21世紀的儀表與儀器在線(xiàn)分析技術(shù)

 

一 在線(xiàn)分析技術(shù)在先進(jìn)過(guò)程控制實(shí)時(shí)優(yōu)化中居不可或缺的地位

 

　　回想在1963年時(shí)，由于工作關(guān)系使我有較多機會(huì )學(xué)習并接觸到許多有關(guān)成分分析儀器的發(fā)展和可能應用課題。那時(shí)我曾提出"分析技術(shù)儀表化與分析儀器自動(dòng)化乃是解決科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)現代化的重要手段"，并且，還提出"僅僅掌握了熱工參數并不可能探知隨著(zhù)生產(chǎn)過(guò)程而出現的原料成分變化、觸媒性能衰減和雜質(zhì)積聚等現象。"我當時(shí)的這些話(huà)，既有推理成分，也有鼓氣因素，不過(guò)今天看來(lái)似乎也還有些道理。

 

　　40年過(guò)去了，我們今天的流程控制技術(shù)總體規模越來(lái)越大，效率和效益指標越來(lái)越高，并且隨著(zhù)市場(chǎng)的激烈競爭，從原材料到品牌都要求能具有一定的柔性生產(chǎn)適應性，節約能源和保護環(huán)境也引起社會(huì )極大的關(guān)注。所以，應運而生的先進(jìn)控制技術(shù)(APC)、實(shí)時(shí)優(yōu)化(RT-OPT)用于提高裝置操作、控制、管理水平，來(lái)追求更大的經(jīng)濟效益，已成為當今(特別是石化企業(yè))迫切需要解決的熱門(mén)手段?？墒窃谶@樣大的熱潮下，在線(xiàn)分析儀器卻成了一個(gè)難題。我想應該再次呼吁從事分析儀器和自動(dòng)化技術(shù)工作的同志們攜起手來(lái)，重視并積極參與在線(xiàn)分析儀器的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。

 

　　回顧半個(gè)世紀以來(lái)我國自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，我們曾經(jīng)忙忙碌碌地從研制簡(jiǎn)單的機械式指示儀表到氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表，從單機自動(dòng)化到成套控制系統，取得了很大成功。但是在檢測參量上則比較偏重于溫度、壓力、液位、流量等熱工參數，直到20世紀50年代后期也只有很少的幾種工業(yè)用的熱導式CO和CO2氣體分析儀器可作為鍋爐燃燒效率的參考。1959年，北京分析儀器廠(chǎng)開(kāi)始籌建(算是蘇聯(lián)援助的156項國家重點(diǎn)建設項目中最后的補充項目)，它的主導產(chǎn)品是用于原子能核材料分析用的同位素質(zhì)譜計和化學(xué)分析用的色譜儀以及核磁共振波譜儀等實(shí)驗室用分析儀器。值得一提的是在它的產(chǎn)品大綱中除上述產(chǎn)品外還有工業(yè)用紅外線(xiàn)氣體分析儀(即蘇聯(lián)型號OA，但并未投產(chǎn))、磁氧分析器以及標準氣體配氣站的概念設計等新內容，而這些項目為我們進(jìn)入連續在線(xiàn)成分量檢測奠定了基礎。與此同時(shí)，通過(guò)質(zhì)譜儀和氣相色譜儀的研制，我們開(kāi)始領(lǐng)悟到在成分量檢測技術(shù)中最令人煩心的事，即樣品的預處理以及如何排除共生物質(zhì)的干擾的定性定量的校正和數據處理。而恰在這時(shí)，通過(guò)對色譜和質(zhì)譜技術(shù)的探索，我們已意識到想要解決成分分析技術(shù)中的難點(diǎn)，可以將"分離與分析"解析為兩個(gè)技術(shù)系統來(lái)考慮。同樣，對自動(dòng)化過(guò)程中有關(guān)成分量的分析，應將"全譜"分析和計算技術(shù)相結合。于是我們又提出"為了滿(mǎn)足大型化工、石油工廠(chǎng)高度自動(dòng)化的控制要求，把樣品進(jìn)行全面分離和分析，然后進(jìn)行綜合運算加工處理"的設想。

 

　　這些都是40年前通過(guò)工作實(shí)踐和理論結合想到的一些思路和可能走的途徑?？上?，由于歷史的原因，使我們浪費了許多年的時(shí)間。同樣可惜的是，改革開(kāi)放后引進(jìn)大型成套工程所帶的流程分析儀器與國產(chǎn)儀器之間的差距越來(lái)越大;出現了工廠(chǎng)規?；麨榱?、投資不足、技術(shù)骨干流失等現象。若再談?wù)衽d，真得從長(cháng)計議。

