21世紀(jì)的在線分析技術(shù)和我們的彷徨- -
本文作者朱良漪先生，中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)名譽(yù)理事、教授。 關(guān)鍵詞：流程分析儀器 先進(jìn)控制 實(shí)時(shí)優(yōu)化 分析系統(tǒng)集成小屋 一 在線分析技術(shù)在先進(jìn)過程控制實(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(jī)會(huì)學(xué)習(xí)并接觸到許多有關(guān)成分分析儀器的發(fā)展和可能應(yīng)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(xiàn)代化的重要手段"，并且，還提出"僅僅掌握了熱工參數(shù)并不可能探知隨著生產(chǎn)過程而出現(xiàn)的原料成分變化、觸媒性能衰減和雜質(zhì)積聚等現(xiàn)象。"我當(dāng)時(shí)的這些話，既有推理成分，也有鼓氣因素，不過今天看來似乎也還有些道理。 40年過去了，我們今天的流程控制技術(shù)總體規(guī)模越來越大，效率和效益指標(biāo)越來越高，并且隨著市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，從原材料到品牌都要求能具有一定的柔性生產(chǎn)適應(yīng)性，節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境也引起社會(huì)極大的關(guān)注。所以，應(yīng)運(yùn)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，來追求更大的經(jīng)濟(jì)效益，已成為當(dāng)今(特別是石化企業(yè))迫切需要解決的熱門手段。可是在這樣大的熱潮下，在線分析儀器卻成了一個(gè)難題。我想應(yīng)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，重視并積極參與在線分析儀器的開發(fā)和生產(chǎn)。 回顧半個(gè)世紀(jì)以來我國(guó)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，我們?cè)?jīng)忙忙碌碌地從研制簡(jiǎn)單的機(jī)械式指示儀表到氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表，從單機(jī)自動(dòng)化到成套控制系統(tǒng)，取得了很大成功。但是在檢測(cè)參量上則比較偏重于溫度、壓力、液位、流量等熱工參數(shù)，直到20世紀(jì)50年代后期也只有很少的幾種工業(yè)用的熱導(dǎo)式CO和CO2氣體分析儀器可作為鍋爐燃燒效率的參考。1959年，北京分析儀器廠開始籌建(算是蘇聯(lián)援助的156項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目中最后的補(bǔ)充項(xiàng)目)，它的主導(dǎo)產(chǎn)品是用于原子能核材料分析用的同位素質(zhì)譜計(jì)和化學(xué)分析用的色譜儀以及核磁共振波譜儀等實(shí)驗(yàn)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)用紅外線氣體分析儀(即蘇聯(lián)型號(hào)OA，但并未投產(chǎn))、磁氧分析器以及標(biāo)準(zhǔn)氣體配氣站的概念設(shè)計(jì)等新內(nèi)容，而這些項(xiàng)目為我們進(jìn)入連續(xù)在線成分量檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。與此同時(shí)，通過質(zhì)譜儀和氣相色譜儀的研制，我們開始領(lǐng)悟到在成分量檢測(cè)技術(shù)中最令人煩心的事，即樣品的預(yù)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(shù)據(jù)處理。而恰在這時(shí)，通過對(duì)色譜和質(zhì)譜技術(shù)的探索，我們已意識(shí)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(tǒng)來考慮。同樣，對(duì)自動(dòng)化過程中有關(guān)成分量的分析，應(yīng)將"全譜"分析和計(jì)算技術(shù)相結(jié)合。