CN105204465A - 乙炔法合成氯乙烯生产过程的在线预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明给出一种实用的乙炔法合成氯乙烯生产过程的在线预警方法。通过利用乙炔、氯乙烯的气相进料温度和流量，以及混合器温度等实际过程在正常工况下的数据，建立数据驱动监控模型。在此基础上，研究分析不同类型故障的特点，并据此设计合理的报警策略。
Description
技术领域
本发明涉及乙炔法合成氯乙烯生产过程的在线预警方法，属于氯碱化工生产过程自动控制领域。
背景技术
聚氯乙烯（PolyvinylChloride，简称PVC）是氯碱工业中一种重要的有机合成材料，广泛用于工业、农业和日常生活中。氯乙烯合成过程是氯碱工业中的关键环节之一，为生产PVC提供基本原料。氯乙烯合成工艺主要分为乙炔法和乙烯法。由于我国特殊的能源结构，乙炔法成为生产氯乙烯单体的主要工艺。截至2008年底，我国基于乙炔法的聚氯乙烯生产能力已经占到全球聚氯乙烯生产能力的25%以上。该工艺利用电石制备乙炔气体，将氯化氢气体与乙炔气体混合，并通过加成反应转化为氯乙烯单体，作为后续聚合反应的原料。
氯乙烯合成反应中游离氯的存在是影响装置安全、平稳运行的主要因素。制备氯化氢气体通常采用氯气与氢气进行合成得到；在实际中，无法精确保证等量的氯气和氢气参与合成反应，因此在合成气中不可避免地会掺杂未反应的氢气或氯气。然而，在混合器中，氯气遇到乙炔气会剧烈反应，大量放热引发爆炸，引起安全事故；因此，在制备氯化氢气体的过程中，需要使一定的氢气过量，保证氯气充分消耗，进而消除游离氯带来的潜在安全隐患。
在实际工业应用中，由于氯化氢制备过程进料扰动等未知因素，过程的控制性能有限，氯气过量存在一定的可能性。若在氯化氢气体中监测到氯气成分，需立即暂停氯化氢与乙炔的混合过程，避免危险进一步扩大。然而，监测氯化氢气体中的氯气成分通常需要依赖人工化验，无法满足实时监控的要求；因此，作为氯乙烯合成过程的最后一道安全防线，有必要对氯化氢与乙炔的混合过程进行实时监控，通过监测混合器温度的变化，尽早预警游离氯引发的放热反应，提前切断气体进料，避免危险与损失进一步扩大。
目前，工业现场对混合器运行状况的判断主要依赖设定温度阈值上限；当混合器温度明显超过阈值，则认为游离氯与乙炔发生了放热反应，进而开启连锁保护措施。然而，工业装置的正常工况具有漂变特性，受环境温度影响较大，与所处的季节有很大关联。因此，设置单一的温度阈值上限仅仅适用于某个特定的工况范围；而在其他工况下，容易引起较高的误报率和漏报率。例如，混合器在冬季的正常工作温度较低，所对应的安全阈值也较低，若将该安全阈值应用至夏季的生产中，则会引起大量的误报警；反之，若将适用于夏季的安全阈值应用至冬季的生产中，则会导致预警的灵敏度降低，无法及时地监测到过程异常的发生。因此，建立一个适用于变化工况下的方案，对混合过程进行在线监测，起到最后一道安全防线的作用，对于保证氯乙烯合成过程整体的安全运行，具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的：给出一种实用的乙炔法合成氯乙烯生产过程的在线预警方法。通过利用乙炔、氯乙烯的气相进料温度和流量，以及混合器温度等实际过程在正常工况下的数据，建立数据驱动监控模型。在此基础上，研究分析不同类型故障的特点，并据此设计合理的报警策略。
本发明的特征在于，所述方法是依次按以下步骤实现的：
步骤A1．通过一个实时数据库分别获取当前时刻i以及上一时刻的乙炔的进料温度（，）和流量（，），氯化氢的进料温度（，）和流量（，），以及混合器温度（，）；
步骤A2．对进料温度变量进行机理变换：
，
，
其中表示氯化氢与乙炔气体热容比值的估计，可根据先验知识或数据分析得到。
步骤A3．对数据进行必要的归一化处理。
步骤A4．构造i时刻的归一化后过程变量的差分变化：
，
并更新第三个变量的连续上升长度：
步骤A5．得到i时刻的监控统计量（记为），以及第一个和第二个变量对监控统计量的贡献统计量的大小（分别记为和）：
，
，
，
其中，、和为半正定对称阵，均由建模过程确定。
步骤A6．根据上述3个统计量与其对应的阈值，和它们在上一时刻的连续报警长度，更新当前时刻的连续报警长度：
，
，
，
其中，、和分别代表在i时刻、和的连续报警长度。、和分别代表统计量、和的报警阈值，均由建模过程确定。
步骤A7．根据如下逻辑判断混合器中是否存在游离氯引发的放热反应：
若，且，则认为混合器发生异常，温度明显升高；进一步地，若，则排除由于进料温度波动引发的异常，认为存在游离氯引发的放热反应，并启动连锁保护措施。其中、、和为对应的阈值，均由建模过程确定。
附图说明
图1是本发明实施例的乙炔法合成氯乙烯生产过程的在线预警方法方案流程图。
图2是本发明实施例的在乙炔法合成氯乙烯生产过程的在线预警方法在上位机中实现的一种方式。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例的技术方案提供乙炔法合成氯乙烯生产过程的在线预警方法，所述方法包括以下步骤：在线数据实时采集；对变量进行机理变换；对变量进行必要的归一化处理；计算变量的差分变化；计算监控统计量及变量贡献统计量；确定3个统计量对应的连续报警长度；根据逻辑确定混合器中是否存在游离氯，决定是否开启连锁保护，送DCS控制系统使用。
