CN112578745B - 一种氯化氢合成反应过程的智能化控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种氯化氢合成反应过程的智能化控制方法，以求稳防扰为原则，通过氢气、氯气流量调节，系统波动、升降负荷调节，合成炉负荷调整建立系统平衡，流量测量信号异常诊断功能，氢气量监测应急处理。在系统波动、生产负荷调整，能够适时进行数值分析计算，通过运行的配比值随时调整氢气、氯气流量的参考输入量，Fuzzy—PID混合控制器根据参考输入量进行模糊运算、逻辑推理和PID调节流量，保证分子比达到氯化氢合格的纯度；系统上下变化调整，建立新的平衡；实施变送设备诊断，避免误操作发生事故；氢气量的综合分析，及时处理各种干扰。这些智能化的控制是其他方法无可比拟的。
Description
技术领域
本发明涉及自动化控制技术领域，尤其涉及一种氯化氢合成反应过程的智能化控制方法。
背景技术
氯化氢是生产聚氯乙烯、氯丁橡胶等产品的重要原料之一。氯化氢的生产是以氢气、氯气按照1:1分子比直接燃烧合成反应生成氯化氢气体，但从生产安全等因素考虑，实际生产上均为氢气过量操作，氯化氢合成中理想控制分子比为氢气、氯气配比为(1.05～1.1):1。
氯化氢生产工厂是以孔板节流装置测量氢气和氯气流量，由手动阀调节流量或应用DCS、PLC等控制设备进行远程手动遥控操作，实现单回路的流量调节。
由于在流量测量中误差的存在，氢气、氯气纯度的变化，实际配比值与理想的配比值有异差。系统误差越大，配比值异差越大。一般是通过在线取样离线分析氯化氢纯度来调整配比值。
在氢气和氯气的流量调节中，由于人工手动操作配比值控制不当存在的风险有：①氢气具有易燃易爆的危险气体。过量的氢使氯化氢纯度下降，过大量氢不能充分混合燃烧，引发氯化氢合成生产过程中爆炸事故的发生；②氢量过小会使反应不完全而存在游离氯，对下游产品安全生产造成重大影响。所以，氯化氢合成炉运行具有高危险性，操作人员精力高度集中、劳动强度大。
目前在氯化氢合成生产过程中，采用传统的PID调节规律控制氢气、氯气流量，通过交叉限制的方法来保证(1.05～1.1):1的配比值。但在氢、氯配比控制系统中，流量的测量误差、调节误差、变送元件故障以及生产负荷波动与调整，都直接影响氢、氯分子比例的控制，控制系统的可靠性大大降低，使合成生产实现自动控制得不到安全保证。就氯化氢合成炉生产的过程控制，难以在真正意义上实现自动运行。
发明内容
本发明的目的在于，基于目前在氯碱化工的氯化氢合成反应过程控制中存在着安全风险，本设计的“氯化氢合成反应过程的智能控制”，是以求稳防扰为原则，在抗干扰方面做了大量防范措施：①通过在线取样离线分析的结果确定氯化氢纯度实际运行配比值(无在线分析仪的情况下)，按照配比值以模糊控制为主、PID调节(消除静余差)为辅的混合控制，实现氢气、氯气流量的稳定控制；②在系统波动、升降负荷等工况变化，由数值分析计算功能按运行配比值获取参考输入量，同步逐次逼近调节氢气、氯气流量，以保证响应过程的分子比；③根据上游供气量(氢气、氯气)和下游用气量(氯化氢气体)的运行状况，可在系统中提示供气量增、减，合成炉负荷降、升等系统平衡功能；④流量测量信号异常诊断功能，即流量最大值、最小值和不随实际流量变化等；⑤氯化氢合成以过氢量燃烧反应为操作原则，利用软测量技术获取氢气量的监视数据，以采取相应的应急处理。
一种氯化氢合成反应过程的智能化控制方法，其控制方法包含以下步骤：
1.氢气、氯气流量调节
原料气压力的稳定是在进入合成炉前进行单回路调节，在氢气、氯气流量配比的控制中，设计采用了Fuzzy—PID混合控制器来保证控制流量稳定。
设F氢的论域[Fmin，Fl，Fset，Fh，Fmax]上多个集合；
设F氯的论域[Fmin，Fl，Fset，Fh，Fmax]上多个集合；
设输出变量OP的修正值为△u1，△u2，△u3，…；
Fuzzy—PID混合控制器的控制策略
调节规律；
IF(F氢＜Fl)THEN OP＝OP+△u1；
IF(F氢＞Fh)THEN OP＝OP－△u1；
往复循环
调节规律；