于是我們又提出"為了滿足大型化工、石油工廠高度自動(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(yùn)算加工處理"的設(shè)想。 這些都是40年前通過工作實(shí)踐和理論結(jié)合想到的一些思路和可能走的途徑?？上В捎跉v史的原因，使我們浪費(fèi)了許多年的時(shí)間。同樣可惜的是，改革開放后引進(jìn)大型成套工程所帶的流程分析儀器與國(guó)產(chǎn)儀器之間的差距越來越大；出現(xiàn)了工廠規(guī)?；麨榱?、投資不足、技術(shù)骨干流失等現(xiàn)象。若再談?wù)衽d，真得從長(zhǎng)計(jì)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(xí)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，不斷地與自動(dòng)化學(xué)術(shù)界與工程設(shè)計(jì)的專家們交往，使我眼界大開。如在諾大的一個(gè)石化工程中，除了中央控制室里和現(xiàn)場(chǎng)若干成分量分析儀的專用柜外，還大量出現(xiàn)"分析系統(tǒng)集成小屋"。據(jù)我以前搜集到的信息，僅僅以廣東茂名的30萬噸乙烯工廠為例，便有10多個(gè)分析系統(tǒng)集成小屋，分布在各生產(chǎn)裝置現(xiàn)場(chǎng)，總設(shè)備投資約500萬美元。他們所用的在線分析儀器已有150臺(tái)之多。 二 案例分析 1. 美好的設(shè)想 目前，由于經(jīng)濟(jì)全球化的影響，國(guó)內(nèi)外石化企業(yè)正在大規(guī)模地進(jìn)行生產(chǎn)裝置的提升改造和/或控制系統(tǒng)的更新，特別是通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)發(fā)展神速，于是便產(chǎn)生了三大熱點(diǎn)問題： (1)以多變量預(yù)估控制為代表的先進(jìn)控制技術(shù)； (2)以在線實(shí)時(shí)優(yōu)化為核心的過程優(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(rèn)為硬件(指工藝和裝備檢測(cè)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(diào)關(guān)系，弄不好就會(huì)失調(diào)以至失控。特別是目前社會(huì)上有部分人把推理計(jì)算和建模擺在唯一和必然的途徑，這往往就掩蓋了物化過程中產(chǎn)生的本質(zhì)問題。所以，我對(duì)APC在這次改造工程中的作用非常感興趣，因?yàn)樗拇_能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，但同時(shí)也表明如果我們能使用高性能的在線分析儀器，那么整個(gè)控制系統(tǒng)的效果便會(huì)好很多。 2. 14萬噸/年聚丙烯裝置實(shí)例 14萬噸/年聚丙烯裝置由A、B兩條生產(chǎn)線組成，它使用高效催化劑，是液、氣兩相結(jié)合的本體法聚合工藝，可以生產(chǎn)均聚物、無規(guī)共聚物和嵌段共聚物等10多種牌號(hào)的產(chǎn)品。自1987年投產(chǎn)以來，裝置運(yùn)行基本正常。由于聚合反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，對(duì)關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的熔融指數(shù)(Melt Flow Rate-MFR)、漿液濃度、反應(yīng)器產(chǎn)導(dǎo)等重要工藝參數(shù)(實(shí)質(zhì)上就是成分量參數(shù))不能進(jìn)行在線測(cè)量，在一定程度上影響了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。具體說就是： (1)因漿液濃度不好測(cè)控，影響聚合反應(yīng)器的穩(wěn)定性； (2)因最直接的質(zhì)量指標(biāo)熔融指數(shù)難以嚴(yán)格測(cè)控，帶來一系列的質(zhì)量問題； (3)由于市場(chǎng)需求不同，不可避免地在不同產(chǎn)品生產(chǎn)切換過程中會(huì)帶來損失(包括過渡時(shí)間長(zhǎng)，單體和催化劑等用料多，優(yōu)級(jí)品率低，甚至產(chǎn)生因堵塞而造成的非計(jì)劃停車等)。 