化工过程工艺参数动态测算

以催化裂化再生过程工艺参数的在线测算方法为例，介绍一种化工过程工艺参数软测量方法——首先根据过程机理建估值好坏的判定准则；然后，通过动态区域搜索，实现某些难以检测工艺参数的在线估计。
    关键词：催化裂化再生过程  动态区域搜索  软测量

1 引言
    在化工生产过程中，有许多工艺参数对于生产操作和控制十分重要，却无法利用仪表或直接计算获得。利用本文介绍的计算机动态区域搜索方法，可解决许多这类参数的在线计算问题。以催化裂化生产中催化剂再生过程的动态参数——氧含量O2%、残碳CR、氢碳比HC为例，该方法的主要思路是：首先根据过程机理建立烟气分析计算模型，对于O2％、CR、HC在其变化区域上的一组估值，通过上述计算模型可推导出O2％、CR、HC的一组新值。可以假定，当估值与实际值十分接近时，应在一定意义下与上述导出值十分接近，从而建立了O2％、CR、HC动态区域搜索的判定准则，实现了这些参数的在线测算。
2 过程机理与计算公式
    再生烧焦反应过程包括：焦炭中碳与氧生成CO２：和ＣＯ的平行反应过程；在催化剂上形成的ＣＯ，在扩散过程中氧化成ＣＯ２的顺序反应；焦炭中的氢与氧反应生成水。

    计算上述反应过程中CO、CO2、H2O的生成速率，有以下公式：

    包括一次反应、二次反应的CO生成速度为：r1—r4；包括一次反应，二次反应，二次反应的CO２生成速度为r2+r4。
    式中：［C］为催化剂上的碳含量；［H］为催化剂上的氢含量；［Pn］和［PＣＯ］分别为氧分压和CO分压；P为再生压力；W为再生器藏量；Ft是再生器密相床温度因数；factor是装置因数；k１、k２、k3、k4分别为反应速度常数：

其中：T为反应温度，Ei为活化能指数，千卡公斤分子kci为常数，I=l，2，3，4。
    再生器中的氧气是由主风带入的。由于在标准状态下1公斤任何气体约等于22．4NM３即
    1KgMol气体=22．4NM３⑦
因此，由O２、H2O、CO2、N２在空气中的比例，我们可以得出主风带入再生器的Ｏ２、H2O、CO２、N２分子的公斤摩尔数。
    假定已有O2％、CR、HＣ的一组估值和最新采集到的主风量V(NM３)、再生器压力P(MPa)、密相床温度T、催化剂藏量W等实时检测数据。依据上述过程机理，很容易建立起一套烟气分析算法。计算步骤如下：
        (1)用⑦计算新风带入的O2、H2O、CO2、N2等主要成分的量(公斤摩尔数)；?
        (2)由再生器压力P和Ｏ２％估值，计算氧分压；
        (3)用烧焦公式⑤计算含碳量；?
        (4)由HＣ估值和含碳量，计算含氢量；?
        (5)由含碳量和氧分压，分别用公式①、②、③计算一次烧焦过程CO、CO2、H2O剩余氧气量O2；
        (６)计算一次烧焦后CO分压，用公式④计算二次烧焦过程二氧化碳CO2生成量；
        (7)分别计算二次烧焦后，CO、CO2、H2O及剩余氧气量Ｏ２；?
        (8)计算烟气总量：?



3 动态区域搜索方法
    在O2%、CR、HC的化验分析值(O2％，CR，HC)的邻域内随机取点，进行烟气分析计算。大量计算结果表明：在化验值附近EE值都相对很小；反之亦然(概率接近1)。据此，我们提出了如下的搜索方法：首先找到这样一个小区域，在它里面随机地取一定数目的估值能使偏差EE之和最小；然后在这个小区域内取一个使EE最小的估值作为最终估值。
    可使用下列两种方法之一进行参数的在线搜索。其中第一种方法计算量一般很大。在机时紧张等情况下，可使用第二种方法。
        (1)网络法：将搜索区域各维坐标分别按参数O2％、CR、HＣ的精度要求的1／2—1／3的长度平分，得到若干估值点；进行烟气分析计算；选取一定数目的使EE值较小的估值点(个数为估值点总数的5％左右)，并以每个点为中心作一适当小的邻域，统计上述各小邻域内估值的偏差(以计算)和ΣEE，在使和ΣEE最小的小邻域内取一个使EE最小的估值作为最终估值。
        (2)正交法：将搜索区域各维坐标分别按参数O2%、CR、HＣ的精度要求的3～6倍的长度平分(适当确定平分份数以优化选择正交表)，得到若干较小的搜索区域；选择正交表；在正交表指定的每个较小的搜索区域均匀地取若干个估值点(个数视精度要求确定)，进行烟气分析计算并统计偏差和ΣEE；分析得出最优搜索区域并验证(这个最优搜索区域可能还没计算过)；在上述最优搜索区域选取一个使EE最小的估值作为最终估值。
4 结束语
        (1)在胜利炼油厂、玉门炼油厂等几套催化裂化装置的优化控制系统中，使用这种动态区域搜索方法对再生过程工艺参数氧含量、残碳、氢碳比进行在线测算。标定数据表明，测算结果与化验值比较趋势准确率达98％以上，平均偏差均在化验操作误差范围之内，效果令人十分满意。
        (2)本文所述方法实际上是一种软测量方法，其特点是：由一些易于获得的测量信息，借助于动态区域搜索的方法，实现某些难以检测工艺参数的在线估计。
        (3)如果事先确定参数的搜索区域，一般必须很大。但实际过程通常上是平稳进行的，因而可将前一次的测算结果为中心的一个较小的区域作为本次测算的搜索区域。
        (4)在上述利用正交分析方法确定“最优搜索区域”时，应注意到三个估值因素EE值的交互作用，因此必须对它作交互效应的分析。

参考文献：

［１］陈长贵，等，化工原理［Ｍ］．天津科学技术出版社，1993．
［２］裴小军．一种实用的生产调优系统［Ｊ］．黑龙江大学学报，1994年1期．