IF(F氯＜Fl)THEN OP＝OP+△u1；
IF(F氯＞Fh)THEN OP＝OP－△u1；
往复循环
2.系统波动、升降负荷调节
在氢气、氯气流量的配比调节中，氯气流量是以建立系统的平衡进行负荷调整，而氢气流量调节是随动系统，根据氯气流量的变化及时过氢调整来保证生产安全及氯化氢纯度的配比值。
氯化氢合成炉生产负荷的调整，是建立在数值分析计算依配比值获取参考输入量，参考输入量的增减采用逐次逼近，以减小系统内部干扰。提高负荷是先提氢气后提氯气，降低负荷则先降氯气后降氢气，确保在调整负荷中分子比相对稳定和安全。
3.合成炉负荷调整建立系统平衡
氯化氢合成炉的生产负荷，是兼顾上下工序平衡的中间装置。在整个生产过程中，原料供气P氯压力和用户用气PHCl压力是建立系统平衡的关键参数。在氢气量保证的前提下，可有下列组合：
IF(P氯↓∧PHCl↓)THEN提示提高电解负荷；
IF(P氯↓∧PHCl↑)THEN适量降低合成负荷；
IF(P氯↑∧PHCl↓)THEN适量增加合成负荷；
IF(P氯↑∧PHCl↑)THEN提示降低电解负荷；
按照上述的逻辑推理，作出相应的调整指令。
4.流量测量信号异常诊断功能
氢气、氯气流量测量是通过节流装置产生的差压，经变送元件开方后转换为流量电信号。在检测运行过程中，不可避免会有故障发生，如放大器故障、导压管堵塞都会造成信号输出最小值或最大值或输出不随实际流量变化，即使通过交叉限制，常规的PID调节是无法保证合成炉反应的分子比，安全运行得不到保证。
本设计的氯化氢合成反应过程的智能控制中，模糊控制器对系统中相关的数据进行判断推理，发出相应的指令，避免由此带来的无操作。
5.氢气量监测应急处理
氯化氢合成以过氢量燃烧反应为操作原则，通过综合软测量获取氢气量的监视数据，以采取相应的应急处理。
在氢气供气工艺中，可通过氢气总管压力、炉前进口氢气压力和氢气分流量来分析氢气供气的运行状况。在两点压力稳定的情况下，氢气分流量的多少，表明合成炉生产负荷的余量多少，是升降合成炉负荷的必要条件；氢气管线的两点压力，在数值和变化趋势相同的情况下，可确定压力测量正常运行，同时可通过两点压力各自的变化速度，分析上游工序与合成炉自身运行情况。
通过软测量技术分析的方法，及时得到工况运行出现的异常情况信息，对于氯化氢合成生产过程起到了哨兵的作用。
进一步的，氢气量监测后的应急处理，在具体调整的过程中，可根据风险的大小，调整策略对应变化，即OP＝OP±(△u1，△u2，…，△un)。
本发明的有益效果是：氯化氢合成反应过程的智能化控制，在系统波动、生产负荷调整，能够适时进行数值分析计算，通过运行的配比值随时调整氢气、氯气流量的参考输入量，Fuzzy—PID混合控制器根据参考输入量进行模糊运算、逻辑推理和PID调节流量，保证分子比达到氯化氢合格的纯度；系统上下变化调整，建立新的平衡；实施变送设备诊断，避免误操作发生事故；氢气量的综合分析，及时处理各种干扰。这些智能化的控制是其他方法无可比拟的。
附图说明
图1是本实用新型所述的一种氯化氢合成反应过程的智能化控制方法中一维模糊控制器构成如图；
图2是本实用新型所述的一种氯化氢合成反应过程的智能化控制方法中Fuzzy—PID混合控制器构成如图；
图3是本实用新型所述的一种氯化氢合成反应过程的智能化控制方法中基于神经网络、人工智能理念，氯化氢合成反应过程的智能化控制系统构成如图
本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
参照图1、图2与图3，本实用新型所述的一种氯化氢合成反应过程的智能化控制方法，是在氯碱化工的氯化氢合成反应过程的自动控制，可以利用客户原有(符合使用要求)的控制设备(DCS、PLC等控制系统)，也可重新添置控制设备，在其控制软件平台(具有一定的计算能力)上，按照氯化氢(HCl)合成反应过程的智能化控制框图进行编程组态；工艺生产过程的动态响应测试，编制的控制组态软件下装调试(开环模拟)达到预想效果；设置工艺参数和控制参数，闭环投入并进行参数整定后，符合工艺、控制要求后投入正常运行。
其控制方法包含以下步骤：
