化工过程模拟与计算(第2章)
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第2 章
化工过程模拟及相关高新技术
1
课程内容
2.1 化工过程模拟
2.2 化工过程先进控制
2.3 化工过程模实时优化
2.4 四项高新技术之间的关系和效益
2
2.1 化工过程动态模拟
一、概述
二、动态模拟的主要功能和应用领域
三、国外动态模拟的发展
四、稳态模拟与动态模拟的异同
3
一、概述
1、引起化工过程动态变化的因素：
（5）保证开停车过程顺利进行；
（6）取得最佳经济效益。
8
（三）动态仿真操作工培训系统
建立动态仿真系统是动态模拟的重要用途； 动态仿真系统既有稳态又有波动干扰引起的变化；
（四）先进控制系统的设计工具
先进控制：起源于20世纪70年； 过程控制技术： 20世纪90年； 过程控制技术必要条件：过程的动态特性
(1)计划内的变更：如原料的批次，计划内的高负荷或减负荷， 设备的定期切换等
(2)事物本身的不稳定性：如同一批次原料质量的差异与波动， 催化剂活性的降低。
(3)意外事故，设备故障，人为的误操作等； (4)装置的开停车。 原有稳态与平衡破坏，系统向着新的平衡发展。
4
2、动态变化中最为关心的问题：
（1）波动对整个系统产生多大的影响？产品质量与产量有 多大波动？ （2）有无发生危险的可能？可能会导致哪些危害，危害程 度如何？ （3）一旦产生波动或事故，应当如何处理、调整？最恰当 的措施、步骤？ （4）干扰波动的持续时间多长？克服之使之恢复正常又需 多久？
鲁棒性/抗变换性（英文：robustness）原是统计学中的一
个专门术语，20世纪70年代初开始在控制理论的研究中流行起 来，用以表征控制系统对特性或参数扰动的不敏感性。
25
7、投资回收期短
投资回收期都在半年到一年之间，装置的规模越大， 效益越明显。
26
四、多变量预估控制的执行步骤
1、预估计算
利用装置的动态模型和当前装置的工艺参数，计算出控制变
件的高品质和先进控制的高性能吸引了大量的客户，至
1994年，已经实施了500多个先进控制项目。
33
2、英国
Predictive Control Ltd.公司成立于1988年；
专门从事先进控制系统的设计； 有名的控制软件包：CONNOISSEUR。
3、美国——Honeywell公司
原是著名 的DCS的供应商； 近年来向着先进控制和实时优化的方向发展。 兼并了美国的Profimatics公司，先进控制业务有较大发 展。 有部门专门从事先进控制和优化业务，推出工厂一体化 化解决方案（TPS）由先进控制包和实时优化包两部分 34 组成。
多变量预估控制使得控制整个装置成为可能，可控制整个装 置的所有变量。
4、显著的经济效益
先进控制可使装置在最大经济效益的条件下操作：最大的产量、 最大的转化率和最低的装置操作费用。
24
5、在各种条件下均有较高的在线因子 通常是95%或更高。 6、维护工作量较小
先进控制具有很高的鲁棒性，且各项技术都纳入一个统一的软 件包，便于运行和安装。
18
精馏塔的传统控制理论：
如：塔釜加热量的变化，其
影响经过一段时间，必然会
到塔顶，引起塔顶产品质量 的变化，对于传统的DCS控 制方法，只有等到这一刻， 塔顶控制器才能动作调节流
量。
三个彼此独立的控制回路：
1）调节回流量（FC）来控制塔顶产品质量； 2）通过调节塔内压力差（ΔPC）控制塔顶压力； 19 3）通过调节再沸器加热介质的流量来控制塔釜产品的质量。
量，如产品组成、温度等的预期的变化值。
2、最优目标计算
利用适当的计算方法，如线性规划，确定符合所有约束的最 优的稳态工艺条件。
27
3、控制设定值计算
• 基于预估的控制变量的预期轨迹以及根据线性规划得到的 最优控制目标，计算出各个操作变量的预期的设定值的最 佳组合。 • 通过操作变量的调整，驱动装置朝所希望的操作区域移动， 而不违反所有的约束条件，或者操作变量的极限值。
七、先进控制实施的外部条件