針對(duì)上述因素，該裝置的APC軟件系統(tǒng)分為3個(gè)部分，即： (1)APC推理計(jì)算(APC Inferential Calculation) 從表面上看，推理計(jì)算過程也是建立反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的過程，它的機(jī)理是要正確反應(yīng)過程的質(zhì)量平衡和能量平衡。其基本算式為： Mass IN=Mass OUT (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(yīng)器中反應(yīng)物的質(zhì)量 Mi——注入質(zhì)量 Mo——流動(dòng)質(zhì)量 以丙烯組分為例，其質(zhì)量平衡算式可表示為： D[C3]/dt=Fi*[C3]－Fo*[C3]轉(zhuǎn)化率 能量平衡的算式與質(zhì)量平衡相似，基本算式為： Energy IN=Energy OUT (2) 由(2)式可細(xì)化為下式： Δ(系統(tǒng)能量)=ΔU+ΔEk+ΔEp±Q±W 式中 ΔU——內(nèi)部能量(Internal Energy) ΔEk——動(dòng)能(Kinetic Energy) ΔEp——潛能(Potential Energy) Q——注入(或撤出)系統(tǒng)的熱能 W——注入(或撤出)系統(tǒng)的功 上述算式并不復(fù)雜，但是質(zhì)量(Mass)流量并不等于體積流量，同樣，化學(xué)反應(yīng)的能量又和不同物質(zhì)的成分和狀態(tài)(氣、液、固)以及介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的函數(shù)有關(guān)。我們都知道質(zhì)量能用定律中化學(xué)反應(yīng)速度、濃度、均勻度、溫度和壓力等的復(fù)雜函數(shù)關(guān)系。假如我們能掌握不同節(jié)點(diǎn)的成分變化，就可能在系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)上開創(chuàng)新的局面。 (2)魯棒調(diào)節(jié)控制 由于聚丙烯裝置的非線性及頻繁的產(chǎn)品牌號(hào)切換，盡管其主要控制回路仍為PID，但是控制品質(zhì)還是有變差。這里出現(xiàn)一個(gè)很有意思的分析儀預(yù)估器(Analyzer Predicator)。因?yàn)?，APC的計(jì)算及控制要用到大量的過程變量數(shù)據(jù)(如溫度、壓力、原料量等)，計(jì)算程序計(jì)算出的數(shù)據(jù)(氣體濃度)以及大量工業(yè)色譜的分析數(shù)據(jù)必須作可靠性對(duì)照認(rèn)定有效后才能確認(rèn)執(zhí)行。 (3)MFR關(guān)聯(lián)計(jì)算 MFR的波動(dòng)是長(zhǎng)期干擾聚丙烯裝置生產(chǎn)操作的主要問題，也是進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量、開發(fā)新牌號(hào)產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)，可惜目前還只能通過在線的實(shí)時(shí)計(jì)算與預(yù)報(bào)技術(shù)來解決。 3. 40萬噸/年乙烯裝置實(shí)例 在世界范圍內(nèi)，乙烯生產(chǎn)裝置是石油化工生產(chǎn)的龍頭裝置，該生產(chǎn)裝置將原料石腦油、加氫尾油、輕柴油，經(jīng)裂解、急冷、壓縮、分離等過程，加工成乙烯、丙烯、丁烯及輔助產(chǎn)品，再進(jìn)行后加工變成合成纖維、合成塑料、合成橡膠三大合成材料。 在乙烯生產(chǎn)裝置中采用如下在線分析儀表：工業(yè)色譜分析儀(24臺(tái)套)、氧氣分析儀(12臺(tái)套)、工業(yè)電導(dǎo)儀(10臺(tái)套)、工業(yè)pH計(jì)(11臺(tái)套)、紅外分析儀(5臺(tái)套)、微量水分析儀(7臺(tái)套)、密度計(jì)(3臺(tái)套)、粘度計(jì)(1臺(tái)套)、可燃?xì)怏w報(bào)警儀(80臺(tái)套)。 在乙烯裝置上實(shí)施APC和實(shí)時(shí)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)乙烯裝置優(yōu)化操作、運(yùn)行平穩(wěn)、增加產(chǎn)量、安全運(yùn)行、降低能量消耗，給企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 實(shí)施APC和實(shí)時(shí)優(yōu)化，均需要從在線分析儀獲得實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、重復(fù)性好的分析數(shù)據(jù)。