專利名稱：丙烯腈生產裝置及其控制反應器溫度的方法
技術領域：
本發明涉及一種丙烯腈生產設備及工藝，尤其涉及一種丙烯腈生產裝置及其控制反應 器溫度的方法。
背景技術：
丙烯腈是生產聚丙烯腈纖維的主要原料，有著廣闊的市場空間。
現有技術中的丙烯氨氧化法生產工藝，是在流化床反應器中，丙烯、氨、空氣在催化 劑的作用下生成丙烯腈和其它副產物。丙烯腈生產工藝流程大致分為五個部分合成、分 離、后處理、乙腈、硫氨。
丙烯腈生產裝置的核心是一個流化床反應器。液態丙烯和液態氨進入丙烯腈生產裝 置，經過丙烯、氨蒸發系統后，形成兩股氣體在流化床反應器入口處混合并與來自空氣壓 縮機的空氣一起進入流化床反應器底部。當反應氣體通過流化床反應器時，在催化劑作用 下發生強放熱反應，生成丙烯腈。反應產物和未反應的氣體通過旋風分離器從流化床反應 器上端出口流出。流化床反應器出口氣體中包含有未反應的氨、丙烯和氧氣，以及氮氣、 丙烯腈、乙腈、氫氰酸、二氧化碳、 一氧化碳、水蒸汽和少量的其它物質。這些熱的反應 氣體通過一臺換熱器， 一方面加熱流化床反應器蒸汽盤管中所用鍋爐水， 一方面反應氣體
本身被冷卻到250'C左右。
流化床反應器釋放出來的熱一部分用來維持反應正常進行，另外一部分熱量通過垂直
安裝于流化床反應器內的蒸汽盤管(U形管)來生產高壓蒸汽。流化床反應器溫度的控制 是通過增加或減少使用飽和蒸汽盤管的數量，或調節反應器的進料量來實現的。根據工藝
分析和操作經驗可以知道，影響丙烯腈流化床反應器的反應溫度的主要因素有丙烯進 料、氨進料、空氣進料、反應壓力、撤熱水溫度和流量等。
反應溫度是丙烯氨氧化生成丙烯腈的一個重要條件。反應溫度的變化對丙烯轉化率、
丙烯腈收率、氰氫酸收率和乙腈收率及催化劑活性都有影響。當反應溫度在35(TC以下時， 幾乎不生成丙烯腈。較高的反應溫度對丙烯腈的生成有利，溫度升高時，丙烯轉化率、丙 烯腈收率提高，而副產物乙腈和氫氰酸收率有所下降；但溫度過高時丙烯腈收率不再增 加，二氧化碳副產物卻大量生成，甚至造成燃燒和催化劑壽命急劇降低。由于丙烯腈流化床反應器的反應溫度與丙烯的轉化率、丙烯腈收率、催化劑壽命等直 接相關，同時，為了后期流化床反應器在線操作優化工作的實施，因此，必須對流化床反 應器反應溫度進行穩定控制。
現有技術中，在流化床反應器的控制系統中，流化床反應器的溫度控制手段有兩個方 面 一是對于較大的溫度調節靠增加或減少蒸汽盤管的數量或改變其型號來維持；二是正 常生產階段靠微量調節丙烯進料量來實現。由于流化床反應器溫度微調采用調節丙烯進料 流量來完成，所以溫度與進料配比相互之間有很大影響。
目前，丙烯腈流化床反應器溫度控制系統是由典型的串級控制系統和多閉環的比值調 節系統構成。該系統由一個反應器溫度和丙烯流量組成的串級控制回路、 一個丙烯流量/氨 流量的比值調節回路和一個丙烯流量/空氣流量的比值調節回路構成。這三個調節回路互相 獨立又互相關聯。將流化床反應器的溫度作為被控的主參數，三進料量為副參數，在蒸汽 盤管投用數量一定的情況下，通過手動控制和PID控制調節進料量來穩定反應器溫度，形成 反應器溫度與丙烯流量的串級控制，而氨流量和空氣流量均隨丙烯流量的變化而變化，構 成閉環的比值調節系統。
上述現有技術至少存在以下缺點
流化床反應器溫度控制很不穩定。同時，丙烯進料PID控制器的控制量變化頻繁，加 重了執行機構的負擔，縮短了執行機構的使用壽命。

發明內容
本發明的目的是提供一種反應器溫度控制穩定，執行機構變化平穩、使用壽命長的丙 烯腈生產裝置及其控制反應器溫度的方法。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的
本發明的丙烯腈生產裝置，包括反應器，所述反應器設有溫度控制回路，所述溫度控
制回路包括GPC控制器和進料控制回路，所述GPC控制器的輸出端與所述進料控制回路的輸
入端連接。
本發明的上述的丙烯腈生產裝置控制反應器溫度的方法，包括步驟