多专业、多学科的紧密合作；
要求工作人员具备丰富的工程能力和经验。
由工艺专家和自控专家共同合作完成； 公司技术人员应具备化工背景。
35
2.3 化工过程模实时优化
一、 概述
二、实时优化的应用范围和功能源自文库三、实时优化系统主要结构框图
四、实时优化的方程组集形式 五、实时优化的目标函数
卡边控制 • 先进控制从整体上提高了装置的控制水平，使控制变量的 波动更小，操作更加平稳 • 控制变量波动的平均值将更贴近规定的工艺规定或约束条 件（是否合理，不是先进控制的任务）。 • 带来可观的经济效益
22
卡边控制
23
2、先进控制的核心是多变量预估控制
先进控制软件根据装置的实时数据，采用多变量模型 预估计算，计算出最优的设定值，送往控制器执行。 3、控制范围
装置 常减压 催化裂化 催化重整 加氢裂化 烷基化 规模（万吨/年） 750 370 215 265 130 年净增效益/万美元 225-450 420-1050 150-450 225-450 135-315
延迟焦化
异构化 乙烯
212
155 45
144-480
50-150 300-500
30
六、国外发展概况
9
三、国外动态模拟的发展
20世纪70年代初期：动态研究报道，丁二烯抽提装置开 车。专业型 80年代：通用型商品化的动态模拟软件；美国的普度大 学的BOSS；英国剑桥的QUASLIN。 90年代中期：加拿大Hyprotech公司推出动态模拟软件 HYSIS，同时兼具稳态模拟和动态模拟的功能。 模拟软件推出的基础：机理模型
14
3、基本操作系统的弊端： 1）DCS控制器的基础的常规算法是PID算法，这种算 法对于具有较大滞后的回路其效果很差。 2）控制变量对于操作变量的改变而引起的响应经常 是非线性的。 3）化工过程操作的叠加的结果使得化工装置的某部 分难以控制，即使采用标准控制器和标准方法。
15
二、先进控制和DCS（集散型控制系统）控制的主要区别
36
一、 概述
先进控制： • 解决的是给定的设定值下装置的平稳操作问题 • 不负责各个设定值是否最佳工艺条件，是否有最大经 济效益。 实时优化的诞生： • 实际生产中经常会遇到原料和公用工程条件的变化。 （与原来设计不同）
•
工艺调整必然性：催化剂的老化、换热器结垢、设备 状况变差的情况，需要适时调整工艺。
• 现代化的工业生产要求整个装置经济效益最大，要求 在给定约束条件下，按照适时的生产数据，求出各个 工艺参数的匹配，并随时适时优化控制。
37
大型工业装置的实时优化应该是在线、闭环实时优化。
• 在线：优化系统和装置的控制系统相连，随时根据实时数 据执行有关的计算。 • 闭环：优化系统的计算结果传送到控制系统，控制系统不 想按照优化结果实施控制。 • 实时优化是模拟和控制的紧密结合。
6
1206
1250
7
（二）开停车指导
1、开停车的重要性 大型石化装置，每开停车一次损失为几十万甚至几百万元。 2、动态模拟对开停车的重要指导作用： （1）缩短开停车时间，尽快达到稳定操作状态或安全停车； （2）降低物耗、能耗，减少开停车损耗； （3）避免可能产生的误操作或事故； （4）减少不合格产品；
控制系统
软件：填充式的控制软件——新的数据库软件——新的改
进了的优化算法——基于模型的多变量预估控制软件
13
2、典型化工装置的生产操作特性(常规控制手段下)：
（1）对动态反应存在实质性的时间延迟和滞后；
（2）要求控制的变量未能在线检测； （3）非线性动态响应； （4）相互耦合； （5）存在约束；
（6）存在大的外部干扰。
（5）开停车的最佳策略。
5
二、动态模拟的主要功能和应用领域
（一）动态特性研究
1、内容：研究过程参数随时间变化的规律，从而得到有关过 程的正确的设计方案或操作步骤。 2、作用：应用动态模拟可以更全面、正确的认识一个化工过 程，预测某一个波动或干扰发生时系统会发生怎样的变化。 3、例子：在固定床，催化剂条件下的甲烷化反应，进料为 50%的合成气和50%的水蒸气。
10
四、稳态模拟与动态模拟的异同