例如：裂解爐過量空氣燃燒控制、裂解爐裂解深度控制、裂解爐模型控制、烯塔產(chǎn)品乙烯質(zhì)量控制和內(nèi)烯塔產(chǎn)品乙烯質(zhì)量控制。 據(jù)了解，目前乙烯工廠的在線分析儀幾乎全部從國(guó)外進(jìn)口，分析系統(tǒng)集成均由國(guó)外分析系統(tǒng)集成公司提供。 總之，APC雖先進(jìn)，但是卻卡在在線分析技術(shù)這個(gè)瓶頸上。 三 現(xiàn)場(chǎng)的挑戰(zhàn) 1997年10月，分析儀器學(xué)會(huì)在北京頤和園昆明湖畔曾經(jīng)發(fā)起組織過第一次國(guó)際"過程分析儀器及應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)"，國(guó)內(nèi)外到會(huì)的科研、生產(chǎn)和使用單位有60多家，參與的專家學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員約120人，開了4天會(huì)，發(fā)表了40多篇專題論文和應(yīng)用技術(shù)，可謂盛況空前。3年來，我國(guó)至少進(jìn)口了300多套工業(yè)色譜和30多套工業(yè)質(zhì)譜投入安裝和使用。此外，隨之而來的是超過千套的大型電站的成套水質(zhì)和煙氣分析系統(tǒng)、飲用水及污水處理系統(tǒng)所用的在線分析儀器，假如把可燃?xì)怏w自動(dòng)報(bào)警單元也算上，數(shù)量達(dá)到萬計(jì)。形勢(shì)大好，可是其中國(guó)產(chǎn)化的比重還不到十分之一。以引進(jìn)工業(yè)色譜技術(shù)的南京分析儀器廠為例，據(jù)說他們一共才售出40多臺(tái)，目前已面臨停產(chǎn)的危機(jī)。曾經(jīng)有過自主開發(fā)能力的北分廠的紅外線氣體分析儀和上海雷磁廠的pH儀和電導(dǎo)儀等也都是依靠國(guó)外品牌和主要部件組裝，沒有真正的創(chuàng)新和技術(shù)開發(fā)能力。目前剩下的就是實(shí)驗(yàn)室中檔水平的色譜、光譜類還算能占有一席地盤，那些榮耀一時(shí)的質(zhì)譜和核磁波譜儀等都已滑坡。進(jìn)入WTO后，如再不從思想上、組織上和行動(dòng)上采取新的戰(zhàn)略和果斷措施，則前途堪憂。這不僅是一個(gè)關(guān)系分析儀表行業(yè)的存亡問題，也是影響整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的實(shí)力和國(guó)防實(shí)力基石的大事。很顯然，無論是新材料(包括半導(dǎo)體)、新能源(核能、電能)、生命科學(xué)(生物、醫(yī)藥)還是環(huán)境工程等，完全可以認(rèn)為，今后工業(yè)上只要是涉及尖端水平、大規(guī)模，以及微型化、智能化、自動(dòng)化，就離不開在線分析儀器。 很高興，今年6月《世界儀表與自動(dòng)化》雜志出了一期以"在線分析儀器的發(fā)展和應(yīng)用"為重點(diǎn)的?？⒃?編者的話"中說："當(dāng)今，在線分析儀器的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)工藝過程先進(jìn)控制和優(yōu)化控制的有效手段；并在節(jié)能降耗、環(huán)保方面發(fā)揮著重要作用?；谶@樣的原因，在線分析儀器近年來發(fā)展迅猛，并被譽(yù)為21世紀(jì)過程控制領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。多組分的分離技術(shù)與實(shí)時(shí)快速分析相結(jié)合，將是其主要的發(fā)展趨勢(shì)。" 四 有待思考的問題和一些建議 發(fā)展思路有了，下一步該是如何干?？繃?guó)家政策支持？再按計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的走法是否可行？怎樣積累力量(人才和資金)？從哪里切入？凡此種種都值得探討，可是又絕不能‘清談‘誤事。 我最近常常在整理翻閱一些舊的資料，偶爾也趕時(shí)髦"慢速上網(wǎng)"。自我解嘲稱之為"溫故"、"知新"。下面便是我的一點(diǎn)心得，權(quán)且提出供大家參考。 1. 怎樣處理"取樣和前處理"這個(gè)難題 20年前，這確實(shí)是一個(gè)應(yīng)用流程分析儀器最大的攔路虎。