CN109358579A - 等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制系统，包括：数据实时采集单元，实时采集等离子体裂解煤制乙炔生产过程的生产数据；先进控制单元，包括控制反应工段的专家控制模块和控制分离工段的模型预测控制模块；协调控制单元，根据当前生产状态的评估结果，协调专家控制模块的专家控制方案与模型预测控制模块的MPC参数；评估单元，根据所述数据实时采集单元采集的生产数据，评估当前生产状态的优劣。本发明还公开了基于所述全流程协调控制系统进行全流程协调控制的方法。本发明达到等离子体裂解煤制乙炔生产过程上下游工段协调控制的效果，且解决了煤制乙炔过程或类似过程中上下游工段动态响应特性差异大的问题。

Description

等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制系统及 方法

技术领域

本发明涉及化工过程控制领域，尤其涉及一种等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制系统及方法。

背景技术

乙炔是一种重要的基础化工原料。目前工业大量制取乙炔的方法主要是水解电石法。但是这种方法工艺流程长，对生成设备要求高，制取过程能耗大，需要投入大量的电能和优质兰炭，成本较高，并排放废水、毒气、电石渣等污染物。

等离子体是大量带电粒子组成的非凝聚系统，是物质的第四态，其基本组成为：带负电粒子(如电子)、带正电粒子(如离子)和中性粒子。热等离子体可以起到高温热源和化学活性粒子源的双重作用，因为等离子态的各种物质微粒具有极强的化学活性，所以可以在无催化剂存在的条件下加速反应进程，并提供吸热过程所需的能量，因此可以高效率、低能耗地实现烃类的裂解。

等离子体裂解煤制乙炔的技术研究越来越受到关注。等离子体裂解煤制乙炔的工艺流程包括：反应工段、淬冷工段、除尘工段和分离工段。在等离子发生器气体入口通入工作气体氢气后施加电源，并以高速喷入等离子反应器中产生等离子弧，形成高温等离子场。氢气和煤粉作为煤粉气流经余热换热器预热后，把煤粉喷入等离子反应器的热离子场进行反应。生成的混合气体经过水汽换热器淬冷后进入气固分离器进行气、固分离，分离出的煤灰落入封闭的煤灰槽中，分离出的混合气体在布袋除尘器中进行细飞灰的分离，分离后的飞灰进入封闭的飞灰槽中，分离出的合成气作为合成气产品输出进一步处理。

在等离子裂解煤制乙炔的全流程生产过程中，如何建立协调控制的方法，是长期未得到解决的问题。煤制乙炔反应流程机理复杂，反应温度较高，属于毫秒级反应，难于直接实施控制，而且其生成的裂解气流量与组分存在波动，会影响下游装置的稳定运行。气体分离工段包含多塔串联，塔内以及塔与塔之间耦合明显。传统的集中式控制和分散式控制结构简单，系统可扩展性差，而且集中控制对控制器的性能要求极其高，尤其在耦合强的大系统里，分散控制系统在系统耦合关联性强的时候，不能很好发挥作用。

煤制乙炔的全流程生产是一个具有不确定性的复杂多变量被控对象，虽然各个工段自身都有各自的调节系统，但是考虑到联合运行的特点，必须使它们保持协调的运行方式，使得煤制乙炔全流程生产装置能够尽快适应系统变负荷、多扰动的生产情况，同时保证系统的安全稳定运行，在煤制乙炔的生产投运过程中，往往采取分工段调试的方法，但各工段间的控制效果分别达到最优往往并非全流程控制效果的最优，因此为煤制乙炔全流程设计协调调度系统显得至关重要。

发明内容

本发明提供了一种等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制系统及方法，通过选择适应于等离子反应器生产状态的下游控制方案，来控制下游分离工段的被控变量，达到上下游工段协调控制的效果，以应对生产过程中上游工段对下游工段造成的不确定性的影响，且在此过程中，控制方案的改变，考虑了上游响应迅速，下游响应缓慢的特殊性。

具体技术方案如下：

一种等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制系统，包括：

数据实时采集单元，实时采集等离子体裂解煤制乙炔生产过程的生产数据；

先进控制单元，包括控制反应工段的专家控制模块和控制分离工段的模型预测控制模块(MPC)；

协调控制单元，根据当前生产状态的评估结果，协调专家控制模块的专家控制方案与模型预测控制模块的MPC参数；

评估单元，根据所述数据实时采集单元采集的生产数据，评估当前生产状态的优劣。

所述的数据实时采集单元可以为DCS。

等离子体裂解煤制乙炔的工艺流程包括：反应工段、淬冷工段、除尘工段和分离工段，其中仅有反应工段(等离子反应器)和气体分离工段的生产过程相互耦合、相互作用，煤制乙炔生产过程中，等离子反应器输出裂解气流量增加时，在裂解气分离工段的换热系统中，蒸汽流量需求也相应增加，因此本发明仅考虑对反应工段与分离工段进行协调控制。

反应工段反应快、惯性小、不确定性较大。专家控制是在传统控制的基础上引入专家规则，通过对控制领域知识(先验知识、动态信息获取、目标等)的获取与组织，并且能够恰当选择规则加入现实控制系统，这种手段能很好解决反应工段的不确定性等问题。

模型预测控制(MPC)是一种控制形式，通过在每个采样时刻在线求解有限时域的水平开环最优控制问题来获得控制动作。将过程的当前状态作为初始状态，解得的最优控制序列只实施第一个控制作用。这种方式具有控制效果好、鲁棒性强等优点，可有效地克服过程的不确定性、非线性和并联性，并能方便的处理过程被控变量和操纵变量中的各种约束。

