軟儀表建模新方法的探究與分析

辛克鵬，劉鑒徵

（中國石化齊魯石化公司信息中心，山東 淄博255400）

1 引言

石化行業(yè)中，操作人員主要根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果和操作經(jīng)驗(yàn)調(diào)整工藝各參數(shù)。由于化驗(yàn)數(shù)據(jù)的滯后性，會造成質(zhì)量偏差增大，而操作員的操作經(jīng)驗(yàn)不同，會造成產(chǎn)品質(zhì)量不一致，這樣操作導(dǎo)致的質(zhì)量波動大，更重要的是會增加能耗。為解決這一問題，軟測量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文主要以煉油廠連續(xù)重整工藝中芳烴含量軟儀表建模為例，對原方式建模與新方式建模進(jìn)行比較、分析。將非線性軟儀表模型，通過迭代算法轉(zhuǎn)換成線性模型，最終實(shí)現(xiàn)精確的軟測量。

2 工藝簡介

連續(xù)重整工藝為煉廠生產(chǎn)高辛烷值汽油和芳烴的重要裝置，主要將低辛烷值石腦油變成富含芳烴的高辛烷值汽油組分。整套工藝包括：原料預(yù)處理、重整、抽提、精餾四部分。預(yù)處理過程主要從原料中切割60～130℃餾分，除去雜質(zhì)。原料經(jīng)催化劑反應(yīng)后，環(huán)烷烴轉(zhuǎn)化為芳烴。通過抽提將來自重整部分的脫戊烷油中的芳烴與非芳烴分離，分離出來的芳烴與非芳烴進(jìn)一步精餾出苯、甲苯、二甲苯、重芳烴、溶劑油等化工產(chǎn)品[1]。

3 現(xiàn)狀分析

以往建立軟儀表模型過程，通常是使用數(shù)據(jù)回歸的方法,按照日期，對于影響質(zhì)量含量的相關(guān)參數(shù)點(diǎn)進(jìn)行取數(shù)，一般取一小時的平均值。完成取數(shù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選處理，將有明顯錯誤的數(shù)據(jù)（如儀表測量問題造成的錯誤數(shù)據(jù)、特殊生產(chǎn)狀況下的數(shù)據(jù)等）進(jìn)行剔除。在做軟測量的軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸，一般會有幾種固定的軟儀表模型進(jìn)行選擇：線性、非線性、線性與非線性并存、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等。工程師在做建模時通常會選用這幾種模型進(jìn)行分析，然后將軟測量的值與歷史化驗(yàn)值進(jìn)行比對，將趨勢最一致、偏差最小的那個模型作為選擇的軟儀表模型。這樣的建模方式會有弊端。一開始軟儀表的預(yù)測值與實(shí)際化驗(yàn)值偏差很小，操作人員也喜歡使用，但是隨著時間的累積以及工藝工況的改變，預(yù)測值與化驗(yàn)值的偏差會越來越大。即使擁有化驗(yàn)數(shù)據(jù)校正程序，但是校正的僅僅是常數(shù)項(xiàng)，對模型其他參數(shù)無法修正[2]。

此建模方式的精確性較差，在軟儀表建模時沒有真正考慮到工藝條件所帶來的影響，數(shù)學(xué)模型的選用是否真正合理是問題的關(guān)鍵所在。

4 改進(jìn)模型的建立

建立模型前，首先要對工藝進(jìn)行詳細(xì)了解，比如化學(xué)反應(yīng)熱平衡、能量守恒、物料平衡等關(guān)系，綜合考慮采樣時間與觀測數(shù)據(jù)間的時間差等因素。在種種關(guān)系中，確定一個大致的方程式，再推導(dǎo)出參數(shù)之間的大致關(guān)系，然后進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的回歸，將機(jī)理模型與數(shù)據(jù)回歸。

以連續(xù)重整工藝為例，此反應(yīng)為烷烴脫氫環(huán)化反應(yīng)，環(huán)烷化合物，如環(huán)己烷、甲基環(huán)己烷、二甲基環(huán)己烷，分別脫氫為苯、甲苯、二甲苯。從反應(yīng)機(jī)理圖可以推出：C6H14=C6H6+4H2，即：1摩爾烷烴可生成1摩爾芳烴和4摩爾氫氣。