1.氢气、氯气流量调节
原料气压力的稳定是在进入合成炉前进行单回路调节，在氢气、氯气流量配比的控制中，设计采用了Fuzzy—PID混合控制器来保证控制流量稳定。
设F氢的论域[Fmin，Fl，Fset，Fh，Fmax]上多个集合；
设F氯的论域[Fmin，Fl，Fset，Fh，Fmax]上多个集合；
设输出变量OP的修正值为△u1，△u2，△u3，…；
Fuzzy—PID混合控制器的控制策略
调节规律；
IF(F氢＜Fl)THEN OP＝OP+△u1；
IF(F氢＞Fh)THEN OP＝OP－△u1；
往复循环
调节规律；
IF(F氯＜Fl)THEN OP＝OP+△u1；
IF(F氯＞Fh)THEN OP＝OP－△u1；
往复循环
2.系统波动、升降负荷调节
在氢气、氯气流量的配比调节中，氯气流量是以建立系统的平衡进行负荷调整，而氢气流量调节是随动系统，根据氯气流量的变化及时过氢调整来保证生产安全及氯化氢纯度的配比值。
氯化氢合成炉生产负荷的调整，是建立在数值分析计算依配比值获取参考输入量，参考输入量的增减采用逐次逼近，以减小系统内部干扰。提高负荷是先提氢气后提氯气，降低负荷则先降氯气后降氢气，确保在调整负荷中分子比相对稳定和安全。
3.合成炉负荷调整建立系统平衡
氯化氢合成炉的生产负荷，是兼顾上下工序平衡的中间装置。在整个生产过程中，原料供气P氯压力和用户用气PHCl压力是建立系统平衡的关键参数。在氢气量保证的前提下，可有下列组合：
IF(P氯↓∧PHCl↓)THEN提示提高电解负荷；
IF(P氯↓∧PHCl↑)THEN适量降低合成负荷；
IF(P氯↑∧PHCl↓)THEN适量增加合成负荷；
IF(P氯↑∧PHCl↑)THEN提示降低电解负荷；
按照上述的逻辑推理，作出相应的调整指令。
4.流量测量信号异常诊断功能
氢气、氯气流量测量是通过节流装置产生的差压，经变送元件开方后转换为流量电信号。在检测运行过程中，不可避免会有故障发生，如放大器故障、导压管堵塞都会造成信号输出最小值或最大值或输出不随实际流量变化，即使通过交叉限制，常规的PID调节是无法保证合成炉反应的分子比，安全运行得不到保证。
本设计的氯化氢合成反应过程的智能控制中，模糊控制器对系统中相关的数据进行判断推理，发出相应的指令，避免由此带来的无操作。
5.氢气量监测应急处理
氯化氢合成以过氢量燃烧反应为操作原则，通过综合软测量获取氢气量的监视数据，以采取相应的应急处理。
在氢气供气工艺中，可通过氢气总管压力、炉前进口氢气压力和氢气分流量来分析氢气供气的运行状况。在两点压力稳定的情况下，氢气分流量的多少，表明合成炉生产负荷的余量多少，是升降合成炉负荷的必要条件；氢气管线的两点压力，在数值和变化趋势相同的情况下，可确定压力测量正常运行，同时可通过两点压力各自的变化速度，分析上游工序与合成炉自身运行情况。
通过软测量技术分析的方法，及时得到工况运行出现的异常情况信息，对于氯化氢合成生产过程起到了哨兵的作用。
进一步的，氢气量监测后的应急处理，在具体调整的过程中，可根据风险的大小，调整策略对应变化，即OP＝OP±(△u1，△u2，…，△un)。
其中，设流量F论域中偏差e的多个集合，这些集合有允许范围、异常区和危险区等。在模糊控制器中建立经验库、专家知识库和规则控制策略，模糊推理根据偏差e所属的集合确定实施相应的控制策略，再经解模糊得到精确的控制增量值；
在流量调节系统中采用了Fuzzy—PID混合控制器，以模糊控制为主、PID控制器为辅，实现稳定流量控制。当偏差e在工况允许范围内时，PID控制器完成消除流量调节的静余差(保证精度)；实施模糊控制，能快速及时使偏差e回复到允许范围内。同时，在经验库、专家知识库和规则控制策略中设有流量变送信号诊断，以消除流量信号异常的误操作；
在合成炉控制系统中，通过人机界面随时调整配比值和生产负荷，即提高或降低氢气流量(或氯气流量)的目标流量值，系统将自动逐次逼近至目标流量值；数值分析计算瞬时按配比值提供系统的氢气流量和氯气流量的设定值；氢气供气诊断是以供气总管和分支管线压力值、变化率和氢气分流量的多少来调整合成炉的生产负荷；负荷平衡诊断是通过氯气压力和氯化氢压力的不同组合发出相应的调整指令。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点,对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (2)