所述的先进控制单元中，采用模型预测控制模块控制煤制乙炔生产过程的气体分离工段；模型预测控制模块根据协调控制单元传送的MPC参数集指令，生成与协调控制单元指令相同的MPC控制信号，直接控制现场被控对象。

本发明中，先进控制单元包括控制反应工段的专家控制模块和控制分离工段的模型预测控制模块，其中模型预测控制模块，针对分离工段相对反应器工段的响应缓慢的特点进行控制，使系统响应趋于迅速，平稳，减少了两个工段响应时间的差，在一定程度上克服了裂解气分离工段响应缓慢，难以与上游工段协调生产的控制问题。

本发明通过协调控制单元，选择适应于等离子反应器生产状态的下游控制方案，控制等离子裂解煤制乙炔气体分离工段的被控变量，达到上下游工段协调控制的效果，以应对生产过程中上游工段对下游工段造成的不确定性的影响。

所述的协调控制单元包括：

过程监测子模块，根据当前的生产数据，判断专家控制模块当前所采取的专家控制方案；

过程分析子模块，由规则库和指令库组成；所述规则库中存储专家控制模块的专家控制方案、模型预测控制模块的MPC参数集以及专家控制方案与MPC参数集之间的映射规则；所述指令库中存储专家控制模块的专家控制方案以及模型预测控制模块的MPC参数集，根据规则选择子模块的选择，向专家控制模块和模型预测控制模块下达指令；

规则选择子模块，根据评估单元对当前生产状态的评估结果，协调专家控制方案与MPC参数集。

所述规则库中，专家控制方案与MPC参数集的数量相等；专家控制方案的排序原则为：按照等离子体反应器裂解气出料的乙炔浓度由小到大排序；MPC参数集的排序原则为：按照乙炔解吸精馏塔塔顶出料温度由小到大排序。

所述规则选择子模块采用模块中自定义的控制方案与MPC参数集之间的映射规则协调专家控制方案与MPC参数集；协调规则为IF-THEN规则，定义为：

IF X_i THEN Y_i

其中，X_i为专家控制模块采用的专家控制方案；Y_i为下达至模型预测控制模块的MPC参数集；i＝1，2，...，M。

X_i＝{i，Q_i}，Q_i为专家控制方案控制下裂解气中乙炔浓度；Y_i＝{i，[Q_D，Q_U]，[T_D，P_D]}，[Q_D，Q_U]为模型预测控制模块的工作点，Q_D为工作浓度的下限，Q_U为工作浓度的上限，T_D为模型预测控制模块控制下的乙炔产品温度，P_D为模型预测控制模块控制下乙炔产品的压力；i＝1，2，...，M。

协调专家控制方案与MPC参数集的协调规则包括：

a)正向规则：当专家控制方案为X_c，j时，规则选择子模块选择指令库中的Y_c，j；当专家控制方案为X_d，k时，规则选择子模块选择指令库中的Y_d，j；

X_c，j和X_d，k分别为使等离子体反应器裂解气出料的乙炔浓度Q升高和降低的专家控制方案；Y_c，j和Y_d，j分别为使乙炔解吸精馏塔塔顶出料温度上升和下降的MPC参数集；j＝1，2，...，N，k＝1，2，...，M-N；

规则选择子模块的正向规则为选择与当前专家控制方案X_n下标相同的MPC参数集合Y_n。

b)保持规则：当T_dif，R大于等于阈值T_M，R时，保持当前专家控制模块所选择的专家控制方案不变；

仅当数据采集模块采集得到的T_dif，R小于阈值T_M，R时，评估模块反馈气体分离工段的动态响应结束，可以进行下一次控制方案选择；

其中，T_dif，R为乙炔解吸精馏塔塔顶实时出料温度T_R与当前所选定的MPC参数集中乙炔解吸精馏塔塔顶出料温度T_D的差值；

保持规则用以保证裂解气分离工段在平稳状态下运行。

c)反向规则：当T_dif，D大于阈值T_M，D时，若T_D高于T_UP，则规则选择子模块选择指令库中使Q相对于当前方案降低的专家控制方案，若T_D低于T_DOWN，则规则选择子模块选择规则库中使Q相对于当前方案升高的专家控制方案，反向规则实施后，重新进行正向规则的选择；

T_dif，D为T_D与标准工况温度的差值；T_UP为精馏塔塔顶出料的温度上限值；T_DOWN为精馏塔塔顶出料的温度下限值；

d)匹配规则：正向协调时，若当前MPC参数对分离工段的控制状态不佳，需对规则选择子模块中的映射规则进行修改时，MPC参数集合Y_n所需要的工作点范围即为专家控制方案X_n中定义的输出，即裂解气中乙炔浓度Q，X_n定义的输出应匹配Y_n的工作范围，否则规则选择子模块将不会将两者进行互相选择；同样的，反向协调时，仅当Y_n的工作范围包含X_n定义的输出时，规则选择子模块选择二者作为协调控制的匹配方案。

此规则的设置可以避免协调过程为简单的一一映射规则，规则选择子模块定义每一专家控制方案对应多个MPC参数集，同样的，每个MPC参数集对应多个专家控制方案，但下标相同的专家控制方案X_i与MPC参数集Y_i应满足对应关系。