 

　　這幾年由于參與分析儀器學(xué)會(huì )的學(xué)術(shù)活動(dòng)以及學(xué)習現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，不斷地與自動(dòng)化學(xué)術(shù)界與工程設計的專(zhuān)家們交往，使我眼界大開(kāi)。如在諾大的一個(gè)石化工程中，除了中央控制室里和現場(chǎng)若干成分量分析儀的專(zhuān)用柜外，還大量出現"分析系統集成小屋"。據我以前搜集到的信息，僅僅以廣東茂名的30萬(wàn)噸乙烯工廠(chǎng)為例，便有10多個(gè)分析系統集成小屋，分布在各生產(chǎn)裝置現場(chǎng)，總設備投資約500萬(wàn)美元。

 

　　他們所用的在線(xiàn)分析儀器已有150臺之多。

 

　　他們所用的在線(xiàn)分析儀器已有150臺之多。

 

　　二 案例分析

 

　　1.美好的設想

 

　　目前，由于經(jīng)濟全球化的影響，國內外石化企業(yè)正在大規模地進(jìn)行生產(chǎn)裝置的提升改造和/或控制系統的更新，特別是通信網(wǎng)絡(luò )和計算機軟件技術(shù)發(fā)展神速，于是便產(chǎn)生了三大熱點(diǎn)問(wèn)題：

 

　　(1)以多變量預估控制為代表的先進(jìn)控制技術(shù);

 

　　(2)以在線(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化為核心的過(guò)程優(yōu)化技術(shù);

 

　　(3)以信息管理和工業(yè)控制集成為中心的CIMS技術(shù)。

 

　　我個(gè)人思想上比較保守，總認為硬件(指工藝和裝備檢測與控制)和軟件(科技與管理)在不同時(shí)期不同條件下都有一定的比例協(xié)調關(guān)系，弄不好就會(huì )失調以至失控。特別是目前社會(huì )上有部分人把推理計算和建模擺在唯一和必然的途徑，這往往就掩蓋了物化過(guò)程中產(chǎn)生的本質(zhì)問(wèn)題。所以，我對APC在這次改造工程中的作用非常感興趣，因為它的確能取得良好的經(jīng)濟效益，但同時(shí)也表明如果我們能使用高性能的在線(xiàn)分析儀器，那么整個(gè)控制系統的效果便會(huì )好很多。

 

　　2.14萬(wàn)噸/年聚丙烯裝置實(shí)例

 

　　14萬(wàn)噸/年聚丙烯裝置由A、B兩條生產(chǎn)線(xiàn)組成，它使用高效催化劑，是液、氣兩相結合的本體法聚合工藝，可以生產(chǎn)均聚物、無(wú)規共聚物和嵌段共聚物等10多種牌號的產(chǎn)品。自1987年投產(chǎn)以來(lái)，裝置運行基本正常。由于聚合反應機理復雜，對關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的熔融指數(Melt

 

　　Flow

 

　　Rate-MFR)、漿液濃度、反應器產(chǎn)導等重要工藝參數(實(shí)質(zhì)上就是成分量參數)不能進(jìn)行在線(xiàn)測量，在一定程度上影響了生產(chǎn)的穩定性和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。具體說(shuō)就是：

 

　　(1)因漿液濃度不好測控，影響聚合反應器的穩定性;

 

　　(2)因最直接的質(zhì)量指標熔融指數難以嚴格測控，帶來(lái)一系列的質(zhì)量問(wèn)題;

 

　　(3)由于市場(chǎng)需求不同，不可避免地在不同產(chǎn)品生產(chǎn)切換過(guò)程中會(huì )帶來(lái)?yè)p失(包括過(guò)渡時(shí)間長(cháng)，單體和催化劑等用料多，優(yōu)級品率低，甚至產(chǎn)生因堵塞而造成的非計劃停車(chē)等)。

 

　　針對上述因素，該裝置的APC軟件系統分為3個(gè)部分，即：

 

　　(1)APC推理計算(APCInferentialCalculation)

 

　　從表面上看，推理計算過(guò)程也是建立反應器數學(xué)模型的過(guò)程，它的機理是要正確反應過(guò)程的質(zhì)量平衡和能量平衡。其基本算式為：

 

　　MassIN=MassOUT(1)

 

　　各組分的總質(zhì)量平衡算式為

 

　　dM/dt=Mi-Mo+生成的M

 

　　式中M——反應器中反應物的質(zhì)量

 

　　Mi——注入質(zhì)量

 

　　Mo——流動(dòng)質(zhì)量