目前我們已經(jīng)有了對(duì)策，在針對(duì)高溫、高壓、易堵、易漏、腐蝕、殘留等方面都有了靈活的單元功能組件，可以在現(xiàn)場(chǎng)理化、工藝人員的合作下，組成多種功能靈活的前處理系統(tǒng)，結(jié)合氣液管路控制自動(dòng)化，還能實(shí)現(xiàn)自檢功能。 另外，我建議，受流動(dòng)注射FIA (Flow Injection Analysis)分析儀的組態(tài)(如圖所示)的啟發(fā)，可以將這種方法應(yīng)用于以下分析過程中： (1)水質(zhì)分析。所有的常規(guī)項(xiàng)目以及氟化物、硬度—陰離子表面活性劑等。 (2)醫(yī)藥分析。青霉素、葡萄糖、乳酸等。 (3)食品、飲料盒、飼料分析。維生素、蛋白質(zhì)、糖等。 (4)農(nóng)業(yè)分析。氮、磷、鈣、鎂、硝酸鹽等。 (5)工業(yè)分析。鍋爐用水及循環(huán)水等。 利用不同的取樣器(包括自動(dòng)沖洗、倍率稀釋器)、化學(xué)反應(yīng)單元和檢測(cè)器，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)新概念的過程分析系統(tǒng)。 還需要考慮的是開發(fā)接口技術(shù)，特別是針對(duì)聯(lián)用技術(shù)中突出的色譜輸出接口，它涉及到氣—液、液—氣、固—氣等，其實(shí)目前已經(jīng)有了不少成熟的組件，問題是如何加以選用與創(chuàng)新。 最后一點(diǎn)也是最難的課題，即直接檢測(cè)不同的采樣，目前激光、高能量的非分光光譜、高靈敏度的微型化集成化分析單元(Lab or Chip)是全世界熱門的前沿課題。建議國(guó)家科技部應(yīng)將其列到國(guó)家規(guī)劃的大課題中。 2. 從哪里著手，要辦點(diǎn)實(shí)事 (1)現(xiàn)有的攤子不能散，而且要加強(qiáng)協(xié)調(diào)。趙廣達(dá)先生在"分析儀器前沿技術(shù)及發(fā)展對(duì)策"一文中提到："我國(guó)生產(chǎn)分析儀器的企業(yè)有200余家，生產(chǎn)產(chǎn)值5億元"。假如這個(gè)統(tǒng)計(jì)的來源是比較可信的話，那這股力量確實(shí)不小。大家應(yīng)該組織起來，求同存異，共同協(xié)調(diào)，既提倡專業(yè)化協(xié)作，也要組織有序競(jìng)爭(zhēng)，希望現(xiàn)在的儀器儀表學(xué)會(huì)、分析儀器協(xié)會(huì)和分析測(cè)試技術(shù)協(xié)會(huì)能夠聯(lián)合起來，共同協(xié)商并辦好這件大事。特別是質(zhì)量問題，品種規(guī)劃，人才培養(yǎng)，技術(shù)服務(wù)，市場(chǎng)信息交流。 (2)在上述基礎(chǔ)上，能擬出一些守則、綱領(lǐng)，在領(lǐng)導(dǎo)部門的關(guān)懷支持下，對(duì)現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)在線分析儀器進(jìn)行回訪，二次攻關(guān)，一定把國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性拿下來，并待備件補(bǔ)齊后，做一個(gè)全面負(fù)責(zé)的推薦。 (3)迅速地把成熟的實(shí)驗(yàn)室分析技術(shù)及儀器，經(jīng)過采樣操作與數(shù)據(jù)處理自動(dòng)轉(zhuǎn)化為在線分析儀器。 (4)把有苗頭也有基礎(chǔ)的質(zhì)譜、核磁共振、光譜(包括近紅外)以及大量使用的物質(zhì)狀態(tài)(包括pH、色度、濁度、折射、密度等)在線分析儀器，作為國(guó)家重點(diǎn)攻關(guān)課題，可以招標(biāo)形式鼓勵(lì)科研單位或個(gè)人與企業(yè)相結(jié)合承擔(dān)開發(fā)任務(wù)。 (5)有意識(shí)地進(jìn)行廠校結(jié)合，在大學(xué)、中技要辦些分析技術(shù)與在線分析儀器的學(xué)習(xí)班，提高技術(shù)人員系統(tǒng)組態(tài)和動(dòng)手的能力。 (6)有關(guān)分析儀器的書籍不多，這和分析儀器行業(yè)主動(dòng)做在線應(yīng)用少有關(guān)，也可能是資料不夠成熟、全面而難以出書。但我國(guó)已有30余種有關(guān)雜志，希望能盡量組織一些講座、討論會(huì)。 (7)一定要走出國(guó)門。不要忘記我們已經(jīng)有了一大批分析儀器出口到北美、歐洲和韓國(guó)、俄羅斯等地，據(jù)說已經(jīng)達(dá)到3.5億美元。 來源：《世界儀表與自動(dòng)化 |
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