所述评估单元包括：

参数监测子模块，从所述数据实时采集单元实时采集的生产数据中提取产品的质量指标值；

产品的直接或间接质量指标的数值表征当前的生产状态；

评分计算子模块，根据当前的质量指标值计算当前生产状态的评估分数，并与阈值分数进行对比，判断是否需要调整专家控制方案与MPC参数集；

评估显示子模块，显示评估结果。

本发明还提供了一种基于所述全流程协调控制系统的全流程协调控制方法，包括以下步骤：

(1)明确标准工况，得到标准裂解气流量F_norm、标准裂解气压力P_norm，D和标准乙炔温度T_norm，D；输入到过程监测子模块和参数监测子模块中；

(2)根据实际生产状况选择控制反应工段的专家控制方案；

反应工段的控制目标为乙炔收率η最大，煤粉转化率α最大，比能耗SER最低。

(3)生产过程中，根据所选择的专家控制方案以及规则库中专家控制方案与MPC参数集之间的映射规则，选择并下达控制分离工段的MPC参数集；

分离工段的控制目标为分离工段中各生产装置运行稳定，运行稳定的指标为产品温度T_D、产品压力P_D、裂解气流量F分别与标准工况下标准产品温度T_norm，D、标准产品压力P_norm，D、标准裂解气流量F_norm对应的差值T_dif，D、P_dif，D、F_dif，D分别不大于标准阈值T_M，D、P_M，D、F_M，即：

T_dif，D＝|T_D-T_norm，D|≤T_M，D

P_dif，D＝|P_D-P_norm，D|≤P_M，D

F_dif＝|F-F_norm|≤F_M

(4)评估单元计算当前生产状态的评估分数，并与阈值分数进行对比，判断是否需要调整专家控制方案与MPC参数集；若需要调整，则根据映射规则的调整原则进行调整；

(5)重复步骤(3)和(4)，直至生产结束。

步骤(4)中，所述评估分数为各质量指标与标准质量指标差值的平方和；即：

M＝T_dif，D ²+P_dif，D ²

＝(T_D-T_norm，D)²+(P_D-P_norm，D)²

其中，T_D为当前所选定的MPC参数集中乙炔解吸精馏塔塔顶出料温度；P_D为产品压力；T_norm，D为标准产品温度；P_norm，D为标准产品压力；T_dif，D为当前产品温度与标准温度的差值；P_dif，D为当前产品压力与标准压力的差值。

所述阈值分数M₀定义为：

M₀＝T_M，D ²+P_M，D ²

其中，T_M，D为产品温度与标准温度的差值的标准阈值；P_M，D为产品压力与标准压力的差值的标准阈值。

当M＞M₀时，需要调整专家控制方案与MPC参数集；

进一步优选的，当M＞M₀且T_dif，D＞T_M，D时，需要调整专家控制方案与MPC参数集。

映射规则的调整原则包括：

(i)若当前进行正向协调的评估，当前选择的的专家控制方案为X_i，MPC参数集为Y_i，若T_D＜T_norm，D时，则选择将MPC参数集改选为Y_i+1；若T_D＞T_norm，D，则选择将MPC参数集改选为Y_i-1；

(ii)若当前进行反向协调的评估，当前选择的专家控制方案为X_i，若T_D＜T_norm，D，则将专家控制方案改选为X_i+1；若T_D＞T_norm，D，则将专家控制方案改选为X_i-1，再进行正向协调。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的全流程协调控制系统和方法构建了协调控制单元，通过选择适应于等离子反应器生产状态的下游控制方案，控制等离子裂解煤制乙炔气体分离工段的被控变量，达到上下游工段协调控制的效果，使下游分离工段尽可能的适应上游反应器工段带来的不确定性的影响，同时，协调控制模块可以在专家控制方案生效前对下游工段的生产状况进行调节，从而改善上下游工段间动态性能差异所带来的生产问题，且克服了下游动态响应不及时，给生产过程的衔接段带来的不安全因素，本发明对类似的，上游响应迅速，下游响应缓慢，且上游生产状态难以改变的生产过程的控制带来了新的方案。

附图说明

图1为全流程协调控制系统的结构示意图；

图2为全流程协调控制方法的流程示意图；

图3为新疆天业集团煤制乙炔项目简化生产流程图；

图4为新疆天业集团煤制乙炔项目等离子反应器简化示意图；

图5为新疆天业集团煤制乙炔项目气体分离工段简化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制系统的结构如图1所示，包括数据实时采集单元、先进控制单元、协调控制单元和评估单元，各单元组成如下：

(1)先进控制单元

先进控制单元包含：控制等离子体裂解煤制乙炔生产过程中反应工段、淬冷工段(等离子反应器部分)的专家控制模块，以及控制等离子体裂解煤制乙炔生产过程中裂解气分离工段的模型预测控制模块(MPC)。

考虑到等离子体裂解煤制乙炔生产过程的反应工段、淬冷工段的特殊性，该工段的反应机理未知，且反应过程时间属于毫秒级别，采用专家控制具有一定的适应性。

专家控制是在传统控制的基础上引入专家规则，通过对控制领域知识(先验知识、动态信息获取、目标等)的获取与组织，并且能够恰当选择规则加入现实控制系统，这种手段能很好解决反应、淬冷工段的不确定性等问题。首先获取本领域专家的丰富知识以及经验，并且把知识转化成规则库与数据库，控制器可以根据这些规则，动态采取控制策略，并应用于控制系统，最后把控制系统的相关数据反馈到本领域专家，实现知识的累积与更新。这种方法不需要依赖于机理模型，而且具有实际工程意义。

