过程建模与优化控制技术在清洁生产中的应用汇总

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1、过程建模与优化控制技术在清洁生产中的应用 (1)环境污染是当今世界备受关注的严重问题之一，污染防治已成为几乎所有行 业，特别是工业界所需解决的紧迫课题，清洁生产策略是解决这一难题的有效 手段。流程工业的生产过程中普遍存在复杂的化学、物理、生化等反应，产生 的大量三废物质是造成工业污染的主源头。本文首先提出了实施清洁生产策略 的两个层次概念，即通过产品全生命周期工艺改造方法和生产过程控制与优化 方法。然后针对流程工业的特点及其对清洁生产的求，提出了在流程工业实施 面向清洁生产策略的过程建模、控制与优化技术应用方法。最后以给环境造成 严重污染压力的制浆造纸工业的硫酸盐制浆过程为例，介绍了在流程工业

2、综合 自动化系统中实现清洁生产策略的技术路线与方法。通过一个实际应用的黑液 蒸发计算机控制系统和一个采用实际操作数据进行数字仿真的连续蒸煮操作优 化例子表明，应用过程建模、优化控制等综合自动化技术，可以在不影响产品 质量和企业经济效益的前提下，获得很好的环境与社会效益。关键词：清洁生产策略 流程工业 过程建模 控制与优化技术1 引言1.1 清洁生产的概念工业化的发展，一方面推动经济的发展、满足人类对物质生活不断增长的 需求，从而推动着社会的发展；另一方面，也消耗着地球上大量的自然资源， 并在制造人类所需产品的同时不断产生各种污染和有害物质，成为地球环境最 大的污染来源。这是人类经过漫长的工业化

3、发展道路面临日益严重的环境污染 之害后逐步形成的共识。较长时期以来，我国工业界(特别是流程工业)走的是以高投入、高消 耗、高污染换取较高经济增长的粗放型发展道路。这种发展模式一方面导致资 源和能源利用不合理，另一方面给环境带来严重污染，而环境和资源所承受的 压力反过来又对经济发展产生了严重的制约作用。因此，污染防治已成为我国 工业可持续发展的当务之急。随着科学技术的发展，对工业防治污染研究和实践的不断深入，工业防治 污染方法已逐步从过去单纯进行污染物排出后减量化、无害化处理的末端治理 方式，发展到在产品的整个生命周期，包括产品及生产工艺的设计、产品的生 产制造过程和产品的销售、服务及使用等各个

4、阶段，以及从原料、生产工艺、 产品性能等各个方面全方位考虑减少污染物产生、改善环境性能、降低成本的 “清洁生产”策略。该策略将综合预防污染、考虑环境保护的策略持续地应用 于生产以及产品售后的服务、使用等各个阶段，实施的目的是在产品的整个生 命周期内全方位地减少污染物产生、改善环境性能、降低成本。据国内外推行清洁生产的实践报告，在投入少量资金的条件下，短期内即可减少原材料5%-10%污染物排放减少10%-50%经济效益明显提高，并腾出了环境容量满足 进一步发展的需 1。因此实施清洁生产是经济持续增长的必由之路。在各个工业门类中，以化工、炼油、石化、造纸、冶金等为代表的流程工 业是污染最为严重的，

5、在这些工业行业实施清洁生产策略对减少工业对环境的 污染尤为重。1.2 清洁生产策略的层次分析清洁生产策略在工业生产中的实施可以分为两个层次。 第一个层次，是产品整个生命周期的清洁化，即从产品的设计、生产工艺 （包括工艺原理、设备、原料等）的选择到对生产中产生的副产品和废料的处 理以至对产品的使用和回收都考虑采取减少对环境污染的措施。这一层次的清 洁生产策略涉及到具体的工艺过程，较难总结出适合于一般工业过程的通用技 术与方法，主应在各行业工艺专家指导下进行。此外，这一层次的清洁生产策 略一般改变已有的生产工艺和设备或者原料，往往耗资巨大，但一旦实施则效 果显著。第二个层次，是在产品的生产全过程实