稳态模拟
仅有代数方程 物料平衡用代数方程描述 能量平衡用代数方程描述 严格的热力学方法 无水力学限制
动态模拟
同时有微分方程和代数方程 物料平衡用微分方程描述 能量平衡用微分方程描述 严格的热力学方法 有水力学限制
无控制器
有控制器
11
2.2 化工过程先进控制
一、概述
1、美国（1996年之前）
Setpoint公司的SMCA Dynamic Matrix Control公司的DMC
1998年加拿大 Treiber Control公司
1996年 Aspen Tech公司收购
Aspen Tech公司： 软件DMC Plus融合上述2个软件的优点， 1997年底，全世界实施先进控制的项目有1500套， Aspen Tech完成了1050套，占70%。 全世界最大的五套催化裂化装置全部采用的Aspen Tech的 DMC技术。
31
Setpoint公司：
成立于1977年
曾承担过大量石油化工装置的先进控制项目的设计工 作。 特点：工程经验丰富，工程业绩遍及全世界 最早进入中国的过程控制公司，中国有多套由它设计
的先进控制在运行。
32
Dynamic Matrix Control公司：
• • • 1984年创办。 创办人：Dr. Charlie Culter，先进控制理论创始人之一。 该公司长期从事动态矩阵控制软件的研究和应用，其软
1、先进控制的历史 先进控制理论20世纪70年代初提出；
工业上的最初应用始于70年代末； 90年代以来，先进控制的工业应用获得了蓬勃发展，获 得巨大经济效益，大量工业装置纷纷在已有的DCS的基 础上配备了先进控制系统。 21世纪，先进控制技术在许多方面发展十分成熟：
• • • • 各种多变量预估控制的理论基础已被广泛认同； 多变量预估控制涉及的范围不断地扩充； 多变量预估控制软件包不断涌现； 大量的先进控制正在在各种工业装置中实施。
16
2、实际上，众多过程变量之间的相互影响是必然 的，操作变化和控制变化之间的关系如图2-3
17
3、DCS的缺点：
（70年代初进入工业装置） 基本不考虑变量之间的相互影响，将操作变量 （manipulated variable ,MV）和控制变量（controlled variable，CV）之间的关系设定为一一对应的关系。 一一对应的关系忽略了变量之间的耦合关系，不能反 映装置的实际情况，因此难以真正实现装置的平稳控 制。
精馏塔的先进控制理论：
由先进控制包发出信
号，同时进行调节。
先进控制包：所有控制变化的变化（塔顶、塔釜产品质量 波动、塔内压力差），考虑操作变量对不同控制影响的大 小，通过模型的预估计算，分别得到对塔顶回流量，塔顶 压力及再沸器加热介质流量的调节值。
20
三、先进控制的特点
1、控制性能
先进控制技术能够提供远比传统控制PID控制好得多的控 制性能： 1）它能处理多输入、多输出的控制问题。 2）它可以处理PID难以处理的“慢动作”的工艺过程。 （ PID 适用于“快动作”控制回路，如温度、压力流量）。 3）由于其预估特性，可以有效地控制具有较大的纯滞后或 时间常数回路。 4）不仅计算控制器当前的一组设定值，而且要计算将来的 若干组设定值，这样可有效确定预期的、将来的控制器设定 21 值，保证不违反所有的约束条件。
28
4、执行过程
• 第一组预期的操作变量设定值付诸实施后，每一次执行多 变量预估控制时，控制变量的预估值都要采用当前的装置 测量进行计算和予以更新，以保证多变量预估控制和实际 装置的一致性。
29
五、先进控制的经济效益
先进控制务必在DCS的基础上方能实施，各种不同石油 化工装置实施先进控制后，其净增（含实时优化）见下 表2-2
二、先进控制和DCS（集散型控制系统）控制的主要区别
三、先进控制的特点
四、多变量预估控制的执行步骤
五、先进控制的经济效益 六、国外发展概况 七、先进控制实施的外部条件
12
2.2 化工过程先进控制
一、概述 1、化工过程控制的巨大变化： 硬件：手动阀门——自动控制阀——PID控制器（比例-积