首先，采集反應器的設定溫度信息和實際溫度信息，并根據該信息采用GPC控制算法 計算所述反應器的進料流量的調節值；
然后，將所述進料流量的調節值與設定值相加，所得的值作為所述進料流量的實際設 定值；
之后，根據所述反應器的設定溫度信息和實際溫度信息對所述進料流量進行調節，實 現對所述反應器溫度的控制。由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明所述的丙烯腈生產裝置及其控制反應 器溫度的方法，由于溫度控制回路包括GPC控制器和進料控制回路，GPC控制器的輸出端與 進料控制回路的輸入端連接。進行溫度控制時，首先根據反應器的設定溫度信息和實際溫 度信息，采用GPC控制算法對反應器的進料流量的設定值進行修正，得出進料流量的實際設 定值；之后再根據反應器的設定溫度信息和實際溫度信息對進料流量進行調節，實現對反 應器溫度的控制。反應器溫度控制穩定，執行機構變化平穩、使用壽命長。


圖l為本發明的丙烯腈生產裝置中的反應器溫度控制回路的原理框圖;
圖2為本發明中溫度控制回路的數據通訊原理框圖3為本發明中GPC控制軟件的流程圖4為現有技術中未運行GPC控制時的反應器溫度曲線示意圖； 圖5為本發明中運行GPC控制時的反應器溫度曲線示意圖。
具體實施例方式
本發明的丙烯腈生產裝置，其較佳的具體實施方式
如圖l所示，包括反應器，反應器 設有溫度控制回路，溫度控制回路包括GPC控制器和進料控制回路。GPC控制器的輸出端與 進料控制回路的輸入端連接，二者構成串級控制回路。
進行溫度控制時，首先由GPC控制器根據反應器的溫度信息，采用GPC控制算法對反應 器的進料流量的設定值進行修正，得出進料流量的實際設定值；之后再由進料控制回路對 進料流量進行調節，實現對反應器溫度的控制。通過兩級控制，可以使反應器溫度控制穩 定，執行機構變化平穩、使用壽命長。
具體進料控制回路可以包括丙烯進料控制回路、氨氣進料控制回路和空氣進料控制回 路，三條控制回路相互并聯。丙烯進料控制回路、氨氣進料控制回路和空氣進料控制回路 上分別設有丙烯進料PID控制器、氨氣進料PID控制器和空氣進料PID控制器，可以對丙烯進 料、氨氣進料和空氣進料流量分別進行調節。
本發明的上述的丙烯腈生產裝置控制反應器溫度的方法，包括步驟
首先，采集反應器的設定溫度信息和實際溫度信息，并根據該信息采用GPC控制算法
計算所述器的進料流量的調節值；
然后，將計算所得的進料流量的調節值與設定值相加，所得的值作為進料流量的實際
設定值；之后，以進料流量的實際設定值為基準，根據反應器的設定溫度信息和實際溫度信息 對進料流量進行調節，實現對反應器溫度的控制，可以通過PID算法對進料流量的調節值進 行計算。
在計算進料流量的實際設定值時，可以首先計算丙烯進料流量的實際設定值； 然后，根據氨烯比和空烯比分別計算氨氣和空氣進料流量的實際設定值； 之后，根據計算的結果對丙烯、氨氣和空氣的進料流量分別進行調節。 其中，實際溫度信息包括反應器的實際溫度值和溫度的變化率等；設定溫度信息包括 設定溫度值和溫度的控制范圍等。
因為工業過程比較復雜，難以建立精確的數學模型。又因為生產環境的改變和外來干 擾的影響，使得精心建立的精確模型并不能很好地描述實際的被控對象。因而，有時根據 這種精確模型提出的最優控制方案不能奏效，甚至難以達到預期的理想效果。所以在目前 的工業過程控制中，通常并不追求理想的最優控制效果，而更關心保持良好的控制性能。 工業過程控制中常用的是PID控制、前饋控制等，其功能多半是模擬調節器的數字化過程， 控制規律沒有太大的改變。
GPC控制(廣義預測控制，Generalized Predictive Control)是一種新型的計算機 控制算法。廣義預測控制可以采用遞推方法避免Diophantine方程在線求解，但還是要進行 高維矩陣運算，包括矩陣求逆運算，計算量非常大，況且有時矩陣不可逆，不利于在線實 施。