如圖1，反應(yīng)物料進(jìn)入四個反應(yīng)器，設(shè)第一個反應(yīng)器的入口溫度為T1，第四個反應(yīng)器的出口溫度為T2，T1-T2=T，反應(yīng)完畢，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入分離塔，設(shè)塔入口流量為F1、塔出口流量為F2，其中T1、T2、F1、F2均為可測參數(shù)。通過精餾，產(chǎn)出脫戊烷油，同時產(chǎn)出氫氣。脫戊烷油中芳烴含量作為一項(xiàng)重要指標(biāo)，控制在≥70%，化驗(yàn)室化驗(yàn)頻次為一天。

圖1 工藝流程

從熱力學(xué)角度，此反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，高溫和低壓對此類反應(yīng)有利。同時，碳原子數(shù)越多，平衡中的芳烴產(chǎn)量越高。從動力學(xué)角度，此反應(yīng)速度隨溫度升高而加快，不受氫分壓影響，也隨原子數(shù)的增多而加快。在選擇的操作條件下，反應(yīng)是非?？斓膸缀跬耆磻?yīng)，它是由催化劑金屬功能促進(jìn)，其反應(yīng)促進(jìn)辛烷值增加。

根據(jù)反應(yīng)原理，遵循能量守恒原則，制定反應(yīng)平衡公式。按照分子摩爾數(shù)計(jì)量，設(shè)：氫油比K（摩爾比），1摩爾烷烴反應(yīng)生成芳烴吸收的反應(yīng)熱為Q1，參與反應(yīng)的油品比熱為Q2（1摩爾參與反應(yīng)的油品每升高1℃需要吸收的熱量），氫氣的摩爾比熱為Q3，油品進(jìn)料的總摩爾數(shù)為N，反應(yīng)生成芳烴的摩爾數(shù)為M，反應(yīng)過程的溫降為T=T2-T1。

則：反應(yīng)熱總量為：Q1×M

根據(jù)上述化學(xué)方程式，一摩爾烷烴反應(yīng)生成的芳烴產(chǎn)出的氫氣量（摩爾數(shù)）為：4×M，所以所以反應(yīng)后氫氣總量為：

K×N+4×M

反應(yīng)前后由溫降產(chǎn)生的熱量變化可近似為：

根據(jù)能量守恒：反應(yīng)熱=反應(yīng)前后熱焓的變化，可得到如下等式：

由于反應(yīng)前后油品的摩爾數(shù)不變，設(shè)反應(yīng)后芳烴占總油品的摩爾比為：Y1=M/N

因此，等式（1）可簡化為：

由于分餾塔的作用是去除輕組分，所以，可認(rèn)為芳烴基本全部保留在塔底，根據(jù)物料平衡，可近似認(rèn)為所有生成的芳烴全部保留在塔底抽出物里，則有：Y1×F1=Y×F2

進(jìn)而得到：Y1=Y×F2/F1（Y為最終產(chǎn)品中的芳烴含量）

代入等式（3），可得：

其中進(jìn)料流量F1、塔底出料流量F2、反應(yīng)總溫降T、氫油比K都是可測變量，芳烴含量Y為化驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用收集整理的數(shù)據(jù)，根據(jù)等式（5）進(jìn)行線性回歸，或者根據(jù)等式（4）進(jìn)行非線性回歸，都可求得系數(shù)A、B、C。再代入等式（4）即可得到最終的關(guān)系方程：Y=f（K，T，F(xiàn)1，F(xiàn)2）

5 效果對比

圖為2、圖3為3個月的數(shù)據(jù)對比，可以很明顯地看出，軟儀表的預(yù)測精度得到大幅度提高，變化趨勢與實(shí)際化驗(yàn)值非常吻合，軟儀表預(yù)測值與化驗(yàn)值差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差由2.15降低到0.95，下降約60%。

圖2 原軟儀表與化驗(yàn)值曲線對比

圖3 新軟儀表與化驗(yàn)值對比

6 作用與意義

這種方法屬于灰箱建模。從原理出發(fā)，利用工藝原理及化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，計(jì)算出大致的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換建立軟測量與可測值之間的線性關(guān)系式，將數(shù)據(jù)回歸與機(jī)理建模有機(jī)結(jié)合，能夠較為準(zhǔn)確地找到變量之間的實(shí)際關(guān)系。同時利用回歸進(jìn)行合理地簡化，可有效降低模型的復(fù)雜程度。與傳統(tǒng)意義的軟測量建模方式相比，此方法在實(shí)際應(yīng)用中預(yù)測更準(zhǔn)確，抗擾動性更強(qiáng)。