模型预测控制(MPC)是一种控制形式，通过在每个采样时刻在线求解有限时域的水平开环最优控制问题来获得控制动作。将过程的当前状态作为初始状态，解得的最优控制序列只实施第一个控制作用。这种方式具有控制效果好、鲁棒性强等优点，可有效地克服过程的不确定性、非线性和并联性，并能方便的处理过程被控变量和操纵变量中的各种约束。模型预测控制分为离散式MPC、集中式MPC、分布式MPC等几大类，各类MPC的算法具有一定得差异性，其中集中式MPC研究比较成熟，性能较佳；分散式MPC计算压力较小，鲁棒性较高，通讯压力较小，但性能较差，子系统间再次引入了耦合，当耦合较大的时候没有稳定性保证，每次维护仅需要停运一个MPC，易于维护；而分布式MPC难以在现有的工厂进行投运，综合考虑多种MPC的框架后，集中式MPC是适合等离子裂解煤制乙炔的全流程生产过程气体分离工段的有效控制方案。

(2)协调控制单元

协调控制单元包含过程监测子模块、过程分析子模块、规则选择子模块三个部分。

过程监测子模块在协调控制单元选择协调规则之前，监测被控过程的被控变量的变化以及先进控制单元中专家控制模块所采取的专家控制方案。另外，在协调控制指令生效后，MPC对被控对象产生控制作用。产品的直接或间接质量指标通过过程监测子模块被采集，逐一与对应指标的设定值进行对比。

过程分析子模块由规则库R和指令库C组成。规则库中定义了上游生产工段所采用的专家控制方案X_i与下游裂解气分离工段所采用MPC参数Y_i的映射规则，包含实际生产的联系与约束规则。指令库包含根据上游生产状况选择的发送至模型预测控制模块(MPC)的控制参数。

规则选择子模块中，采用模块中自定义的协调规则式进行表达：

IF X_i THEN Y_i

其中，X_i为专家控制模块采用的专家控制方案；Y_i为协调控制单元输出至MPC的MPC参数集；i＝1，2，...，M。

专家控制方案X_i的排序原则为：按照使等离子体反应器裂解气出料的乙炔浓度Q增加量由小到大排序；MPC参数集Y_i的排序原则为：按照使乙炔解吸精馏塔塔顶出料温度T_D上升量由小到大排序。

根据上下游工段被控对象动态特性的差异和工艺特性，规则选择子模块将反应器采用的专家控制方案集合X_i分为两类：使反应器裂解气出料的乙炔浓度Q增加的专家控制方案集合定义为X_c，j，其中J＝1，2，...，N；使反应器裂解气出料的乙炔浓度Q减少的专家控制方案定义为X_d，k，其中k＝1，2，...，M-N。同时也将协调控制单元输出至气体分离工段的MPC参数集合Y_i分为两类：使乙炔解吸精馏塔塔顶出料温度T_D上升的MPC控制参数Y_c，j，其中J＝1，2，...，N；使乙炔解吸精馏塔塔顶出料温度T_D下降的MPC控制参数Y_d，k，其中k＝1，2，...，M-N。

规则选择子模块的核心规则包括：

a)正向规则：当专家控制模块选择使反应器裂解气出料的乙炔浓度Q增加的专家控制方案X_c，j时，规则选择子模块选择指令库中使乙炔解吸精馏塔塔顶出料温度T_D上升的MPC控制参数Y_c，j；当专家控制模块选择使反应器出料的乙炔浓度Q减少的专家控制方案X_d，k时，规则选择子模块选择指令库中使乙炔解吸精馏塔塔顶出料温度T_D下降的MPC控制参数Y_c，j。规则选择子模块的正向规则为选择与当前专家控制方案X_n下标相同的MPC参数集合Y_n。

b)保持规则：当指令库中的MPC控制参数作用后使乙炔解吸精馏塔塔顶实时出料温度T_R与MPC控制参数设定的乙炔解吸精馏塔塔顶出料温度T_D的差值T_dif，R大于阈值T_M，R时，保持专家控制模块选择的专家控制方案不变，以保证裂解气分离工段在平稳状态下运行。

c)反向规则：当乙炔解吸精馏塔塔顶出料温度T_D与标准工况的温度差T_dif，D大于阈值T_M，D时，若T_D高于精馏塔塔顶出料的温度上限T_UP，则规则选择子模块选择规则库中使反应器裂解气出料的乙炔浓度Q相对于当前方案降低的专家控制方案，若T_D低于精馏塔塔顶出料的温度上限T_DOWN，则规则选择子模块选择规则库中使反应器裂解气出料的乙炔浓度Q相对于当前方案升高的专家控制方案。

规则选择子模块的反向规则为：若当前MPC参数Y_n使T_D高于精馏塔塔顶出料的温度上限T_UP，规则选择子模块重新选择使反应器出料的乙炔浓度Q更低的专家方案X_n-1，若当前MPC参数Y_n使T_D低于精馏塔塔顶出料的温度上限T_DOWN，规则选择子模块重新选择使反应器出料的乙炔浓度Q更高的专家方案X_n+1。

上述规则选择指令都以IF-THEN规则的形式呈现。

d)匹配规则：正向协调时，若当前MPC参数对分离工段的控制状态不佳，需对规则选择子模块中的映射规则进行修改时，MPC参数集合Y_n所需要的工作点范围即为专家控制方案X_n中定义的输出，即裂解气中乙炔浓度Q，X_n定义的输出应匹配Y_n的工作范围，否则规则选择子模块将不会将两者进行互相选择。同样的，反向协调时，仅当Y_n的工作范围包含X_n定义的输出时，规则选择子模块选择二者作为协调控制的匹配方案。

