过程建模与优化控制技术在清洁生产中的应用

过程建模与优化控制技术在清洁生产中的应用摘要：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要源头。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要求，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。关键字：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清洁生生产的概念工业化的的发展，一方方面推动经济济的发展、满满足人类对物物质生活不断断增长的需求求，从而推动动着社会的发发展；另一方方面，也消耗耗着地球上大大量的自然资资源，并在制制造人类所需需产品的同时时不断产生各各种污染和有有害物质，成成为地球环境境最大的污染染来源。这是是人类经过漫漫长的工业化化发展道路面面临日益严重重的环境污染染之害后逐步步形成的共识识。较长长时期以来，我我国工业界（特特别是流程工工业）走的是是以高投入、高高消耗、高污污染换取较高高经济增长的的粗放型发展展道路。这种种发展模式一一方面导致资资源和能源利利用不合理，另另一方面给环环境带来严重重污染，而环环境和资源所所承受的压力力反过来又对对经济发展产产生了严重的的制约作用。因因此，污染防防治已成为我我国工业可持持续发展的当当务之急。随着科学学技术的发展展，对工业防防治污染研究究和实践的不不断深入，工工业防治污染染方法已逐步步从过去单纯纯进行污染物物排出后减量量化、无害化化处理的末端端治理方式，发发展到在产品品的整个生命命周期，包括括产品及生产产工艺的设计计、产品的生生产制造过程程和产品的销销售、服务及及使用等各个个阶段，以及及从原料、生生产工艺、产产品性能等各各个方面全方方位考虑减少少污染物产生生、改善环境境性能、降低低成本的“清洁生产”策略。该策策略将综合预预防污染、考考虑环境保护护的策略持续续地应用于生生产以及产品品售后的服务务、使用等各各个阶段，实实施的目的是是在产品的整整个生命周期期内全方位地地减少污染物物产生、改善善环境性能、降降低成本。据据国内外推行行清洁生产的的实践报告，在在投入少量资资金的条件下下，短期内即即可减少原材材料5%～10%，污染物排排放减少10%～50%，经济效益益明显提高，并并腾出了环境境容量满足进进一步发展的的需要[1]]。因此实施施清洁生产是是经济持续增增长的必由之之路。在在各个工业门门类中，以化化工、炼油、石石化、造纸、冶冶金等为代表表的流程工业业是污染最为为严重的，在在这些工业行行业实施清洁洁生产策略对对减少工业对对环境的污染染尤为重要。1.2清洁生生产策略的层层次分析清洁生产策策略在工业生生产中的实施施可以分为两两个层次。第一个层层次，是产品品整个生命周周期的清洁化化，即从产品品的设计、生生产工艺（包包括工艺原理理、设备、原原料等）的选选择到对生产产中产生的副副产品和废料料的处理以至至对产品的使使用和回收都都考虑采取减减少对环境污污染的措施。这这一层次的清清洁生产策略略涉及到具体体的工艺过程程，较难总结结出适合于一一般工业过程程的通用技术术与方法，主主要应在各行行业工艺专家家指导下进行行。此外，这这一层次的清清洁生产策略略一般要改变变已有的生产产工艺和设备备或者原料，往往往耗资巨大大，但一旦实实施则效果显显著。第二个个层次，是在在产品的生产产全过程实施施清洁生产策策略，即在所所确定的工业业生产过程中中，通过运用用测量、建模模、实时监控控、优化操作作、生产调度度、经营管理理等综合自动动化技术，利利用在流程工工业中已经普普遍存在的过过程控制系统统（如DCS）和计算机机网络，在生生产过程的各各个环节实施施清洁生产策策略，在不降降低企业经济济效益的前提提下，不增加加大量投资进进行工艺和设设备改造，尽尽量使生产过过程中产生的的污染物或给给后续工段造造成的污染处处理负荷尽可可能地少，达达到清洁生产产的目的。