1.一种氯化氢合成反应过程的智能化控制方法，其特征在于：控制方法包含以下步骤：
1.氢气、氯气流量调节
原料气压力的稳定是在进入合成炉前进行单回路调节，在氢气、氯气流量配比的控制中，设计采用了Fuzzy-PID混合控制器来保证控制流量稳定；
设F氢的论域[Fmin，Fl，Fset，Fh，Fmax]上多个集合；
设F氯的论域[Fmin，Fl，Fset，Fh，Fmax]上多个集合；
设输出变量OP的修正值为Δu1，Δu2，Δu3，…；
Fuzzy-PID混合控制器的控制策略
调节规律；
IF(F氢＜Fl)THEN OP＝OP+Δu1；
IF(F氢＞Fh)THEN OP＝OP-Δu1；
往复循环
调节规律；
IF(F氯＜Fl)THEN OP＝OP+Δu1；
IF(F氯＞Fh)THEN OP＝OP-Δu1；
往复循环
其中符号含义如下，F氯：氯气流量测量值；F氢：氢气流量测量值；Fl：流量低限；Fh：流量高限；
Fmin：流量量程下限；Fmax：流量量程上限；
Fset：控制流量设定值；Kp：调节器放大倍数；
en：第n次采样的偏差值；T：采样周期；
Ti：积分时间；i/λ：采样序号；
TD：微分时间；en-1：第n-1次采样的偏差值；
2.系统波动、升降负荷调节
在氢气、氯气流量的配比调节中，氯气流量是以建立系统的平衡进行负荷调整，而氢气流量调节是随动系统，根据氯气流量的变化及时过氢调整来保证生产安全及氯化氢纯度的配比值；
氯化氢合成炉生产负荷的调整，是建立在数值分析计算依配比值获取参考输入量，参考输入量的增减采用逐次逼近，以减小系统内部干扰；提高负荷是先提氢气后提氯气，降低负荷则先降氯气后降氢气，确保在调整负荷中分子比相对稳定和安全；
3.合成炉负荷调整建立系统平衡
氯化氢合成炉的生产负荷，是兼顾上下工序平衡的中间装置；在整个生产过程中，原料供气P氯压力和用户用气PHCl压力是建立系统平衡的关键参数；在氢气量保证的前提下，可有下列组合：
IF(P氯↓∧PHCl↓)THEN提示提高电解负荷；
IF(P氯↓∧PHCl↑)THEN适量降低合成负荷；
IF(P氯↑∧PHCl↓)THEN适量增加合成负荷；
IF(P氯↑∧PHCl↑)THEN提示降低电解负荷；
按照上述的逻辑推理，作出相应的调整指令；
4.流量测量信号异常诊断功能
氢气、氯气流量测量是通过节流装置产生的差压，经变送元件开方后转换为流量电信号；在检测运行过程中，不可避免会有故障发生，如放大器故障、导压管堵塞都会造成信号输出最小值或最大值或输出不随实际流量变化，即使通过交叉限制，常规的PID调节是无法保证合成炉反应的分子比，安全运行得不到保证；
本设计的氯化氢合成反应过程的智能控制中，模糊控制器对系统中相关的数据进行判断推理，发出相应的指令，避免由此带来的无操作；
5.氢气量监测应急处理
氯化氢合成以过氢量燃烧反应为操作原则，通过综合软测量获取氢气量的监视数据，以采取相应的应急处理；
在氢气供气工艺中，可通过氢气总管压力、炉前进口氢气压力和氢气分流量来分析氢气供气的运行状况；在两点压力稳定的情况下，氢气分流量的多少，表明合成炉生产负荷的余量多少，是升降合成炉负荷的必要条件；氢气管线的两点压力，在数值和变化趋势相同的情况下，可确定压力测量正常运行，同时可通过两点压力各自的变化速度，分析上游工序与合成炉自身运行情况；
通过软测量技术分析的方法，及时得到工况运行出现的异常情况信息，对于氯化氢合成生产过程起到了哨兵的作用。
2.根据权利要求1所述的一种氯化氢合成反应过程的智能化控制方法，其特征在于：氢气量监测后的应急处理，在具体调整的过程中，可根据风险的大小，调整策略对应变化，即OP＝OP±(Δu1，Δu2，…，Δun)。
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