為簡化計算，在實際應用中，在實際控制系統運行時，應盡量減小控制量的變化波 動，可以通過階梯式控制策略，以減少計算量，即預測的若干步控制量增量遵循一個比例 系數AW,+1/Aw,="，其中A"w和At/,分別為預測的,+ l時刻和f時刻的控制量增量。
這樣控制量呈現階梯狀，變化穩定均衡，避免了矩陣的在線求逆，計算也因此大為簡 化。階梯式控制，就是對未來控制量的變化加以約束，強迫未來控制量以一階指數響應曲 線的形式變化。當- = 1時，每一步控制量都相同，控制量的變化呈臺階狀。在控制工程 中，控制量不宜變化頻繁，變化幅度不宜過大， 一段時間內應當向一個方向變動。當〃>1 時，未來控制量增量遞增，表明更希望在未來時刻改變控制量，響應速度較慢，控制量平 緩；當"<1時，未來控制量增量遞減，表明更希望在當前時刻改變控制量，響應速度較 快。的取值應在被控系統的快速性與平穩性之間取折衷。
本發明在不改變原有的控制結構的基礎上，增加了一個廣義預測控制器GPC以改善控 制品質，其控制量為丙烯進料量的調整值，這個調整值與丙烯進料量的設定值(車間生產 任務決定)相加作為實際的丙烯進料PID回路實際設定值，通過微量的丙烯流量變化達到調整反應器溫度的效果。同時通過實際的丙烯進料實際設定值、氨烯比和空烯比來計算氨進 料和空氣進料PID回路的實際設定值，調整氨和空氣的進料量。
本發明的丙烯腈裝置的溫度控制回路的數據通信原理，如圖2所示 現有技術中的丙烯腈裝置包括DCS (Distributed Control System,集散控制系統)，
可以采用美國EMERSON公司的Delta V集散控制系統。Delta V集散控制系統主要由工程師站 (Profession Plus) 、 0PC Server服務器及多個操作站(Operator Station)構成，同時
還可以包括AMS設備管理系統、事件記錄服務器、網絡服務器(Web Server)、歷史信息管
理服務器(Historian+ MIS)等；可以通過應用控制器(Controller)參與現場過程控制。
本發明開發了一個丙烯腈反應器溫度階梯式GPC控制軟件，為了實現操作優化，且不 影響原有的DCS系統，可以在DCS系統上擴展一臺單獨的上位機__先進控制站，將丙烯腈 反應器溫度階梯式GPC控制軟件整合到先進控制站中。由于Delta V集散控制系統整合了OPC 服務器，所以先進控制站和DCS系統之間的數據通訊可由OPC標準接口完成。
如圖3所示，本發明中，丙烯腈反應器溫度階梯式GPC控制軟件流程的具體實施例，包
括
步驟l、初始化及控制參數設置
可以包括預測步長、控制步長、階梯因子、柔化因子、權重因子等，及模型各項參 數、程序控制參數等；
還可以包括預測運算預置數據(一定長度的輸入輸出序列)、計算柔化軌跡等；
可以是上述參數中的一種或多種參數。
步驟2、獲取當前周期實時數據
包括讀取當前丙烯流量的設定值和反應器溫度的數據信息，以及其它需要的數據信
息；
步驟3、預測控制計算
首先，計算"控制量"，即丙烯流量的調整值，該調整值與設定值相加，所得的值為
丙烯流量的實際設定值；
然后，根據氨烯比和空烯比計算出氨氣的實際設定值和空氣的實際設定值。
步驟4、將丙烯實際設定值、氨氣實際設定值和空氣的實際設定值的輸出，并等待下
一周期。
本發明中的GPC控制軟件程序的編寫可以按照模塊化設計原則和面向對象的方法來實現，包括遞推最小二乘辨識算法、丟番圖方程求解、階梯式廣義預測控制算法等拆分的單 獨模塊，可以在其它程序中實現代碼共享。具體可以包括以下模塊 實時數據采集模塊
通過數據緩沖器(Data Buffer Pool)獲取從0PC CLIENT的實時數據，并按不同的采 樣要求進行分類和存儲；通過對采集的數據進行有效性檢查、漏失數據的彌補、濾波、歸 一化處理，以備優化和控制使用。
模型辨識模塊
采用漸消記憶的遞推最小二乘算法辨識模型。
假設系統對象可寫成
<formula>formula see original document page 9</formula>對象的輸入為丙烯進料量，單位為麗3/h，其值范圍在0 2300;對象的輸出為反應器 溫度的測量值，單位為i:，其值范圍在426 428。采用漸消記憶的遞推最小二乘算法辨識 模型，其算法為-