6、施清洁生产策略，即在所确定的工 业生产过程中，通过运用测量、建模、实时监控、优化操作、生产调度、经营 管理等综合自动化技术，利用在流程工业中已经普遍存在的过程控制系统（如 DCS和计算机网络，在生产过程的各个环节实施清洁生产策略，在不降低企业 经济效益的前提下，不增加大量投资进行工艺和设备改造，尽量使生产过程中 产生的污染物或给后续工段造成的污染处理负荷尽可能地少，达到清洁生产的 目的。这个层次的任务一般是在管理与控制专家的指导下进行，得到的清洁生 产策略适合于大多数流程工业过程，便于实施与推广，且投资较少，是第一层 次实现清洁生产的补充和完善。从观上看，这两个层次的关系应该是相辅相 成、缺一

7、不可的。目前大多数有关流程工业清洁生产策略的研究与应用均侧重于第一层次， 如改变化学反应条件，选择更清洁的原料和能源，改进工艺机理等。除了少数 专用的污染处理控制系统外，属于第二个层次的研究与应用还未受到广泛重 视，例如在各种自动化系统与管理系统中自觉地将清洁生产策略作为研究或应 用的对象等，有关这方面研究的文献还不多见。从理论上来说，清洁生产与其 说是一种策略，还不如说是一种理念和思想。实施清洁生产，与传统的先生 产、后治理的方法全然不同，它强调的是在生产全过程的各个环节加以规划、 控制与管理，使物料和能源消耗最少，使产出的废物 / 污染物减量化、资源化和 无害化，同时能够从中产生经济效益。

8、基于上述清洁生产策略的层次分析，本文立足于第二个层次介绍利用过程 建模与优化控制技术实现清洁生产的方法。其基本内涵是通过对工业生产过程 中污染物产生的模型描述，建立考虑减少污染量的综合优化指标，对生产过程 施以实时监视 , 以先进的优化控制手段，使工业过程始终处于产生污染物最少 的最佳操作状态。下面分别从建模、控制、优化几个方面加以阐述。2 过程建模技术在清洁生产中的应用针对清洁生产的求，过程建模技术主有以下两方面的应用2.1 污染指标参数的软测量技术环境污染指标的检测是生产过程监控和污染防治的基础。有效地监控生产 过程中污染物的产生，需大量价格低、性能可靠的自动检测仪表。目前虽然几 乎所有的

9、环境污染指标都可以通过化验手段检测，国外也有一些能够连续测量 污染指标的自动化仪表，但实验室化验无法满足对污染指标实时监控的求，进 口仪表价格又十分昂贵，多数工业企业难以承受，而国内能够用于连续自动检 测的技术和仪表还十分缺乏，尤其是在恶劣的自然条件下能够长期运行并保持 测量精度的自动化仪表更为少见。摘环境污染是当今世界备受关注的严重问题之一，污染防治已成为几乎所有行 业，特别是工业界所需解决的紧迫本篇论文是由3C0M文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站 的，论文版权属原作者，请不用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否 者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。解决这一问

10、题主有两条途径。一是新型环保测量仪表的开发研制，包括测 量原理、敏感元件和高性能信号变送装置。目前较为现实的产业化道路是采用 国外较为成熟的测量原理，引进或仿制关键的敏感元件，自行开发高性能信号 变送装置，从而生产出性能好、价格低的国产自动化仪表。国内已有一些厂家 引进了国外技术生产污染指标测量仪表，但由于各种原因，质量往往不过关， 如烟道气二氧化硫检测仪等，较好的解决方法是组织力量对其进行攻关研究， 解决其中的技术关键。另一种方法是采用软测量技术。这是一条很有发展前途 的途径，目前有很多研究，但总的看来，研究的方法论多，解决实际问题少。 软测量的实质是建立被测参数与其他可测参数之间关系的模型

11、，然后根据可测 参数计算出所需的被测参数。因此，必须针对测量的污染指标踏踏实实地研究 其具有一定精度和可靠性的测量模型。建立污染指标软测量模型的方法主有两类：一类是根据物理或化学反应动 力学理论，通过详尽地机理分析，找出污染因素与其他变量之间的关系，建立 含有污染指标的机理模型；另一类是在大量生产数据的历史记录基础上，通过 某种算法对数据进行回归处理，建立起含有污染指标的经验模型。前一种方法 由于人们往往对复杂工业过程的机理不甚清晰，加上机理模型中的系数常常不 易获得，因而在实际中单独应用较少；后一种方法相当于是一种黑箱建模方 法，它直接源自于生产数据的历史累积，不需另外测试，对生产过程也无任

