大型聚乙烯工业装置产品质量及操作约束在线估计方法研究

聚乙烯(PE)是我国合成树脂产能最大、进口量最多的品种。由于PE聚合反应机理复杂，非线性严重、操作条件苛刻、操作约束复杂，以及频繁地牌号切换，因而采用经验操作会造成PE产品质量波动大、牌号切换时间长、中间过渡产品多、物耗和能耗高、存在安全隐患及劳动强度大的状况。其根本原因在于缺乏多牌号产品质量及操作约束在线估计技术。本研究拟将复杂工业过程混合模型建模，模型参数局部自适应估计及鲁棒滤波方法相结合，研究大型PE装置的多牌号产品质量及操作约束在线估计理论及方法。主要包括：(1)基于混合模型的PE多牌号产品质量指标及操作约束的推断计算；(2)PE牌号切换系统的混合模型局部分治即时学习自适应估计；(3)PE牌号切换系统的质量指标及操作约束的鲁棒滤波估计；(4)开发自主知识产权的大型聚乙烯工业装置多牌号产品质量及操作约束在线估计应用注册软件，并在工业中试装置上验证所提方法及开发软件的可行性和有效性。

针对大型聚乙烯（PE）工业装置产品质量及操作约束在线估计问题进行了以下的研究及开发：(1) 针对PE具有多模式集成、具有严重的非线性、时变性和不确定性的特点，根据PE反应动力学及热力学模型的实际要求，综合混合模型的模块化设计方法和半参数化设计方法的长处，研究了一种由多个模型多种类型以串联和并联的混联方式组成的混合模型用以实时推断多牌号产品质量指标及操作约束。仿真研究和工业应用实践证实了所提方法的可行性和有效性；(2) 针对大型聚乙烯装置生产中缺乏质量指标在线反馈及频繁的牌号切换等特性，基于质量指标混合推断模型，通过引入依赖于调节参数的Lyapunov函数，利用模块反推方法设计了观测器和参数更新律。通过在线调节选取适当的增益矩阵和学习率，使得牌号切换时观测器仍能渐近跟踪系统输出，从而实现了质量指标的自适应估计。仿真研究和工业应用实践证实了所提方法的可行性和有效性；(3) 针对气相聚乙烯生产中各种复杂的工况造成在线估计精度下降的现象，基于乙烯聚合机理并利用特征建模方法建立了聚乙烯质量指标预测模型，结合扩展卡尔曼滤波，提出了粒子滤波联合估计方法，即将状态和修正系数组成增广状态向量，实现对质量指标预测模型的在线滤波修正, 并分析了基于粒子滤波估计的收敛性。所提方法在中石化某气相聚乙烯装置的长周期运行结果证实了所提方法的可行性和有效性；（4）针对大型聚乙烯生产装置牌号切换优化问题，提出一种改进同步策略算法进行优化求解，通过对微分状态变量在有限元端点处施加导数约束，提高了算法的求解性能；对于NLP问题，采用罚函数自由的非单调线搜索内点SQP算法，避免了罚函数及罚因子的选取对最优结果的影响。此外，在牌号切换目标函数中引入了路径约束和露点温度等冷凝操作约束，实例研究证实了所提方法的快速稳定性和求解准确性；（5）为克服现有的质量指标及操作约束估计技术用于气相PE过程难以适应频繁的牌号切换、广泛存在的未知干扰,因而难以长周期运行的局限性，开发了一种针对气相流化床生产工艺的聚乙烯（PE）多牌号产品质量指标及操作约束在线估计系统及工业应用注册软件（PE Soft-sensor V1.0, 2010SRBJ5230），并申请了发明专利（201110091920.5）。工业过程应用结果证实了所开发系统的可行性和有效性。