(3)评估单元

评估单元包含参数监测子模块、评分计算子模块、评估显示子模块三个部分。

参数监测子模块采集等离子裂解煤制乙炔全流程中协调控制指令生效后的生产状态，该生产状态由MPC对被控对象产生控制作用后产品的直接或间接质量指标的数值进行表征，参数监测子模块通过DCS采集这些数值。

评分计算子模块将煤制乙炔全流程生产过程中测点输出的待评估信号集合S与系统的参考输出R中相关的项进行比较，评估的结果用于衡量生产过程的运行状态的优劣。

在评分计算子模块中，若当前进行正向协调的评估，评估结果高于阈值后，评估单元将规则选择子模块中的映射规则进行重新选取，使规则选择子模块重新选择MPC参数，具体的调整规则为：

a)若当前选取的MPC参数下标值为i，生产状态的评分结果M若高于标准评分M₀，且产品温度T_D与标准工况定义的产品温度T_norm，D之差为负数，即当前映射规则选取的MPC参数使产品温度过低，则使规则选择子模块改选MPC参数下标值为i+1。

b)若当前选取的MPC参数下标值为i，生产状态的评分结果M若高于标准评分M₀，且产品温度T_D与标准工况定义的产品温度T_norm，D之差为正数，即当前映射规则选取的MPC参数使产品温度过高，则使规则选择子模块改选MPC参数下标值为i-1。

在评分计算子模块中，若当前进行反向协调的评估，即正向评估无法选择到适合的MPC参数使得评分低于M₀，则使规则选择子模块重新选择专家控制方案，具体的调整规则为：

a)若当前选取的专家控制方案下标值为i，产品温度T_D与标准工况定义的产品温度T_norm，D之差为负数，即当前映射规则选取的MPC参数使产品温度过低，则使规则选择子模块改选专家控制方案下标值为i+1。

b)若当前选取的专家控制方案下标值为i，产品温度T_D与标准工况定义的产品温度T_norm，D之差为正数，即当前映射规则选取的MPC参数使产品温度过高，则使规则选择子模块改选专家控制方案下标值为i-1。

协调控制单元的规则选择子模块根据以上改选映射规则的改变规则重新选取MPC的控制参数。

如图2所示，基于上述全流程协调控制系统进行全流程协调控制的方法包括以下步骤：

(1)首先明确标准工况，得到标准裂解气流量F_norm和标准乙炔温度T_norm，D，将其设为生产基准，生成标准工况状态矩阵S_norm，输入到过程监测子模块和参数监测子模块中；

(2)根据实际工况下的生产状况，采集煤粉进料量F_m和煤粉的测定灰度H_m，根据生产状况选择专家控制方案，控制等离子煤制乙炔反应器的运行。该工段的控制目标为乙炔收率η最大，煤粉转化率α最大，比能耗SER最低。

乙炔收率η定义为：

其中，Mc为煤粉的进料质量；My为裂解得到的乙炔气体摩尔体积转换成的摩尔质量。

煤粉转化率α定义为：

其中，Mx为未淬冷的混合气体摩尔质量；M_c为煤粉的进料质量。

比能耗SER定义为：

其中，W(kwh)为消耗的功率；My为得到的乙炔气体质量。

(3)生产过程中，过程监测子模块根据等离子反应器工段所对应的专家控制模块采用的专家控制方案，按照专家控制方案与下游裂解气分离工段所采用MPC参数之间的映射规则，选择下游裂解气分离工段所采用MPC参数。具体的映射规则为模糊IF-THEN规则：

IF X_i THEN Y_i

其中，X_i等离子反应器采用的专家控制方案；Y_i为协调控制单元输出至气体分离工段的MPC参数集；i＝1，2，...，M。运行前，X_i和Y_i分别按照各自规则进行排序。

(4)根据步骤(3)中映射规则选取的MPC参数，由指令库下达到与裂解气分离工段所对应的MPC先进控制模块，控制等离子裂解气分离精馏塔的运行。

该工段的控制目标为工段中各生产装置运行稳定，运行稳定的指标为产品温度T_D、产品压力P_D、裂解气流量F分别与标准工况下标准产品温度T_norm，D、标准产品压力P_norm，D、标准裂解气流量F_norm对应的差值T_dif，D、P_dif，D、P_dif，D分别不大于标准阈值T_M，D、P_M，D、F_M。

平稳运行定义为：

T_dif，D＝|T_D-T_norm，D|≤T_M，D

P_dif，D＝|P_D-P_norm，D|≤P_M，D

P_dif＝|F-F_norm|≤F_M

(5)评估单元的参数监测子模块监测等离子裂解气分离工段中，产品间接质量指标产品温度T_D、产品压力P_D，比较实际质量指标与标准质量指标的差异，得到质量指标差值，进而由评估单元分析判断是否需要调整下游工段MPC参数，MPC参数来自于过程分析子模块的指令库C，以下情况需要调整MPC参数：

a)评估单元的计算评估分数M高于阈值分数M₀，则由规则选择子模块重新给出MPC参数，评估分数M定义为各质量指标与标准质量指标差值的平方和，即：

M＝T_dif，D ²+P_dif，D ²

＝(T_D-T_norm，D)²+(P_D-P_norm，D)²

其中，T_D为产品温度；P_D为产品压力；T_norm，D为标准产品温度；P_norm，D为标准产品压力；T_dif，D为当前产品温度与标准温度的差值；P_dif，D为当前产品压力与标准压力的差值。