12、何 影响，因此仍是常常采用的方法，但由于其是针对特定工艺条件回归，具有较 大的局限性。更有效的方法是，对特定的过程深入研究其过程机理，在经验模 型的基础上，结合机理与实验进行模型的修正。2.2 与生产过程技术指标、经济指标关联的污染指标模型 一般的控制系统是以被控变量的稳定或产品质量的达标为目的，而与此不 太相同的是，在本文提出的策略中，清洁生产的目的是应该在保证原有产品质 量指标不变的条件下，针对车间或工段的污染物优化指标作局部的最小量化， 将优化的结果用于确定过程控制级各相关控制变量的最佳设定值。而达到这个 目标，必须建立与生产过程技术指标、经济指标关联的、含有污染物变量的数 学模型，给出

13、合适的使污染物最小量化的优化目标函数，然后可以选择某种优 化的算法求解，最后通过计算机控制系统实施。这种模型是以往人们常常忽视 的，而且也往往更为困难，因为模型的形式更具有多样性，不仅有机理模型、 辨识模型等数值模型，而且可能会有语言模型、规则模型等智能模型。近年 来，对以人工神经元网络 (Artificial Neural Network, ANN) 为代表的智能过 程建模及其控制系统的研究成为一大热点。这是因为ANN具有很强的学习能力或者说是自适应能力；其本身是非线性的，可以通过学习达到以所求的非线性 形状来模拟对象模型，并且适合多输入多输出系统。因此用它来建立复杂工业 过程中含有污染量指

14、标的模型值得研究与尝试，特别是将ANN建模和机理建模结合起来，发挥它们的各自优势，建立机理与 ANN的混合模型，以达到比经典 参数估计方法柔性更好，而比黑箱式 ANN建模更易推广的目的。3 过程控制技术在清洁生产中的应用3.1 清洁生产策略需性能更好的过程控制系统加以保证从上面的简述可以看出，基于过程建模、控制与优化的清洁生产策略的实 现一般是以不改变生产工艺作为前提的，它只是在工艺允许的条件下改变操作 变量，以达到使污染物产生最小量化的目的。对于已有的过程控制系统而言， 它首先必须完成保证生产正常进行、产品质量达标的任务，其次才是兼顾清洁 生产策略的实现。由于清洁生产策略的特殊性，可能存在模

15、型更为复杂、优化 性能指标计算繁琐等原因，清洁生产策略对过程控制系统的性能提出了更高的 求，以保证在工艺允许的条件下清洁生产策略的实施，最大程度地减少污染物 的产生，达到清洁生产的目的。在这样的系统中，清洁生产的优化指标可以和 考虑整个企业全局运行最优的目标函数，诸如能源消耗、生产率及其它因素的 优化经济指标等一起考虑，理想的结果是既获得环境效益，又获得经济效益， 而不应忽视其中一项。3.2 过程控制系统面向清洁生产事半功倍目前，自动控制系统以及计算机网络系统已成为现代化工业生产过程中不 可缺少的部分。DCS等先进的自动控制系统在相应的模型、控制和优化软件支 持下能够保证生产过程的安全平稳、优

16、质高产。但除少数专用的污染处理过程 控制系统外，一般不将污染量作为控制目标，这实际上是资源的一种严重浪 费。从污染物产生的源头看，目前的许多工业污染物产生在生产过程的中间环 节(例如因必需的化学和 /或物理过程中产生的废物等)，当还没有或不可能找 到完全杜绝污染产生的清洁生产工艺方式时，如果能够利用自动控制领域中日 趋成熟的建模、控制以及优化技术，在生产过程的各个环节通过已有的过程控制系统(如DCS系统)和计算机网络来进行考虑减少污染的综合优化控制，就 可以在不增加大量投资进行工艺和设备改造的情况下大大减少污染的产生，达 到清洁生产的目的。这是一种投资省、见效快的实施清洁生产策略方法，是第 一层次实现清洁生产的补充和完善。这样做一方面将充分发挥自动化系统的潜 在功能，另一方面则把清洁生产的概念引入一个更广泛的应用空间，达到事半 功倍的目的。4 过程优化与综合自动化技术在清洁生产中的应用4.1 面向生产装置的生产过程操作优化技术清洁生产