一种用于预测合成炉出口氯化氢纯度的方法发明专利

专利名称：一种用于预测合成炉出口氯化氢纯度的方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210496525.3

专利申请（专利权）人：金川集团信息与自动化工程有限公司,金川集团股份有限公司
权利人地址：甘肃省金昌市金川区新华路12号

专利发明（设计）人：张海峰,吴海宝,李刚,刘军,席伟刚,沙剑,连玉馨,盛建瑞

专利摘要：本发明提供了一种用于预测合成炉出口氯化氢纯度的方法，根据氯氢燃烧过程热化学反应方程和生产流程关联信息设计出基于生产机理和数据业务驱动的混合递推计算模型，实现氯化氢纯度实时预报并主动推送至合成工序DCS系统，其中，通过氯气、氢气燃烧过程热反应机理构建氯氢燃烧基准计算模型，并考虑到氯氢流量检测结果的“慢蠕变”特性，在递推模型中引入具有时变动态特性的纯度计算关联因子和纯度修正系数，综合协调纯度递推过程的梯度计算方向和步长，实现纯度预测结果能够反映和跟踪合成炉出口氯化氢纯度的真实状态。

主权利要求：
1.一种用于预测合成炉出口氯化氢纯度的方法，其特征在于，包括如下步骤：a.采用ModbusRTU通讯方式采集来自于合成工序DCS系统的氯气和氢气流量实时检测数据，并形成过程检测数据时序队列；
T＝nτ
其中，τ是系统的采样周期，其对应单位为s，T是氯化氢纯度离线化验周期，其对应单位为s，N是检测数据时序队列中记录的离线化验次数；
b.采用ModbusRTU通讯方式采集来自于合成工序DCS系统的离线录入并具有典型特征的氯化氢纯度数据进行预处理，并形成递推计算预测模型匹配自动更新样本域；
所述步骤a和b中数据样本的对应数据处理方法具体如下：其中，S指样本集， 指kT时刻氢气流量， 指(k‑1)T时刻氢气流量， 指kT时刻氢气流量增量， 指kT时刻氯气流量， 指(k‑1)T时刻氯气流量， 指kT时刻氯气流量增量，m指氯化氢纯度预测样本域设定长度， 指离线化验的氯化氢纯度；
c.依据氯气、氢气化学反应特征，构建氯化氢纯度基准计算模型；
所述步骤c中依据氯气和氢气在燃烧状态下的化学反应热方程式如下：H2(g)+Cl2(g)→2HCl(g)ΔH＝‑184.6KJ/mol可得到氯化氢纯度递推计算关联因子β(t‑k)，其计算过程如下：d.引入离线化验纯度和工艺计算纯度，在线递推计算氯化氢纯度修正系数；
所述步骤d中引入离线化验纯度和工艺计算纯度，动态更新在线递推计算模型的氯化氢纯度修正系数为：其中， 指氯化氢纯度预测系统在p时刻采集到来自DCS系统更新的离线化验氯化氢纯度数据，Ppre(t‑p)指p时刻与离线化验氯化氢纯度数据 时间尺度对应匹配的递推关联因子， 指p时刻合成炉离线化验氯化氢纯度的绝对增量，α(t‑p)指p时刻氯化氢预测纯度修正系数，来自氯化氢纯度预测系统的中间计算单元，α(t)指当前氯化氢预测纯度修正系数，α(t‑k)指氯化氢纯度修正系数定长队列中第k个氯化氢预测纯度修正系数，n指氯化氢纯度修正系数定长队列的设定长度；
e.结合氯化氢纯度修正系数和氯化氢纯度基准计算模型，形成氯化氢纯度在线递推预测模型；
所述步骤e中氯化氢纯度在线递推预测模型为：
其中， 指k时刻氢气流量增量， 指k时刻氯气流量增量；
f.根据当前氯气、氢气检测流量，实时预测输出合成炉出口氯化氢纯度，以边界约束条件为判定准则，对预测纯度数据进行主动审核筛选，最终结果在操作界面上显示，并通过ModbusRTU总线通讯方式传输至DCS系统；
所述步骤f中氯化氢纯度预测模型如下：
其中， 指当前合成炉出口的氯化氢预测纯度，α(t)指当前合成炉出口氯化氢预测纯度修正系数，Ppre(t)指当前氯化氢预测纯度模型输出；
所述步骤f中对合成炉出口氯化氢纯度的边界约束条件如下：其中，Pcal(t)指当前氯化氢计算纯度，Pcal(t)计算方式和需满足的要求如下：其中， 指指当前合成炉入口氯气流量， 指当前合成炉入口氢气流量；
g.根据离线化验结果和模型样本时序队列更新条件，刷新样本集，重新计算氯化氢纯度预测模型参数并完成模型迭代。 说明书 : 一种用于预测合成炉出口氯化氢纯度的方法技术领域[0001] 本发明属于冶金工业技术领域，涉及一种用于预测合成炉出口氯化氢纯度的方法。背景技术[0002] 氯化氢是化工行业最基础的原料之一，也是合成氯乙烯的重要原料，是电石法生产聚氯乙烯(PVC)的上游工序。PVC主要包括氯乙烯制备(VCM)、溶解、聚合、气提、合成与冷却、净化、精馏混合脱水等作业流程。其中氯化氢合成工序主要是将来自氯气缓冲罐的氯气和来自氢气缓冲罐的氢气分别经调节阀、截止阀、阻火器后在合成炉底部混合器进行混合，并在炉膛内燃烧发生化学反应生成氯化氢气体。合成炉氯氢燃烧产生的氯化氢气体经氯化氢总管进入成品氯化氢冷却器冷冻后，输送至VCM工序混合脱水；合成炉底部冷凝酸进入冷凝酸排放槽，由冷凝酸泵输送至盐酸中间槽。合成炉是氯气和氢气(以下简称氯氢)安全燃烧发生化学反应合成氯化氢的重要设备，合成炉出口的氯化氢气体纯度是影响合成炉氯化氢合成效率并决定能否安全生产的关键。氯化氢在合成炉内发生反应时，过氯会引起炉内或输气管道爆炸，过氢则会导致能耗过高、原料利用率低等生产成本增加问题，实现合成炉氯氢纯度在线测量对于提高合成工序的原料利用率，降低安全生产风险具有重要意义。[0003] PVC生产过程中，氯化氢纯度的检测测量主要有两种方法：一是采用现场化验室离线化验，即通过合成炉氯化氢气体出口安装的取样管线，将出口产出氯化氢混合气体引入至现场化验室。合成炉进入连续生产后，炉内混合气体中仅可能存在氯化氢、氢气和氯气。打开取样管线的开关阀，待混合气体与计量桶内的分析试剂充分反应吸收后，根据分析桶内气柱的百分比确定氢气的含量，即氯化氢纯度。操作人员根据离线测量结果并结合合成炉燃烧状态对氯气、氢气流量进行调整。正常生产状态下，离线测量方式可以得到合成炉出口的氯化氢纯度。但在合成炉点火、停炉等异常阶段，由于炉内压力较小情况下，很难进行准确的化验。同时，频繁进行离线化验操作存在耗时费力，对岗位正常生产造成一定的压力。[0004] 二是在假定合成炉内氯气和氢气充分反应的情况下，根据入炉氯气和氢气检测流量进行换算得到理想状态下的产出氯化氢纯度。该检测计算方法主要存在下述三个问题：(1)受合成炉内结构、反应气体混合情况等多重因素的影响，入炉氯气和氢气很难达到完全燃烧。(2)气体输送管道腐蚀、流量计慢时变漂移也会对气体流量计量产生明显偏差，造成依据氯氢检测流量理论计算得出的氯化氢纯度与实际化验结果存在显著误差。(3)合成炉出口氯化氢纯度是对氯气和氢气在某一周期内发生反应过程中动态变化趋势的综合度量和最终评价尺度，仅仅根据合成炉入口氯气和氢气的配比信息不足以真实反映合成炉出口的氯化氢纯度。由入炉氯气和氢气检测流量所得出的氯化氢纯度对合成炉生产操作提供的指导非常有限。发明内容[0005] 本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种根据合成炉入口氯气、氢气检测流量和具有典型特征的出口氯化氢纯度离线化验信息，但不过度依赖于氯气和氢气流量的合成炉氯化氢纯度在线检测计算方法。[0006] 为此，本发明采取以下技术方案：[0007] 一种用于预测合成炉出口氯化氢纯度的方法，具体包括如下步骤：[0008] a.采用ModbusRTU通讯方式采集来自于合成工序DCS系统的氯气和氢气流量实时检测数据，并形成过程检测数据时序队列；[0009][0010] T＝nτ[0011] 其中，τ是系统的采样周期，其对应单位为s，T是氯化氢纯度离线化验周期，其对应单位为s，N是检测数据时序队列中记录的离线化验次数。[0012] b.采用ModbusRTU通讯方式采集来自于合成工序DCS系统的离线录入并具有典型特征的氯化氢纯度数据进行预处理，并形成递推计算预测模型匹配自动更新样本域；[0013][0014] c.依据氯气、氢气化学反应特征，构建氯化氢纯度基准计算模型；[0015] d.引入离线化验纯度和工艺计算纯度，在线递推计算氯化氢纯度修正系数；[0016] e.结合氯化氢纯度修正系数和氯化氢纯度基准计算模型，形成氯化氢纯度在线递推预测模型；[0017] f.根据当前氯气、氢气检测流量，实时预测输出合成炉出口氯化氢纯度，以边界约束条件为判定准则，对预测纯度数据进行主动审核筛选，最终结果在操作界面上显示，并通过ModbusRTU总线通讯方式传输至DCS系统；[0018] g.根据离线化验结果和模型样本时序队列更新条件，刷新样本集，重新计算氯化氢纯度预测模型参数并完成模型迭代。[0019] 进一步地，所述步骤a和b中数据样本的对应数据处理方法具体如下：[0020][0021] 其中，S指样本集， 指kT时刻氢气流量， 指(k‑1)T时刻氢气流量， 指kT时刻氯气流量， 指(k‑1)T时刻氯气流量，m指氯化氢纯度预测样本域设定长度， 指离线化验的氯化氢纯度。[0022] 进一步地，所述步骤c中依据氯气和氢气在燃烧状态下的化学反应热方程式如下：[0023] H2(g)+Cl2(g)→2HCl(g)△H＝‑184.6JK/mol[0024] 可得到氯化氢纯度递推计算关联因子β(t‑k)，其计算过程如下：[0025][0026] 进一步地，所述步骤d中引入离线化验纯度和工艺计算纯度，动态更新在线递推计算模型的氯化氢纯度修正系数为：[0027][0028][0029][0030][0031] 其中， 指氯化氢纯度预测系统在p时刻采集到来自DCS系统更新的离线化验氯化氢纯度数据，Ppre(t‑p)指p时刻与离线化验氯化氢纯度数据 时间尺度对应匹配的递推关联因子， 指p时刻合成炉离线化验氯化氢纯度的绝对增量，α(t‑p)指p时刻氯化氢预测纯度修正系数，来自氯化氢纯度预测系统的中间计算单元，α(t)指当前氯化氢预测纯度修正系数，α(t‑k)指氯化氢纯度修正系数定长队列中第k个氯化氢预测纯度修正系数，n指氯化氢纯度修正系数定长队列的设定长度。[0032] 进一步地，所述步骤e中氯化氢纯度在线递推预测模型为：[0033][0034] 其中， 指k时刻氢气流量增量， 指k时刻氯气流量增量。[0035] 进一步地，所述步骤f中氯化氢纯度预测模型如下：[0036][0037] 其中， 指当前合成炉出口的氯化氢预测纯度，α(t)指当前合成炉出口氯化氢预测纯度修正系数，Ppre(t)指当前氯化氢预测纯度模型输出。[0038] 进一步地，所述步骤f中对合成炉出口氯化氢纯度的边界约束条件如下：[0039][0040] 其中，Pcal(t)指当前氯化氢计算纯度，Pcal(t)计算方式和需满足的要求如下：[0041][0042][0043] 其中， 指指当前合成炉入口氯气流量， 指当前合成炉入口氢气流量。[0044] 本发明的有益效果在于：[0045] (1)根据PVC生产流程中氯氢燃烧合成炉工序的典型作业控制程序，本发明重点设计了一种氯化氢纯度快速检测计算方法，将氯化氢纯度计算机理模型与生产流程关联数据有机融合，实现在线计算，解决现有检测化验方法不及时、耗时费力的问题；[0046] (2)本发明针对DCS系统推送的氯气、氢气流量检测数据和氯化氢纯度离线化验数据，依据本发明约定的审核筛选机制进行处理，形成递推计算模型的样本域；[0047] (3)本发明结合氯气、氢气燃烧过程热反应机理，构建氯氢燃烧基准计算模型；[0048] (4)本发明以氯氢燃烧基准计算模型为依据，参考氯氢流量检测结果的“慢蠕变”特性，在递推模型中加入具有时变动态特性的纯度计算关联因子和纯度修正系数，综合协调纯度递推过程的梯度计算方向和步长，实现纯度预测结果能够反映和跟踪合成炉出口氯化氢纯度的真实状态；[0049] (5)本发明的氯化氢纯度递推计算模型根据样本域中样本状态主动更新模型的结构参数，可以适用于不同炉况下的氯化氢纯度在线计算，模型结构鲁棒性强；[0050] (6)本发明提供的边界约束和主动审核策略不需要操作过程人为干预，可以有效剔除异常预测结果。附图说明[0051] 图1为本发明递推模型功能模块组成示意图；[0052] 图2为本发明方法的实施框架结构。具体实施方式[0053] 下面结合附图与实施方法对本发明的技术方案进行相关说明。[0054] 一种用于预测合成炉出口氯化氢纯度的方法，如图1所示，包括数据处理、纯度预测和模型迭代，即根据来自合成工序DCS系统(集散控制系统)中氯气、氢气等过程检测参数和具有典型特征的氯化氢纯度离线化验数据进行时序匹配形成样本域，构建氯化氢纯度递推预测模型，通过对氯气和氢气流量进行增量积算实现合成炉出口氯化氢纯度的在线迭代计算。具体方法包括以下步骤：[0055] a.采用ModbusRTU通讯方式采集来自于合成工序DCS系统的氯气、氢气流量实时检测数据，并形成过程检测数据时序队列；[0056][0057] T＝nτ[0058] 其中，τ是系统的采样周期，对应单位为s，T是氯化氢纯度化验周期，对应单位为s，N是检测数据时序队列中记录的离线化验次数。[0059] b.采用ModbusRTU通讯方式采集来自于合成工序DCS系统的离线录入并具有典型特征的氯化氢纯度数据进行预处理，并形成递推计算预测模型匹配自动更新样本域；[0060][0061][0062] 其中， 指kT时刻氢气流量；[0063] 指(k‑1)T时刻氢气流量；[0064] 指kT时刻氯气流量；[0065] 指(k‑1)T时刻氯气流量；[0066] m指氯化氢纯度预测样本域设定长度；[0067] 指离线化验的氯化氢纯度。[0068] c.依据氯气、氢气化学反应特征，构建氯化氢纯度基准计算模型，其中，氯气和氢气在燃烧状态下的化学反应热方程式如下：[0069] H2(g)+Cl2(g)→2HCl(g)△H＝‑184.6JK/mol[0070] 继续计算氯化氢纯度递推计算关联因子β(t‑k)，其计算过程如下：[0071][0072] d.引入离线化验纯度和工艺计算纯度，在线递推计算氯化氢纯度修正系数，具体计算过程如下：[0073][0074] 其中，α(t‑p)指氯化氢纯度修正系数定长队列中第k个氯化氢预测纯度修正系数，来自氯化氢纯度预测系统的中间计算单元；[0075] α(t)指当前氯化氢预测纯度修正系数，来自氯化氢纯度预测系统的中间计算单元；[0076] n指氯化氢纯度修正系数定长队列的设定长度；[0077][0078][0079][0080] 指氯化氢纯度预测系统在p时刻采集到来自DCS系统更新的离线化验氯化氢纯度数据；[0081] Ppre(t‑p)指p时刻与离线化验氯化氢纯度数据 时间尺度对应匹配的递推关联因子，来自氯化氢纯度预测系统的中间计算单元；[0082] 指p时刻合成炉离线化验氯化氢纯度的绝对增量。[0083] e.结合氯化氢纯度修正系数和氯化氢纯度基准计算模型，形成氯化氢纯度在线递推预测模型；[0084][0085] 其中， 指k时刻氢气流量增量，来自DCS控制系统中间计算单元；[0086] 指k时刻氯气流量增量，来自DCS控制系统中间计算单元；[0087] β(t‑k)指k时刻的氯化氢纯度递推计算关联因子。[0088] f.