<formula>formula see original document page 9</formula><formula>formula see original document page 9</formula> ——采用漸消記憶的遞推最 小二乘算法在線辨識模型，每一次辨識收斂并得到合理的辨識結果后，控制器將更新對象的 數學模型，再重新進行控制律的設計。
通過改變丙烯進料負荷，觀察負荷開始調整時間和反應溫度變化時間確定模型純滯后 時間，并通過相關系數法再次確認純滯后步數。
GPC參數設置模塊
實現基于階梯式廣義預測控制的反應器溫度的自動控制；包括預測步長、控制步長、 柔化因子、階梯因子、控制量變化量的權重、控制量的上下限、控制量每步限幅、控制量 變化限幅的設置功能。
GPC模型參數設置模塊預測控制模型參數的設置功能。
GPC控制算法模塊階梯式廣義預測控制的算法實現。
為了便于査詢，在GPC控制軟件的運行過程中產生一系列的中間數據文件，并且所有
文件都采用系統文件的格式進行文件讀寫。考慮到隨著時間的推移，產生的數據會逐漸失去其應有的意義，因此這些文件均采用環狀結構，當達到一定的數據量以后，就進入循 環，以新數據代替無效的舊數據，這樣既保證數據量充足，又避免了數據文件的無限擴 大。
本發明在設計GPC控制器時，還可以考慮以下原則
1) 安全性、可靠性操作人員對手動及PID控制比較熟悉，有一定操作經驗，但對 GPC控制比較陌生，所以實現預測控制時要充分考慮操作人員的適應性。
具體可以保留原PID控制及手動控制。當切換到GPC控制時，通過GPC控制操作實現GPC 控制和PID控制；當需要切換回PID控制時，或者在GPC控制出現意外的情況下，可以人為手 工切換到PID控制，保證裝置可靠運行。
2) 友好性GPC控制器的人機界面可以采用外觀與PID控制器相似的設計，顯示控制 器的設定值、控制量的輸出值、測量值等，可以很方便地調整控制器參數。
3) 有效性采用GPC控制時應盡可能減少人工干預。GPC控制器能對一些不良情況 (如反應器溫度的異常設定、丙烯流量和氨流量的異常設定)進行自動處理，以方便使用。
本發明提供了在線修改參數的功能，這樣在投運過程中也可以很方便地不斷在線調整 參數，實現對反應器溫度的控制。可以使反應器溫度控制穩定，執行機構變化平穩、使用
壽命長o
如圖4所示，在沒有運行階梯式GPC控制前，反應器溫度的控制靠人工手動調節丙烯進 料量，反應溫度很不穩定。圖中，溫度圖的縱坐標跨度是1.6'C，橫坐標為時間(刻度單位 為小時)。可以看出沒有運行階梯式GPC控制時反應溫度的波動較大，波動范圍有1.67'C， 并且溫度很不穩定，超過了催化劑的溫度范圍(426°C 428°C)，影響了催化劑的使用壽 命。
如圖5所示，在運行GPC控制后，溫度圖的縱坐標跨度是1.6'C，橫坐標為時間(刻度 單位為小時)。可以看出投用GPC控制時反應器溫度的波動較小，波動范圍只有0.43"C，反 應器溫度十分穩定， 一直都處在催化劑溫度范圍中。反應器溫度平均值為427.40'C，標準 差為O. 07。
對不投用GPC控制和連續投用GPC控制各一周的數據分析表明，在反應器溫度控制品質 提高的同時，丙烯腈收率也提高了0.3228%。
本發明實現了丙烯腈流化床反應器溫度的預測控制，很好的解決了由反應器進料流量 波動、反應壓力變化等因素引起的反應溫度的大幅波動問題，提高了反應器溫度的控制品 質，同時也提高了丙烯腈收率，取得了巨大的經濟效益。本發明增加了一個廣義預測控制器以改善控制品質。其控制量為丙烯進料量的調整 值，這個調整值與丙烯進料量的設定值(車間生產任務決定)相加作為實際的丙烯進料PID 回路設定值，通過微量的丙烯流量變化達到調整反應器溫度的效果。同時通過實際的丙烯 進料、氨烯比和空烯比來計算氨進料和空氣進料PID回路的實際設定值，調整氨和空氣的進 料量。