要求4或5所述的控制反应器温度的方法，其特征在于，所述实际温度信息包括所述反应器的实际温度值和温度变化率。

8、根据权利要求4或5所述的控制反应器温度的方法，其特征在于，所述设定温度信息包括所述设定温度值和温度控制范围。

9、根据权利要求4所述的控制反应器温度的方法，其特征在于，所述GPC控制算法包括步骤：

A、初始化及控制参数设置，包括以下参数中的一种或多种参数设置：预测步长、控制步长、阶梯因子、柔化因子、权重因子、模型参数、程序控制参数、预测运算预置数据、计算柔化轨迹；

B、获取当前周期实时数据：包括读取当前丙烯流量的设定值和反应器的温度信息；

C、预测控制计算，具体包括计算所述丙烯流量的实际设定值、氨气流量的实际设定值和空气流量的实际设定值；

D、将所述丙烯流量的实际设定值、氨气流量的实际设定值和空气流量的实际设定值的输出，并等待下一周期。

10、根据权利要求9所述的控制反应器温度的方法，其特征在于，所述GPC控制算法的软件安装于单独的上位机中。

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