调整原则中，阈值分数M₀定义为：

M₀＝T_M，D ²+P_M，D ²

其中，T_M，D为产品温度与标准温度的差值的标准阈值；P_M，D为产品压力与标准压力的差值的标准阈值。

当M＞M₀时，规则选择子模块根据映射规则的调整原则进行重新调整。

b)评估单元同时要求产品间接质量指标中的产品温度T_D与标准工况下标准产品温度T_norm，D的差值T_dif，D不大于标准阈值T_M，D，即：

T_dif，D＝|T_D-T_norm，D|≤T_M，D

当T_dif，D＞T_M，D时，规则选择子模块根据映射规则的调整原则进行重新调整。

(6)规则选择子模块针对待调整的映射规则，有如下调整规则：

a1)若上一次选取的MPC参数下标值为i，产品温度T_D与标准工况定义的产品温度T_norm，D之差为负数，即当前映射规则选取的MPC参数使产品温度过低，则使规则选择子模块改选下标值为i+1的MPC参数。

b1)若上一次选取的MPC参数下标值为i，产品温度T_D与标准工况定义的产品温度T_norm，D之差为正数，即当前映射规则选取的MPC参数使产品温度过高，则使规则选择子模块改选下标值为i-1的MPC参数。

若当前专家方案对应的所有可选择的MPC集合均使得标准阈值M过高，则有如下的调整规则：

a2)若上一次选取的专家控制方案下标值为i，产品温度T_D与标准工况定义的产品温度T_norm，D之差为负数，即当前映射规则选取的MPC参数使产品温度过低，则使规则选择子模块改选下标值为i+1的专家控制方案。

b2)若上一次选取的方案下标值为i，产品温度T_D与标准工况定义的产品温度T_norm，D之差为正数，即当前映射规则选取的MPC参数使产品温度过高，则使规则选择子模块改选下标值为i-1的专家控制方案。

(7)调整后，循环步骤(4)至(6)的协调过程，直至评估单元的计算评估分数M不高于阈值分数M₀，且产品温度与标准产品温度的差值T_dif，D不大于标准阈值T_M，D。

以下给出具体的实现案例：

案例背景是新疆天业集团有限公司等离子体裂解煤制乙炔项目。该项目包含依次连接的煤粉进料装置、等离子发生器、等离子反应器、淬冷装置、除尘工段、气体分离工段以及辅助装置等部分构成，其简化后的生产流程如图3所示。由于其中仅有等离子反应器和气体分离工段的生产过程相互耦合，相互作用，且设置了先进控制单元接口，其余的装置由手动控制，或不设置控制器，与先进控制单元不设置接口，所以在本案例的分析中，我们仅考虑作用于等离子反应器(如图4所示)与气体分离工段(如图5所示)所对应的先进控制单元的协调控制。

依前文所述，采用python依次搭建协调控制系统中最核心的两个单元：协调控制单元与评估单元。然后按照前文所述的协调控制方法，对等离子裂解煤制乙炔的全流程进行协调控制。

(I)协调控制单元

协调控制单元中规则库R定义了专家控制方案及其对应的裂解气输出乙炔浓度Q_i，具体为X_i＝{i，Q_i}；指令库C定义了MPC参数及其对应的输入工作点，输出乙炔产品浓度，具体为Y_i＝{i，[Q_D，Q_U]，[T_D，P_D]}，[Q_D，Q_U]为工作点，Q_D为MPC工作浓度的下限，Q_U为MPC工作浓度的上限，T_D为MPC控制下的乙炔产品温度，P_D为MPC控制下乙炔产品的压力。其中，i＝1，2，...，M。

监测等离子反应器输出的裂解气中乙炔浓度Q，该浓度采用软测量或数据融合等形式计算而得，并与规则库R中定义的专家控制方案所对应的裂解气乙炔浓度进行对比，得到浓度差矩阵dif_Q，选取当前采用的专家控制方案X_i：

|Q-Q_i|＝min(abs(dif_Q))i＝1，2，3...，M

将对应的专家控制方案X_i作为协调控制单元规则库C的输入，在规则库中进行映射规则的协调。

被协调的量都为归一化后的量，以便于在评估单元进行处理，这里采用[0，1]线性归一化，归一化后的MPC参数集定义为：

Y_i，normed＝{i，[Q_D，normed，Q_U，normed]，[T_D，normed，P_D，normed]}

其中的量具体定义为：

Q_D，normed：归一化的MPC参数工作浓度下限；

Q_U，normed：归一化的MPC参数工作浓度上限；

T_D，normed：归一化的MPC参数输出产品温度；

P_D，normed：归一化的MPC参数输出产品压力；

其中，[Q_D，normed，Q_U，normed]为Y_i，normed的标准输入子集Y_{i，in，nonormed}，[T_D，normed，P_D，normed]为标准输出子集Y_{i，out，normed}。

初始映射规则为选择与X_i下标相同的MPC参数Y_i，然后将Y_i传入评估单元进行评价参数的评分。

(II)评估单元

评估单元将生产过程中测点输出的待评估信号与系统的参考输出进行比较，待评估信号包含产品的间接质量指标产品温度T_D、产品压力P_D，参考输出包含标准工况下的标准产品温度T_norm，D、标准产品压力P_norm，D，其具体数值为：在裂解气乙炔浓度8％-13％(摩尔浓度)，流量为2000Nm³/h的进料情况下，标准乙炔产品温度T_norm，D为110℃，标准乙炔产品压力P_norm，D为0.1MPa。评估单元采集经过协调控制单元选择后的控制结果，将归一化后的产品指标与标准工况下的指标进行对比。