本发明的总体实现方案流程图见附图1，包含以下步骤：
步骤A1．通过一个实时数据库分别获取当前时刻i以及上一时刻的乙炔的进料温度（，）和流量（，），氯化氢的进料温度（，）和流量（，），以及混合器温度（，）；
步骤A2．对进料温度变量进行机理变换：
，
，
其中表示氯化氢与乙炔气体热容比值的估计，可根据先验知识或数据分析得到。
步骤A3．对数据进行必要的归一化处理。
步骤A4．构造i时刻的归一化后过程变量的差分变化：
，
并更新第三个变量的连续上升长度：
步骤A5．得到i时刻的监控统计量（记为），以及第一个和第二个变量对监控统计量的贡献统计量的大小（分别记为和）：
，
，
，
其中，、和为半正定对称阵，均由建模过程确定。
步骤A6．根据上述3个统计量与其对应的阈值，和它们在上一时刻的连续报警长度，更新当前时刻的连续报警长度：
，
，
，
其中，、和分别代表在i时刻、和的连续报警长度。、和分别代表统计量、和的报警阈值，均由建模过程确定。
步骤A7．根据如下逻辑判断混合器中是否存在游离氯引发的放热反应：
若，且，则认为混合器发生异常，温度明显升高；进一步地，若，则排除由于进料温度波动引发的异常，认为存在游离氯引发的放热反应，并启动连锁保护措施。其中、、和为对应的阈值，均由建模过程确定。
在实施步骤A1~A7中所述的模型参数（，，，，，，，，，，，，，，，），其建立过程包括如下步骤：
步骤B1．采集在正常工况下连续采样的的N个乙炔进料温度和流量，氯化氢的进料温度和流量，以及混合器温度的时间序列样本（）。
步骤B2．对进料温度变量进行机理变换：
，
，
其中表示氯化氢与乙炔气体热容比值的估计，可根据先验知识或数据分析得到。
步骤B3．在步骤A3中用到的均值及标准差由下式确定：
步骤B4．对变量进行归一化处理：
步骤B5．对每一时刻，构造过程变量如下：
步骤B6．构造矩阵A、B如下：
其中，。
步骤B7．求解如下广义特征值问题：
，
其中的对角线包含所有的广义特征值，按照大小关系升序排列。
步骤B8．选取M个最小的广义特征值，构造半正定对称阵、和如下：
其中，为矩阵的前M列，为M个最小的广义特征值组成的单位阵，和分别代表3阶单位阵的第1列和第2列。
步骤B9．得到N个时刻的监控统计量，以及第一个和第二个变量对统计量的贡献统计量的大小：
，
，
.
步骤B10．阈值，，分别确定为集合的上侧q分位数。一般来说，q代表了阈值的统计显著性水平，可根据需要取一个较小的值，例如0.005。
步骤B11．计算N个时刻的连续报警长度（）：
，
，
.
步骤B12．结合先验知识，在N个时刻中搜寻进料温度波动明显异常，而引发混合器温度异常的数据段。设置、、分别为该阶段、和的最小值，以区分正常工况。可由用户主观设定，即正常工况下，混合器温度持续上升时间可能的最大值，以区别于异常工况。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。本发明中的数据采集和处理以及计算可以在DCS上实现，也可以通过上位机实现。图2是在上位机中实现的一种方案。报警模块通过实时数据库或通过OPC（OLEforProcessControl）方式获取过程数据，计算完成后将报警信息在上位机显示或送入DCS显示。
Claims (1)
1.乙炔法合成氯乙烯生产过程的在线预警方法，其特征在于，所述方法是依次按以下步骤实现的：
步骤A1．通过一个实时数据库分别获取当前时刻i以及上一时刻的乙炔的进料温度（，）和流量（，），氯化氢的进料温度（，）和流量（，），以及混合器温度（，）；
步骤A2．对进料温度变量进行机理变换：
，
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其中表示氯化氢与乙炔气体热容比值的估计，可根据先验知识或数据分析得到;
步骤A3．对数据进行必要的归一化处理；
步骤A4．构造i时刻的归一化后过程变量的差分变化：
，
并更新第三个变量的连续上升长度：
,
步骤A5．得到i时刻的监控统计量（记为），以及第一个和第二个变量对监控统计量的贡献统计量的大小（分别记为和）：
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，
，
其中，、和为半正定对称阵，均由建模过程确定;
步骤A6．根据上述3个统计量与其对应的阈值，和它们在上一时刻的连续报警长度，更新当前时刻的连续报警长度：
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其中，、和分别代表在i时刻、和的连续报警长度;、和分别代表统计量、和的报警阈值，均由建模过程确定;
步骤A7．根据如下逻辑判断混合器中是否存在游离氯引发的放热反应：
若，且，则认为混合器发生异常，温度明显升高；进一步地，若，则排除由于进料温度波动引发的异常，认为存在游离氯引发的放热反应，并启动连锁保护措施;其中、、和为对应的阈值，均由建模过程确定。
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- 2015-09-21 CN CN201510602437.7A patent/CN105204465B/zh active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |