实现化工生产中安全调整生产负荷的自动控制方法及装置

摘要

本发明涉及用于实现化工生产中安全调整生产负荷的自动控制方法，包括：1)根据生产需求输入主控原料投料量的设定值，所述主控原料为决定生产负荷的原料；2)根据主控原料投料量设定值和原料配比系数K获得辅控原料投料量的设定值；3)自动判断所述主控原料投料量的设定值较当前投料量的变化方向，是增大还是减小；4)根据主控原料投料量的设定值的变化方向，确定调整所述主控原料和辅控原料投料量的先后顺序，并发送执行机构执行；5)通过反馈控制算法使得所述主控原料和辅控原料的实际投料量先后达到各自设定值，维持动态平衡。该方法可以实现化工生产过程中需要调整生产负荷时的“一键式”操作，排除了安全隐患，极大降低了劳动强度。本发明还涉及用于实现化工生产中安全调整生产负荷的自动控制装置。

说明书

技术领域

本发明涉及化工、冶金、制造等领域，特别是涉及一种适用于化工企业生产 负荷自动升降过程中的安全联动控制方法和装置。

背景技术

一直以来，化工企业生产负荷升降的“一键式操作”都是一件十分麻烦、困 难的工作，尤其是涉及安全生产规定，在生产负荷升降过程中两种参与反应的物 料需要根据负荷的改变方向决定加入顺序时，上述工作需要操作人员手动操作才 能够完成。由于涉及化工安全生产问题，当前传统模式下化工企业在升降负荷时 操作人员必须十分小心的手动操作。在接到增加或降低生产负荷的调度指令后， 操作人员首先根据工艺规程人工调节首先需要增加或减少的第一种物料的投料 量，投料量改变后必须投入全部精力持续关注该物料实际投料量与新的设定值达 到一致的时刻，在该时刻立即改变另一种物料在新的生产负荷下的投料量设定 值，同时继续投入全部精力关注第二种物料实际投料量与新的设定值达到一致。 上述过程完成后，化工装置才能够安全、稳定地运行在新的生产负荷条件下，中 间过程稍有差池，尤其是改变物料投料量时顺序错误，将对整个化工生产带来巨 大的安全隐患。

以环氧丙烷的生产为例，参与反应的物料为重大危化品氯气和丙烯。根据工 艺要求，在增加生产负荷时必须先增加丙烯的投料量，在降低生产负荷时必须先 减少氯气的投料量，如不按照上述工艺规程严格操作，将可能导致生产装置爆炸 造成氯气的泄露，氯气的泄露将对现场操作人员和周边环境造成灾难性后果。以 增加生产负荷为例，人工操作模式下首先需要操作人员手动增加丙烯投料量的设 定值，设定值改变后必须投入全部精力持续关注丙烯实际投料量与新的设定值达 到一致的时刻，达到该时刻后立即根据原料配比要求手动调节氯气投料量的设定 值，氯气投料量的设定值改变后必须投入全部精力持续关注其实际投料量与新的 设定值达到一致。当氯气与丙烯两种原料均达到新的动态平衡后，本次生产负荷 调整工作结束。上述传统操作方式极大地耗费操作人员的精力，尤其对于夜班操 作人员来说，稍有懈怠将为企业生产带来巨大的安全隐患。

同理，在锅炉负荷的升降过程中同样涉及煤粉和空气投料量调整的先后顺序 问题，顺序错误会导致锅炉爆炸，此类安全生产事故屡见不鲜。

图1示出了现有技术中化工企业改变生产负荷的操作流程，全过程的人工操 作使得操作人员劳动强度大，生产效率低，每次改变生产负荷都存在安全风险， 因此实现化工企业安全自动升降生产负荷的联动控制迫在眉睫。

发明内容

基于上述现有技术存在的缺陷，本发明提出一种用于实现化工生产中安全调 整生产负荷的自动控制方法及装置，以便最大限度地减少企业安全生产风险，降 低操作工人劳动强度。

本发明的用于实现化工生产中安全调整生产负荷的自动控制方法，其特征在 于，包括下述步骤：1)根据生产需求输入主控原料投料量的设定值，所述主控 原料为决定生产负荷的原料；2)根据主控原料投料量设定值和原料配比系数K 获得辅控原料投料量的设定值；3)自动判断所述主控原料投料量的设定值较当 前投料量的变化方向，是增大还是减小；4)根据主控原料投料量的设定值的变 化方向，确定调整所述主控原料和辅控原料投料量的先后顺序，并发送执行机构 执行；5)通过反馈控制算法使得所述主控原料和辅控原料的实际投料量先后达 到各自设定值，维持动态平衡。

在本发明优选的实施方式中，本发明的方法还包括实时监测生产原料实际投 料量的步骤，还可进一步包括一个显示步骤，实时显示各生产原料的设定值、实 际投料量的变化趋势。

作为优选，步骤4)中，对于增大和减小生产负荷的情况，分别预设好调整 所述主控原料和辅控原料投料量的先后顺序。

作为优选，步骤5)中，通过闭环反馈控制算法确保生产原料的实际投料量 在最短时间内达到改变后的设定值。

在一种具体实施方式中，步骤4)的操作是：当生产负荷增加时，通过高选 器先改变所述主控原料的投料量，使其向主控原料投料量设定值方向变化，当达 到设定值后，再调整辅控原料的投料量，使其逐渐达到对应的设定值；当生产负 荷减小时，通过低选器先改变所述辅控原料的投料量，使其向辅控原料投料量设 定值方向变化，当达到该设定值后，再调整所述主控原料的投料量，使其逐渐达 到所述主控原料投料量设定值。

本发明还涉及一种用于实现化工生产中安全调整生产负荷的自动控制装置， 该装置包括：

生产负荷输入模块，用于根据生产需求输入主控原料投料量的设定值，所述 主控原料为决定生产负荷的原料；

比值算法模块，用于根据主控原料投料量设定值和原料配比系数K获得辅 控原料投料量的设定值；

生产负荷变化判断模块，用于自动判断所述主控原料投料量的设定值较当前 投料量的变化方向，是增大还是减小；

原料投料量设定模块，用于根据主控原料投料量的设定值的变化方向，确定 调整所述主控原料和辅控原料投料量的先后顺序，并发送执行机构执行；

自动控制算法模块，通过反馈控制算法使得所述主控原料和辅控原料的实际 投料量先后达到各自设定值，维持动态平衡。

本发明的装置还可以包括原料投料量测量模块，用于测量生产原料的实际投 料量；还可以进一步包括运行结果显示模块，实时显示各生产原料的设定值、实 际投料量的变化趋势。

作为优选，所述原料投料量设定模块是通过高选器自动判断增加负荷时所述 主控原料和辅控原料投料量改变的先后顺序，通过低选器自动判断降低负荷时所 述主控原料和辅控原料投料量改变的先后顺序。

作为优选，所述自动控制算法模块通过调节反馈控制算法中的比例、积分和 微分相关参数，使得原料的实际投料量达到新的设定值并建立动态平衡。

本发明克服了现有技术用人工方法调节首先需要增加或减少物料的投料量， 且投料量改变后仍需投入全部精力持续关注该物料实际投料量与新的设定值达 到一致的时刻时立即改变另一种物料投料量的技术缺陷，通过联动控制将改变生 产负荷时物料投料量变化顺序发生错误的可能性降低为零，最大限度地减少由于 生产负荷改变对化工生产所带来的巨大安全隐患。

附图说明

图1给出了现有技术中采用人工操作改变生产负荷的实施示意图；

图2给出了本发明的用于化工企业实现安全自动升降生产负荷的联动控制 方法和装置的总体示意图；

图3给出了本发明的化工企业用于实现安全自动升降生产负荷的联动控制 方法的优选实施示意图；以及

图4给出了本发明的化工企业用于实现安全自动升降生产负荷的联动控制 装置的优选实施示意图。

具体实施方式

本发明中，反应原料被区分为“主控原料”和“辅控原料”。对于一个以合 成化学品为目的的化学反应来说，在确定生产负荷时，通常选择两种原料(通常 是两种原料)中的一种的投入量作为衡量参数，该参数确定后，根据具体工艺情 况在确定另一种原料的投入量。本发明中将前者称为“主控原料”，即决定生产 负荷的原料，后者被称为“辅控原料”。在一些情况下，主控原料是指价格较贵 不适合过量的原料，辅控原料则是价格较低可以过量投入的原料。在另一些情况 下，主控原料是不能过量否则会导致副反应的原料，而辅控原料则是必须过量否 则会导致反应不充分的预料。本发明不限于此，当主控原料与辅控原料的比例为 1时，则可以互相换用。甚至在不为1时也可以互相换用，因为在一些反应中， 两种原料中的任一个原料都可以被选择用来决定反应负荷。容易理解，还可以用 其它的名称来表述上述含义，例如“第一原料|”和“第二原料”。举例来说，丙 烯与氯气反应制备氯丙醇(氯丙醇经过碱处理进一步得到环氧丙烷)，一般在设 定反应负荷时是将氯气作为主控原料，因为氯气不适宜过量，否则不仅为发生危 险，而且会生产大量的副产物。氯气定量后根据比例再确定丙烯的投入量，这里 丙烯即作为辅控原料。

本发明提供的用于化工企业实现安全自动升降生产负荷的联动控制方法，参 见图2和图3所示，包括以下步骤：

生产负荷输入步骤，根据化工企业实际生产需求输入主控原料投料量的设定 值；

原料配比步骤，根据所输入主控原料投料量设定值和原料配比系数K计算 辅控原料投料量的设定值；

生产负荷变化判断步骤，自动判断所输入主控原料投料量较当前投料量是增 大还是减小；

原料投料量设定值自动变化步骤，根据主控原料投料量的设定值的变化方 向，确定调整所述主控原料和辅控原料投料量的先后顺序，并发送执行机构执行；

原料实际投料量自动控制步骤，通过反馈控制算法使得所述主控原料和辅控 原料的实际投料量先后达到各自设定值，维持动态平衡；

原料投料量测量步骤，实时检测各生产原料的实际投料量；

运行结果显示步骤，显示当前生产负荷下生产原料设定值和实际投料量的变 化趋势。

通常情况下，在实施本发明时，上述生产负荷输入步骤、原料配比步骤、生 产负荷变化判断步骤、生产原料投料量设定值自动变化步骤、生产原料实际投料 量自动控制步骤、生产原料投料量测量步骤和运行结果显示步骤均在分布式控制 系统中自动完成。根据化工企业实际生产需求输入主控原料投料量的设定值后， 进一步根据原料配比系数K计算辅控原料投料量的设定值，当自动判断所输入 主控原料和辅控原料投料量较当前投料量是增大还是减小后，关键的一步是根据 生产负荷的变化方向自动判断主控原料和辅控原料投料量设定值改变的先后顺 序，最终基于生产原料投料量测量结果通过反馈控制算法使得2种生产原料实际 投料量先后达到各自设定值，完成负荷改变后动态平衡的建立。上述方法能够帮 助化工企业在升降生产负荷的过程中，根据工艺要求动态完成所需要原料在不同 配比要求、升降负荷时不同加入顺序要求下的联动控制，主要解决了化工生产过 程中危化品原料在负荷变化时当前多由人工控制添加顺序所带来的巨大安全隐 患，极大地降低了操作人员的劳动强度，在最大限度地确保化工企业安全生产的 同时提高了生产效率和控制精度。

作为本发明的优选方案之一，所述的生产负荷输入步骤，需要根据化工企业 的实际工艺要求，确定调整生产负荷时需要改变的原料种类，并将该原料投料量 的设定值作为增加或降低生产负荷的唯一途径。

作为本发明的优选方案之二，所述的原料配比步骤，需要根据化工企业的实 际工艺要求，在确定主控原料后，通过所设定的原料配比系数K，计算辅控原料 投料量的设定值。

作为本发明的优选方案之三，所述的生产负荷变化判断步骤，主控原料在接 受新的设定值后，自动判断所输入主控原料投料量较当前投料量是增大还是减 小，即自动判定是要增加生产负荷还是减少生产负荷。

作为本发明的优选方案之四，所述的原料投料量设定值自动变化步骤，需要 根据化工企业的实际工艺要求，基于生产负荷的变化方向，在保证升降负荷过程 中安全生产对于原料加入先后顺序规定的前提条件下，自动判断调整主控原料和 辅控原料投料量的先后顺序。

在上述方法中，如果工艺要求主控原料和辅控原料等比例加入，则原料配比 系数K为1。

更进一步地，上述原料投料量设定值自动变化步骤，在保证升降负荷过程中 安全生产对于原料加入先后顺序规定的前提条件下，自动判断主控原料和辅控原 料投料量设定值改变的先后顺序，参见图2和图3所示：化工生产装置在当前负 荷下处于稳定运行状态，当生产负荷增加时，通过高选器首先改变工艺要求的先 加入原料的投料量设定值，反馈控制算法首先使得该原料的实际投料量达到设定 值并建立新的动态平衡后，后加入原料的设定值再根据原料配比系数发生相应变 化，从而最终满足生产负荷增加后对于两种原料投料量的要求；化工生产装置在 当前负荷下处于稳定运行状态，当生产负荷降低时，通过低选器首先改变工艺要 求的先减少后加入原料的投料量设定值，反馈控制算法首先使得该原料的实际投 料量达到设定值并建立新的动态平衡后，先加入原料的设定值再根据原料配比系 数发生相应变化，从而最终满足生产负荷降低后对于两种原料投料量的要求。本 文中，术语“先加入原料”是指在启动一个反应时首先往反应釜中投入的原料。 “后加入原料”是指在投入“先加入原料”后，向反应釜中慢慢添加或分批次添 加的原料。

作为本发明的另一方面，本发明还提供了一种用于化工企业实现安全自动升 降生产负荷的联动控制装置，参见图2和图4所示，该装置包括：

生产负荷输入模块，用于根据生产需求输入主控原料投料量的设定值，所述 主控原料为决定生产负荷的原料；

比值算法模块，用于根据主控原料投料量设定值和原料配比系数K获得辅 控原料投料量的设定值；

生产负荷变化判断模块，用于判断新输入生产负荷较当前生产负荷的变化趋 势，增加或降低；

原料投料量设定模块，用于根据主控原料投料量的设定值的变化方向，确定 调整所述主控原料和辅控原料投料量的先后顺序，并发送执行机构执行；

自动控制算法模块，通过反馈控制算法使得原料的实际投料量达到设定值并 建立新的动态平衡；

原料实际投料量测量模块，用于测量生产原料的实际投料量；

运行结果显示模块，用于实现当前生产负荷下2种生产原料设定值和实际投 料量变化趋势的实时显示。

进一步地，上述生产原料投料量设定模块，用于通过高选器自动判断增加负 荷时主控原料和辅控原料投料量设定值改变的先后顺序；用于通过低选器自动判 断降低负荷时调整主控原料和辅控原料投料量的先后顺序。

更进一步地，上述自动控制算法模块，用于在接收生产原料投料量设定值和 实际投料量测量值后，通过调节反馈控制算法中的比例、积分和微分相关参数， 使得原料的实际投料量达到新的设定值并建立动态平衡。

上述，生产负荷输入模块、比值算法模块、生产负荷变化判断模块、生产原 料投料量设定模块、自动控制算法模块、生产原料实际投料量测量模块、运行结 果显示模块，均基于分布式控制系统自动完成。

本发明克服了现有技术用人工方法调节首先需要增加或减少物料的投料量， 且投料量改变后仍需投入全部精力持续关注该物料实际投料量与新的设定值达 到一致的时刻时立即改变另一种物料投料量的技术缺陷，通过联动控制将改变生 产负荷时物料投料量变化顺序发生错误的可能性降低为零，最大限度地减少由于 生产负荷改变对化工生产所带来的巨大安全隐患。

本发明可在DCS系统中实现实时获取生产负荷变化和生产原料实际投料量 测量值，从而在DCS系统中实现基于比值、选择和反馈控制算法的生产负荷自 动升降联动控制，本实施例可达到在增加生产负荷时先自动增加丙烯的投料量、 在降低生产负荷时先自动减少氯气的投料量的安全生产操作规程，其过程不再需 要任何人工干预。进一步地，还可在DCS系统中实现当前生产负荷下2种生产 原料设定值和实际投料量变化趋势的实时跟踪显示。

本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑 块、单元、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。 为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，已经就各种示意性组件、方块、单 元、电路和步骤的功能对其进行了一般性的描述。这种功能是被实现为软件还是 被实现为硬件取决于具体应用以及施加给整个系统的设计约束。本领域技术人员 可以针对每种具体应用以各种方式来实现所述的功能，但是这种实现决定不应被 解释为导致脱离本发明的范围。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域 的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。