首先定义了归一化的标准工况下的指标矩阵为：

SVAR_normed＝{Q_D，norm，D，Q_U，norm，D，T_norm，D，P_norm，D}

其中具体的指标为：

Q_D，norm，D：标准工况下MPC参数工作浓度下限；

Q_U，norm，D：标准工况下MPC参数工作浓度上限；

T_norm，D：标准工况下MPC参数输出产品温度；

P_norm，D：标准工况下MPC参数输出产品压力；

其中，Q_D，norm，D和Q_U，norm，D为SVAR_normed的标准输入子集SVAR_in，normed，T_norm，D和P_norm，D为标准输出子集SVAR_out，normed。

评估单元采用评估分数M评价当前生产状态的优劣，M定义为各质量指标与标准质量指标差值的平方和，即：

M＝T_dif，D ²+P_dif，D ²

＝(T_D-T_norm，D)²+(P_D-P_norm，D)²

＝(Y_{i，out，normed}-SVAR_out，normed)²

当M高于给出的标准分数阈值M₀时，采用正向协调规则重新选取符合条件的Y_i，直至得出符合评分标准的Y_i或全部处于当前工作点的Y_i都不符合评分标准。当全部处于当前工作点的Y_i都不符合评分标准时，放弃规则选择子模块中的保持规则，采用反向协调重新选取符合条件的专家控制方案X_i，相当于为Y_i重新设置了新的工作点，一次反向协调后重新进行新的正向协调，直至得出符合评分标准的Y_i。

实施例1

对某混合煤种A进行等离子裂解，调试阶段测试得到专家控制方案、MPC参数及其所需的定义参量如表1所示。

表1为实施例1中定义的被控制对象(专家控制方案、MPC参数)信息

对象类型	序号	Q(％)	Q<sub>D</sub>(％)	Q<sub>U</sub>(％)	T<sub>D</sub>(℃)	P<sub>D</sub>(Mpa)
							专家方案	1	8.1	--	--	--	--
专家方案	2	10.3	--	--	--	--
							专家方案	3	11	--	--	--	--
专家方案	4	12.1	--	--	--	--
							专家方案	5	13	--	--	--	--
MPC	1	--	8	10	100	0.12
							MPC	2	--	8	11.5	105	0.1
MPC	3	--	8	13	110	0.12
							MPC	4	--	10	13	115	0.09
MPC	5	--	11	13	120	0.11

仿真结果如下：

根据正向协调的结果，协调控制系统所选择的MPC参数集合为集合3，其工作点为(单位如表)[Q_D，Q_U]＝[8，13]，其输出的产品指标为[T_D，P_D]＝[110，0.12]，最终专家控制方案保持在方案5，该方案控制反应器输出乙炔浓度为13％(摩尔浓度，下同)的等离子裂解气。为方便比较，将本例仿真的结果汇总展示如表2。

表2为实施例1中仿直结粜的汇总

结果类型	序号	Q(％)	Q<sub>D</sub>(％)	Q<sub>U</sub>(％)	T<sub>D</sub>(℃)	P<sub>D</sub>(Mpa)
							专家方案	5	13	--	--	--	--
MPC	3	--	8	13	110	0.12

本实施例中没有进行反向协调。

实施例2

对某混合煤种B进行等离子裂解，调试阶段测试得到专家控制方案、MPC参数及其所需的定义参量如表3所示。

表3为实施例1中定义的被控制对象(专家控制方案、MPC参数)信息

仿真结果如下：

根据正向协调的结果，协调控制系统所选择的MPC参数集均未达标评估单元中的评价标准。故进行反向协调。本例中添加了反向协调模块和判断是否需要反向协调的标记。

最终，协调控制系统所选择的MPC参数集合为集合2，其工作点为(单位如表)[Q_D，Q_U]＝[8，10]，其输出的产品指标为[T_D，P_D]＝[105，0.1]，最终专家控制方案保持在方案2，该方案控制反应器输出乙炔浓度为9.3％(摩尔浓度，下同)的等离子裂解气。为方便比较，将本例仿真的结果汇总展示如表4。

表4为实施例2中仿直结果的汇总

结果类型	序号	Q(％)	Q<sub>D</sub>(％)	Q<sub>U</sub>(％)	T<sub>D</sub>(℃)	P<sub>D</sub>(Mpa)
							专家方案	2	9.3	--	--	--	--
MPC	2	--	8	10	105	0.1

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制系统，其特征在于，包括：

数据实时采集单元，实时采集等离子体裂解煤制乙炔生产过程的生产数据；

先进控制单元，包括控制反应工段的专家控制模块和控制分离工段的模型预测控制模块；

协调控制单元，根据当前生产状态的评估结果，协调专家控制模块的专家控制方案与模型预测控制模块的MPC参数；

评估单元，根据所述数据实时采集单元采集的生产数据，评估当前生产状态的优劣。

2.根据权利要求1所述的等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制系统，其特征在于，所述的协调控制单元包括：

过程监测子模块，根据当前的生产数据，判断专家控制模块当前所采取的专家控制方案；

过程分析子模块，由规则库和指令库组成；所述规则库中存储专家控制模块的专家控制方案、模型预测控制模块的MPC参数集以及专家控制方案与MPC参数集之间的映射规则；所述指令库中存储专家控制模块的专家控制方案以及模型预测控制模块的MPC参数集，根据规则选择子模块的选择，向专家控制模块和模型预测控制模块下达指令；