本發明中流化床反應器溫度廣義預測控制器在不改變原有控制系統結構的基礎上加 入，和原有的丙烯流量控制回路一起構成串級控制，以提高反應溫度控制品質。實際運行 結果表明，該方案實施具有很好的控制效果。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都 應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1. 一種丙烯腈生產裝置，包括反應器，所述反應器設有溫度控制回路，其特征在于，所述溫度控制回路包括GPC控制器和進料控制回路，所述GPC控制器的輸出端與所述進料控制回路的輸入端連接。
2、 根據權利要求l所述的丙烯腈生產裝置，其特征在于，所述進料控制回路包括相互 并聯的丙烯進料控制回路、氨氣進料控制回路和空氣進料控制回路。
3、 根據權利要求2所述的丙烯腈生產裝置，其特征在于，所述丙烯進料控制回路、氨 氣進料控制回路和空氣進料控制回路上分別設有丙烯進料PID控制器、氨氣進料PID控制器 和空氣進料PID控制器。
4、 一種權利要求l、 2或3任一項所述的丙烯腈生產裝置控制反應器溫度的方法，其特 征在于，包括步驟首先，采集反應器的設定溫度信息和實際溫度信息，并根據該信息采用GPC控制算法 計算所述反應器的進料流量的調節值；然后，將所述進料流量的調節值與設定值相加，所得的值作為所述進料流量的實際設 定值；之后，根據所述反應器的設定溫度信息和實際溫度信息對所述進料流量進行調節，實 現對所述反應器溫度的控制。
5、 根據權利要求4所述的控制反應器溫度的方法，其特征在于，計算所述進料流量的 實際設定值時，首先計算丙烯進料流量的實際設定值；然后，根據氨烯比和空烯比分別計算氨氣和空氣進料流量的實際設定值； 之后，根據計算的結果對丙烯、氨氣和空氣的進料流量分別進行調節。
6、 根據權利要求4或5所述的控制反應器溫度的方法，其特征在于，計算出所述進料 流量的實際設定值后，對所述進料流量進行調節時，通過PID算法對所述進料流量的調節值 進行計算。
7、 根據權利要求4或5所述的控制反應器溫度的方法，其特征在于，所述實際溫度信 息包括所述反應器的實際溫度值和溫度變化率。
8、 根據權利要求4或5所述的控制反應器溫度的方法，其特征在于，所述設定溫度信 息包括所述設定溫度值和溫度控制范圍。
9、 根據權利要求4所述的控制反應器溫度的方法，其特征在于，所述GPC控制算法包 括步驟A、初始化及控制參數設置，包括以下參數中的一種或多種參數設置預測步長、控制步長、階梯因子、柔化因子、權重因子、模型參數、程序控制參數、預測運算預置數 據、計算柔化軌跡；B、 獲取當前周期實時數據包括讀取當前丙烯流量的設定值和反應器的溫度信息；C、 預測控制計算，具體包括計算所述丙烯流量的實際設定值、氨氣流量的實際設定 值和空氣流量的實際設定值；D、 將所述丙烯流量的實際設定值、氨氣流量的實際設定值和空氣流量的實際設定值 的輸出，并等待下一周期。
10、根據權利要求9所述的控制反應器溫度的方法，其特征在于，所述GPC控制算法的 軟件安裝于單獨的上位機中。
全文摘要
本發明公開了一種丙烯腈生產裝置及其控制反應器溫度的方法，包括GPC控制器和PID進料控制回路，GPC控制器的輸出端與PID進料控制回路的輸入端連接。進行溫度控制時，首先根據反應器的設定溫度信息和實際溫度信息，采用GPC控制算法對反應器的進料流量的設定值進行修正，得出進料流量的實際設定值；之后再通過PID算法對進料流量進行調節，實現對反應器溫度的控制。可以使反應器溫度控制穩定，執行機構變化平穩、使用壽命長。
文檔編號G05D23/19GK101284801SQ20081011248
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月23日 優先權日2008年5月23日
發明者劉云松, 孫德敏, 毅 張, 偉 王, 薛美盛 申請人:中國科學技術大學