面向未来的关键技术：生产过程机理动态数学模型的开发和应用
在即将进入二十一世纪的今天，在提高生产过程操作控制水平的迫切需要下，科学技术和石油化工生产实际相结合的突破点是什么？作者认为，是生产过程机理动态数学模型的开发和应用。这也是不少石油化工生产过程同行的共识〈5,6〉。
机理动态模型的开发，有利于全面认识石油化工过程，深入掌握其特性，这是提高操作控制和设计水平的基础，尤其对于市场和环境频繁变化，始终处于动态变化之中的生产过程更是如此。稳态数学模型在石油化工过程的设计，分析，操作指导等方面已发挥了作用，但不能解释和处理动态现象(而动态数学模型既可给出变量的动态关系也可给出稳态关系)；在分析问题时常局限于稳态平衡关系，或着重于单个因素的分析，不能很好的给出过程变化的因果关系和各因素(变量)间的互相影响。基于动态模型的系统分析方法着重于因果关系，将变量分为输入(原因)变量、状态或输出(后果)变量，采用单向性的信号流图和反馈，为分析互相关联较为
复杂的石油化工过程提供了有力的方法。因而，利用动态机理数学模型全面提高石
油化工过程技术的重要方面。
采用动态机理模型，是使石油化工过程中重要不可实测变量的在线计算适应动态变化，得到更准确的计算结果的主要技术基础。
模型预估控制是近二十年来先进控制的一个突破点，其中一个原因是基于动态数学模型。但由于采用过程输入输出数据建立数学模型，而非机理分析，使其应用和提高受到一定限制。如：测试会干扰生产、当过程具有不可测输入时，如石油化工过程中常见的进(原)料组成变化，很难得到准确的结果，当生产过程有所调整时又要重新测试、不能建立输入输出以外其他可测变量间的关系，因而也不能利用这些变量。总之，这种现状反映了自动控制界和石油化工界的实际仍存在脱节现象，测试的数据没有物理意义，使先进控制只能在生产装置投运以后才能进行，控制系统设计与其被控对象的设计脱节，常使控制方案不能很好的切合生产过程的实际，延误取得效益的时间。解决这些问题的出路是开发机理动态数学模型。尤其对于具有显著非线性特性的石油化工过程，更需要机理分析。
将多变量动态分析方法用于操作条件闭环实时优化，很自然的会破除目前存在的一种含糊认识：在动态先进控制的基础上用稳态数学模型实现操作条件优化是唯一正确路线的。例一：分馏塔产品质量控制与(节能降耗的)优化问题，目前存在着这样的技术路线：质量控制采用动态先进控制，优化则基于稳态关系(数学模型)；这种方案真正成功应用的实例并不多，其原因就在于：通常保证质量的手段是调整回流，而回流的大小直接与能耗动态相关，都从动态考虑，才能将二者很好的协调起来。目前出现的多变量预估协调控制策略，是朝这一方向迈出的可喜的一步。例二：催化裂化反应深度的优化，局限于采用稳态模型优化，就会带来前述的很多困难，很难适应频繁变化的市场和环境；具有动态模型和动态分析，就会另辟溪径，创造出各种实用的方法，文献<7>提供的应用实例，就是一个很好的说明。
具有石油化工过程机理动态模型，是使过程控制与过程设计一体化、在过程设计的同时给出先进控制与闭环实时优化系统设计的基础，将使设计工作产生一个飞跃性的进展（详见下节）。
石油化工过程机理动态模型的开发具有一定的难度，需要化工和系统控制两学科的交叉。机理动态数学模型是建立在物料和能量守衡、化工热力学、化学反应动力学和其他客观规律基础上的，这些是石油化工部门已经熟悉的，特别需要，也特别适合石油化工部门的技术人员扩展知识，与系统控制的技术人员相结合，从事动态数学模型的开发。机理动态数学模型的正确性需要在实际生产装置中经过验证，须要研究和开发动态数学模型的在线修正和验证方法，也需要研究对采集的过程动态数据进行的处理方法。
设计的革命：生产过程控制与设计的一体化
石油化工生产装置的设计应包括两大方面：一方面是工艺参数、流程、设备结构及其尺寸的确定，需要稳态数学模型作为基础；另一方面是生产装置的运行与操作控制方法的设计，需要动态数学模型作为基础。这两方面是相辅相成的，工艺参数和设备是操作控制的对象，若不合理就无法运行，或者造成操作控制的困难；操作控制不合理，就无法充分发挥生产装置的作用。
目前设计工作主要考虑的是第一方面，因而是不全面的，极易造成工艺设备与操作控制的脱节，影响生产装置效益的发挥。目前绝大部分实例都是在生产装置投产之后，才能由专门的公司或技术队伍开发和实施，拖延时间较长。迫切要求实现过程控制和设计的一体化，在给出工艺流程和设备的同时，也给出先进控制和闭环实时优化系统的设计和软硬件；在装置投运的过程中，先进控制和闭环实时优化系统也同时投运；从而避免工艺设计与操作控制的脱节，缩短开工周期，迅速发挥装置的效益。要作到这一点，开发机理动态数学模型，并用之分析装置的操作运行，给出操作控制的设计，是非常必要的。为此，不仅要给出过程稳态特性的设计，同时要给出过程动态特性的设计，必将使设计工作进入到一个新的更高的水平。
过程控制与设计的一体化已经引起了人们的注意，出现了很多有关文献，近年来出现的文献见〈52-54〉。其基本问题是过程动态特性的设计，目的是使生产过程不仅是可操作控制的，也要易于操作控制。牵涉的主要技术问题如下：
为说明问题，以掺炼渣油和具有回炼的催化裂化装置为例：
稳定性问题：化学反应器，尤其是放热反应过程的不稳定问题，已有多年的讨论和研究。对催化裂化装置，由于裂化反应和烧焦反应互相影响，问题较为复杂，至今仍无严格结论，但可能存在多个平衡点，其中一些是稳定的，一些可能是不稳定的，对催化裂化装置的正常运行会有很大影响，则是大多数人的看法<55-61>。其实，在催化裂化装置中，还有一些较简单的不稳定问题，例如对于有回炼油和回炼油罐的催化裂化装置，回炼油罐本身可用“积分”环节描述，是不稳定的，在实际运行时，常常是液位不断上升或不断下降，达到上下限时，操作员必须进行调整，使液位又反向不断变化，造成整个装置运行不稳定。如果按稳态平衡假设液位稳定或回炼油流量稳定不变进行反应深度的优化，其结果是不切合实际的。又如，具有两段再生的催化裂化装置，若设备和管线尺寸不恰当，两器藏量可能是不稳定的<62>，一旦藏量闭环控制开环，藏量的不稳定会造成操作的困难，引起大幅度波动。生产过程是否稳定，是设计中须要解决的一个根本保证问题，利用动态数学模型进行分析和反馈控制，完全可在装置的设计中解决这一问题。