分-微分控制器）——集散型控制系统（DCS）——计算机
化工过程模拟及相关高新技术
1
课程内容
2.1 化工过程模拟
2.2 化工过程先进控制
2.3 化工过程模实时优化
2.4 四项高新技术之间的关系和效益
2
2.1 化工过程动态模拟
一、概述
二、动态模拟的主要功能和应用领域
三、国外动态模拟的发展
四、稳态模拟与动态模拟的异同
3
一、概述
1、引起化工过程动态变化的因素：
（5）保证开停车过程顺利进行；
（6）取得最佳经济效益。
8
（三）动态仿真操作工培训系统
建立动态仿真系统是动态模拟的重要用途； 动态仿真系统既有稳态又有波动干扰引起的变化；
（四）先进控制系统的设计工具
先进控制：起源于20世纪70年； 过程控制技术： 20世纪90年； 过程控制技术必要条件：过程的动态特性
(1)计划内的变更：如原料的批次，计划内的高负荷或减负荷， 设备的定期切换等
(2)事物本身的不稳定性：如同一批次原料质量的差异与波动， 催化剂活性的降低。
(3)意外事故，设备故障，人为的误操作等； (4)装置的开停车。 原有稳态与平衡破坏，系统向着新的平衡发展。
4
2、动态变化中最为关心的问题：
（1）波动对整个系统产生多大的影响？产品质量与产量有 多大波动？ （2）有无发生危险的可能？可能会导致哪些危害，危害程 度如何？ （3）一旦产生波动或事故，应当如何处理、调整？最恰当 的措施、步骤？ （4）干扰波动的持续时间多长？克服之使之恢复正常又需 多久？
鲁棒性/抗变换性（英文：robustness）原是统计学中的一
个专门术语，20世纪70年代初开始在控制理论的研究中流行起 来，用以表征控制系统对特性或参数扰动的不敏感性。
25
7、投资回收期短
投资回收期都在半年到一年之间，装置的规模越大， 效益越明显。
26
四、多变量预估控制的执行步骤
1、预估计算
利用装置的动态模型和当前装置的工艺参数，计算出控制变
件的高品质和先进控制的高性能吸引了大量的客户，至
1994年，已经实施了500多个先进控制项目。
33
2、英国
Predictive Control Ltd.公司成立于1988年；
专门从事先进控制系统的设计； 有名的控制软件包：CONNOISSEUR。
3、美国——Honeywell公司
原是著名 的DCS的供应商； 近年来向着先进控制和实时优化的方向发展。 兼并了美国的Profimatics公司，先进控制业务有较大发 展。 有部门专门从事先进控制和优化业务，推出工厂一体化 化解决方案（TPS）由先进控制包和实时优化包两部分 34 组成。
多变量预估控制使得控制整个装置成为可能，可控制整个装 置的所有变量。
4、显著的经济效益
先进控制可使装置在最大经济效益的条件下操作：最大的产量、 最大的转化率和最低的装置操作费用。
24
5、在各种条件下均有较高的在线因子 通常是95%或更高。 6、维护工作量较小
先进控制具有很高的鲁棒性，且各项技术都纳入一个统一的软 件包，便于运行和安装。
18
精馏塔的传统控制理论：
如：塔釜加热量的变化，其
影响经过一段时间，必然会
到塔顶，引起塔顶产品质量 的变化，对于传统的DCS控 制方法，只有等到这一刻， 塔顶控制器才能动作调节流
量。
三个彼此独立的控制回路：
1）调节回流量（FC）来控制塔顶产品质量； 2）通过调节塔内压力差（ΔPC）控制塔顶压力； 19 3）通过调节再沸器加热介质的流量来控制塔釜产品的质量。
量，如产品组成、温度等的预期的变化值。
2、最优目标计算
利用适当的计算方法，如线性规划，确定符合所有约束的最 优的稳态工艺条件。
27
3、控制设定值计算
• 基于预估的控制变量的预期轨迹以及根据线性规划得到的 最优控制目标，计算出各个操作变量的预期的设定值的最 佳组合。 • 通过操作变量的调整，驱动装置朝所希望的操作区域移动， 而不违反所有的约束条件，或者操作变量的极限值。
七、先进控制实施的外部条件
多专业、多学科的紧密合作；
要求工作人员具备丰富的工程能力和经验。