根据当前氯气、氢气检测流量，实时预测输出合成炉出口氯化氢纯度如下：[0089][0090] 对氯化氢纯度递推计算结果执行下列边界约束判定准则和主动审核筛选，并将其纯度计算结果在操作界面上呈现并通过ModbusRTU总线通讯方式传输至DCS系统。[0091] 具体地，边界约束判定准则如下：[0092][0093] 其中，Pcal(t)指当前氯化氢计算纯度，来自DCS系统ModbusRTU通讯数据，Pcal(t)计算方式和需满足的要求如下：[0094][0095][0096] 其中， 指来自于DCS系统的当前合成炉入口氯气流量；[0097] 指来自于DCS系统的当前合成炉入口氢气流量。[0098] g.返回步骤a，对DCS系统推送的样本 依据步骤(2)的样本更新条件进行审核筛选，对符合规则的样本 进行如下变换更新：[0099][0100] 最后，继续执行步骤(2)进行模型迭代更新计算。[0101] 如图2所示，氯化氢纯度递推计算系统整体框架包括四部分，分别是合成工序DCS系统(1)、氯气和氢气流量检测仪表(2)、氯化氢纯度离线化验人机协同单元(3)和氯化氢纯度递推计算系统(4)。[0102] 与氯化氢纯度递推计算系统(4)相关联的DCS系统(1)包括IOModule(1.1)、Controller(1.2)、RS485Module(1.3)和上位人机交互界面(HMI)等主要部分组成，其中来自氯气/氢气流量计(2)的流量检测信号通过信号线缆接入DCS系统(1)的IOModule(1.1)模块，再经控制系统的通讯总线与Controller(1.2)进行数据交互。来自氯化氢纯度离线化验人机协同单元(3)的氯化氢纯度离线化验结果 由操作人员现场记录后，通过DCS系统的HMI人机交互界面录入，与来自氯气/氢气流量计的流量数据封包后，由DCS系统(1)的RS485Module(1.3)采用ModbusRTU总线协议定周期推送至氯化氢纯度递推计算系统(4)，供系统模型结构参数辨识和纯度在线递推计算使用。同时，氯化氢纯度递推计算系统的预测结果经ModbusRTU总线协议由RS485Module(1.3)模块以固定周期发送到DCS系统(1)Controller(1.2)内已定义标签，并在DCS系统(1)的HMI操作界面上显示。[0103] 本实施例以化工PVC工艺流程合成炉为例，分别对于氢气和氯气过量状态两种条件下，氯化氢纯度预测结果进行随机抽取汇总，如表1和表2所示的预测纯度与化验纯度及其绝对值误差变化情况，可以看出：氯气氢气流量在一般工况和异常工况条件下本发明提出的氯化氢纯度均能作出较为合适的预测，一般工况下氯化氢纯度预测误差最大绝对值为0.9％，小于1％；异常工况下氯化氢纯度预测误差最大绝对值1.2％，小于1.5％，满足实际生产操作要求。[0104] 表1氯气/氢气流量一般工况对应氯化氢纯度预测结果[0105][0106] 表2氯气/氢气流量异常工控对应氯化氢纯度预测结果[0107][0108] 上表中α(k)指在线递推计算模型的氯化氢纯度修正系数，β指氯化氢纯度递推计算关联因子。[0109] 本发明中氯化氢纯度在线递推计算方法主要包括氯气/氢气流量计、氯化氢纯度离线化验人机协同单元、DCS系统(HMI操作界面、IOModule、Controller、RS485Module)和氯化氢纯度在线递推计算系统(数据处理、纯度预测、模型迭代)等四部分组成。其中，氯气/氢气流量计、氯化氢纯度离线化验人机协同单元、DCS系统(HMI操作界面、IOModule、Controller、RS485Module)是为本发明方法验证和测试提供数据来源和最终结果呈现，氯化氢纯度在线递推计算系统运行在数据服务器内，是本发明中所涉及方法的核心。

专利地区：甘肃

专利申请日期：2022-05-07

专利公开日期：2024-10-29

专利公告号：CN114935627B