规则选择子模块，根据评估单元对当前生产状态的评估结果，协调专家控制方案与MPC参数集。

3.根据权利要求2所述的等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制系统，其特征在于，所述规则库中，专家控制方案与MPC参数集的数量相等；专家控制方案的排序原则为：按照等离子体反应器裂解气出料的乙炔浓度由小到大排序；MPC参数集的排序原则为：按照乙炔解吸精馏塔塔顶出料温度由小到大排序。

4.根据权利要求2所述的等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制系统，其特征在于，所述规则选择子模块采用模块中自定义的控制方案与MPC参数集之间的映射规则协调专家控制方案与MPC参数集。

5.根据权利要求4所述的等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制系统，其特征在于，协调专家控制方案与MPC参数集的协调规则包括：

a)正向规则：当专家控制方案为X_c，j时，规则选择子模块选择指令库中的Y_c，j；当专家控制方案为X_d，k时，规则选择子模块选择指令库中的Y_d，j；

X_c，j和X_d，k分别为使等离子体反应器裂解气出料的乙炔浓度Q升高和降低的专家控制方案；Y_c，j和Y_d，j分别为使乙炔解吸精馏塔塔顶出料温度上升和下降的MPC参数集；j＝1，2，...，N，k＝1，2，...，M-N；

b)保持规则：当T_dif，R大于等于阈值T_M，R时，保持当前专家控制模块所选择的专家控制方案不变；仅当T_dif，R小于阈值T_M，R时或评估模块反馈分离工段的动态响应结束，进行下一次专家控制方案选择；

其中T_dif，R为乙炔解吸精馏塔塔顶实时出料温度T_R与当前所选定的MPC参数集中乙炔解吸精馏塔塔顶出料温度T_D的差值；

c)反向规则：当T_dif，D大于阈值T_M，D时，若T_D高于T_UP，则规则选择子模块选择指令库中使Q相对于当前方案降低的专家控制方案，若T_D低于T_DOWN，则规则选择子模块选择规则库中使Q相对于当前方案升高的专家控制方案，反向规则实施后，重新进行正向规则的选择；

T_dif，D为T_D与标准工况温度的差值；T_UP为精馏塔塔顶出料的温度上限值；T_DOWN为精馏塔塔顶出料的温度下限值；

d)匹配规则：正向协调时，若当前MPC参数对分离工段的控制状态不佳，需对规则选择子模块中的映射规则进行修改时，MPC参数集合Y_n所需要的工作点范围即为专家控制方案X_n中定义的输出；反向协调时，仅当Y_n的工作范围包含X_n定义的输出时，规则选择子模块选择二者作为协调控制的匹配方案。

6.根据权利要求1所述的等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制系统，其特征在于，所述评估单元包括：

参数监测子模块，从所述数据实时采集单元实时采集的生产数据中提取产品的质量指标值；

评分计算子模块，根据当前的质量指标值计算当前生产状态的评估分数，并与阈值分数进行对比，判断是否需要调整专家控制方案与MPC参数集；

评估显示子模块，显示评估结果。

7.一种等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)明确标准工况，得到标准裂解气流量F_norm、标准裂解气压力P_norm，D和标准乙炔温度T_norm，D；

(2)根据实际生产状况选择控制反应工段的专家控制方案；

(3)生产过程中，根据所选择的专家控制方案以及规则库中专家控制方案与MPC参数集之间的映射规则，选择并下达控制分离工段的MPC参数集；

(4)评估单元计算当前生产状态的评估分数，并与阈值分数进行对比，判断是否需要调整专家控制方案与MPC参数集；若需要调整，则根据映射规则的调整原则进行调整；

(5)重复步骤(3)和(4)，直至生产结束。

8.根据权利要求7所述的等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制方法，其特征在于，步骤(4)中，评估分数M定义为：

M＝T_dif，D ²+P_dif，D ²

＝(T_D-T_norm，D)²+(P_D-P_norm，D)²

其中，T_D为当前所选定的MPC参数集中乙炔解吸精馏塔塔顶出料温度；P_D为产品压力；T_norm，D为标准产品温度；P_norm，D为标准产品压力；T_dif，D为当前产品温度与标准温度的差值；P_dif，D为当前产品压力与标准压力的差值；

阈值分数M₀定义为：

M₀＝T_M，D ²+P_M，D ²

其中，T_M，D为产品温度与标准温度的差值的标准阈值；P_M，D为产品压力与标准压力的差值的标准阈值。

9.根据权利要求8所述的等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制方法，其特征在于，当M＞M₀且T_dif，D＞T_M，D时，需要调整专家控制方案与MPC参数集。

10.根据权利要求8或9所述的等离子体裂解煤制乙炔生产过程的全流程协调控制方法，其特征在于，映射规则的调整原则包括：

(i)若当前进行正向协调的评估，当前选择的的专家控制方案为X_i，MPC参数集为Y_i，若T_D＜T_norm，D时，则选择将MPC参数集改选为Y_i+1；若T_D＞T_norm，D，则选择将MPC参数集改选为Y_i-1；

(ii)若当前进行反向协调的评估，当前选择的专家控制方案为X_i，若T_D＜T_norm，D，则将专家控制方案改选为X_i+1；若T_D＞T_norm，D，则将专家控制方案改选为X_i-1，再进行正向协调。