由工艺专家和自控专家共同合作完成； 公司技术人员应具备化工背景。
35
2.3 化工过程模实时优化
一、 概述
二、实时优化的应用范围和功能源自文库三、实时优化系统主要结构框图
四、实时优化的方程组集形式 五、实时优化的目标函数
卡边控制 • 先进控制从整体上提高了装置的控制水平，使控制变量的 波动更小，操作更加平稳 • 控制变量波动的平均值将更贴近规定的工艺规定或约束条 件（是否合理，不是先进控制的任务）。 • 带来可观的经济效益
22
卡边控制
23
2、先进控制的核心是多变量预估控制
先进控制软件根据装置的实时数据，采用多变量模型 预估计算，计算出最优的设定值，送往控制器执行。 3、控制范围
装置 常减压 催化裂化 催化重整 加氢裂化 烷基化 规模（万吨/年） 750 370 215 265 130 年净增效益/万美元 225-450 420-1050 150-450 225-450 135-315
延迟焦化
异构化 乙烯
212
155 45
144-480
50-150 300-500
30
六、国外发展概况
9
三、国外动态模拟的发展
20世纪70年代初期：动态研究报道，丁二烯抽提装置开 车。专业型 80年代：通用型商品化的动态模拟软件；美国的普度大 学的BOSS；英国剑桥的QUASLIN。 90年代中期：加拿大Hyprotech公司推出动态模拟软件 HYSIS，同时兼具稳态模拟和动态模拟的功能。 模拟软件推出的基础：机理模型
14
3、基本操作系统的弊端： 1）DCS控制器的基础的常规算法是PID算法，这种算 法对于具有较大滞后的回路其效果很差。 2）控制变量对于操作变量的改变而引起的响应经常 是非线性的。 3）化工过程操作的叠加的结果使得化工装置的某部 分难以控制，即使采用标准控制器和标准方法。
15
二、先进控制和DCS（集散型控制系统）控制的主要区别
36
一、 概述
先进控制： • 解决的是给定的设定值下装置的平稳操作问题 • 不负责各个设定值是否最佳工艺条件，是否有最大经 济效益。 实时优化的诞生： • 实际生产中经常会遇到原料和公用工程条件的变化。 （与原来设计不同）
•
工艺调整必然性：催化剂的老化、换热器结垢、设备 状况变差的情况，需要适时调整工艺。
• 现代化的工业生产要求整个装置经济效益最大，要求 在给定约束条件下，按照适时的生产数据，求出各个 工艺参数的匹配，并随时适时优化控制。
37
大型工业装置的实时优化应该是在线、闭环实时优化。
• 在线：优化系统和装置的控制系统相连，随时根据实时数 据执行有关的计算。 • 闭环：优化系统的计算结果传送到控制系统，控制系统不 想按照优化结果实施控制。 • 实时优化是模拟和控制的紧密结合。
6
1206
1250
7
（二）开停车指导
1、开停车的重要性 大型石化装置，每开停车一次损失为几十万甚至几百万元。 2、动态模拟对开停车的重要指导作用： （1）缩短开停车时间，尽快达到稳定操作状态或安全停车； （2）降低物耗、能耗，减少开停车损耗； （3）避免可能产生的误操作或事故； （4）减少不合格产品；
控制系统
软件：填充式的控制软件——新的数据库软件——新的改
进了的优化算法——基于模型的多变量预估控制软件
13
2、典型化工装置的生产操作特性(常规控制手段下)：
（1）对动态反应存在实质性的时间延迟和滞后；
（2）要求控制的变量未能在线检测； （3）非线性动态响应； （4）相互耦合； （5）存在约束；
（6）存在大的外部干扰。
（5）开停车的最佳策略。
5
二、动态模拟的主要功能和应用领域
（一）动态特性研究
1、内容：研究过程参数随时间变化的规律，从而得到有关过 程的正确的设计方案或操作步骤。 2、作用：应用动态模拟可以更全面、正确的认识一个化工过 程，预测某一个波动或干扰发生时系统会发生怎样的变化。 3、例子：在固定床，催化剂条件下的甲烷化反应，进料为 50%的合成气和50%的水蒸气。
10
四、稳态模拟与动态模拟的异同
稳态模拟
仅有代数方程 物料平衡用代数方程描述 能量平衡用代数方程描述 严格的热力学方法 无水力学限制
动态模拟
同时有微分方程和代数方程 物料平衡用微分方程描述 能量平衡用微分方程描述 严格的热力学方法 有水力学限制
无控制器
有控制器
11
2.2 化工过程先进控制
一、概述
1、美国（1996年之前）
Setpoint公司的SMCA Dynamic Matrix Control公司的DMC
1998年加拿大 Treiber Control公司
1996年 Aspen Tech公司收购
Aspen Tech公司： 软件DMC Plus融合上述2个软件的优点， 1997年底，全世界实施先进控制的项目有1500套， Aspen Tech完成了1050套，占70%。 全世界最大的五套催化裂化装置全部采用的Aspen Tech的 DMC技术。
31
Setpoint公司：
成立于1977年
曾承担过大量石油化工装置的先进控制项目的设计工 作。 特点：工程经验丰富，工程业绩遍及全世界 最早进入中国的过程控制公司，中国有多套由它设计
的先进控制在运行。
32
Dynamic Matrix Control公司：
• • • 1984年创办。 创办人：Dr. Charlie Culter，先进控制理论创始人之一。 该公司长期从事动态矩阵控制软件的研究和应用，其软
1、先进控制的历史 先进控制理论20世纪70年代初提出；
工业上的最初应用始于70年代末； 90年代以来，先进控制的工业应用获得了蓬勃发展，获 得巨大经济效益，大量工业装置纷纷在已有的DCS的基 础上配备了先进控制系统。 21世纪，先进控制技术在许多方面发展十分成熟：
• • • • 各种多变量预估控制的理论基础已被广泛认同； 多变量预估控制涉及的范围不断地扩充； 多变量预估控制软件包不断涌现； 大量的先进控制正在在各种工业装置中实施。
16
2、实际上，众多过程变量之间的相互影响是必然 的，操作变化和控制变化之间的关系如图2-3
17
3、DCS的缺点：
（70年代初进入工业装置） 基本不考虑变量之间的相互影响，将操作变量 （manipulated variable ,MV）和控制变量（controlled variable，CV）之间的关系设定为一一对应的关系。 一一对应的关系忽略了变量之间的耦合关系，不能反 映装置的实际情况，因此难以真正实现装置的平稳控 制。
精馏塔的先进控制理论：
由先进控制包发出信
号，同时进行调节。
先进控制包：所有控制变化的变化（塔顶、塔釜产品质量 波动、塔内压力差），考虑操作变量对不同控制影响的大 小，通过模型的预估计算，分别得到对塔顶回流量，塔顶 压力及再沸器加热介质流量的调节值。
20
三、先进控制的特点
1、控制性能
先进控制技术能够提供远比传统控制PID控制好得多的控 制性能： 1）它能处理多输入、多输出的控制问题。 2）它可以处理PID难以处理的“慢动作”的工艺过程。 （ PID 适用于“快动作”控制回路，如温度、压力流量）。 3）由于其预估特性，可以有效地控制具有较大的纯滞后或 时间常数回路。 4）不仅计算控制器当前的一组设定值，而且要计算将来的 若干组设定值，这样可有效确定预期的、将来的控制器设定 21 值，保证不违反所有的约束条件。
28
4、执行过程
• 第一组预期的操作变量设定值付诸实施后，每一次执行多 变量预估控制时，控制变量的预估值都要采用当前的装置 测量进行计算和予以更新，以保证多变量预估控制和实际 装置的一致性。
29
五、先进控制的经济效益
先进控制务必在DCS的基础上方能实施，各种不同石油 化工装置实施先进控制后，其净增（含实时优化）见下 表2-2
二、先进控制和DCS（集散型控制系统）控制的主要区别
三、先进控制的特点
四、多变量预估控制的执行步骤
五、先进控制的经济效益 六、国外发展概况 七、先进控制实施的外部条件
12
2.2 化工过程先进控制
一、概述 1、化工过程控制的巨大变化： 硬件：手动阀门——自动控制阀——PID控制器（比例-积
分-微分控制器）——集散型控制系统（DCS）——计算机