这这个层次的任任务一般是在在管理与控制制专家的指导导下进行，得得到的清洁生生产策略适合合于大多数流流程工业过程程，便于实施施与推广，且且投资较少，是是第一层次实实现清洁生产产的补充和完完善。从观上上看，这两个个层次的关系系应该是相辅辅相成、缺一一不可的。目前大多多数有关流程程工业清洁生生产策略的研研究与应用均均侧重于第一一层次，如改改变化学反应应条件，选择择更清洁的原原料和能源，改改进工艺机理理等。除了少少数专用的污污染处理控制制系统外，属属于第二个层层次的研究与与应用还未受受到广泛重视视，例如在各各种自动化系系统与管理系系统中自觉地地将清洁生产产策略作为研研究或应用的的对象等，有有关这方面研研究的文献还还不多见。从从理论上来说说，清洁生产产与其说是一一种策略，还还不如说是一一种理念和思思想。实施清清洁生产，与与传统的先生生产、后治理理的方法全然然不同，它强强调的是在生生产全过程的的各个环节加加以规划、控控制与管理，使使物料和能源源消耗最少，使使产出的废物物/污染物减量量化、资源化化和无害化，同同时能够从中中产生经济效效益。基于上上述清洁生产产策略的层次次分析，本文文立足于第二二个层次介绍绍利用过程建建模与优化控控制技术实现现清洁生产的的方法。其基基本内涵是通通过对工业生生产过程中污污染物产生的的模型描述，建建立考虑减少少污染量的综综合优化指标标，对生产过过程施以实时时监视,以先进的优优化控制手段段，使工业过过程始终处于于产生污染物物最少的最佳佳操作状态。下下面分别从建建模、控制、优优化几个方面面加以阐述。2过程建模技技术在清洁生生产中的应用用针对清洁生生产的要求，过过程建模技术术主要有以下下两方面的应应用。2.1污染指指标参数的软软测量技术环境污染染指标的检测测是生产过程程监控和污染染防治的基础础。要有效地地监控生产过过程中污染物物的产生，需需要大量价格格低、性能可可靠的自动检检测仪表。目目前虽然几乎乎所有的环境境污染指标都都可以通过化化验手段检测测，国外也有有一些能够连连续测量污染染指标的自动动化仪表，但但实验室化验验无法满足对对污染指标实实时监控的要要求，进口仪仪表价格又十十分昂贵，多多数工业企业业难以承受，而而国内能够用用于连续自动动检测的技术术和仪表还十十分缺乏，尤尤其是在恶劣劣的自然条件件下能够长期期运行并保持持测量精度的的自动化仪表表更为少见。解决这这一问题主要要有两条途径径。一是新型型环保测量仪仪表的开发研研制，包括测测量原理、敏敏感元件和高高性能信号变变送装置。目目前较为现实实的产业化道道路是采用国国外较为成熟熟的测量原理理，引进或仿仿制关键的敏敏感元件，自自行开发高性性能信号变送送装置，从而而生产出性能能好、价格低低的国产自动动化仪表。国国内已有一些些厂家引进了了国外技术生生产污染指标标测量仪表，但但由于各种原原因，质量往往往不过关，如如烟道气二氧氧化硫检测仪仪等，较好的的解决方法是是组织力量对对其进行攻关关研究，解决决其中的技术术关键。另一一种方法是采采用软测量技技术。这是一一条很有发展展前途的途径径，目前有很很多研究，但但总的看来，研研究的方法论论多，解决实实际问题少。软软测量的实质质是建立被测测参数与其他他可测参数之之间关系的模模型，然后根根据可测参数数计算出所需需要的被测参参数。因此，必必须针对要测测量的污染指指标踏踏实实实地研究其具具有一定精度度和可靠性的的测量模型。建立污污染指标软测测量模型的方方法主要有两两类：一类是是根据物理或或化学反应动动力学理论，通通过详尽地机机理分析，找找出污染因素素与其他变量量之间的关系系，建立含有有污染指标的的机理模型；；另一类是在在大量生产数数据的历史记记录基础上，通通过某种算法法对数据进行行回归处理，建建立起含有污污染指标的经经验模型。前前一种方法由由于人们往往往对复杂工业业过程的机理理不甚清晰，加加上机理模型型中的系数常常常不易获得得，因而在实实际中单独应应用较少；后后一种方法相相当于是一种种黑箱建模方方法，它直接接源自于生产产数据的历史史累积，不需需要另外测试试，对生产过过程也无任何何影响，因此此仍是常常采采用的方法，但但由于其是针针对特定工艺艺条件回归，具具有较大的局局限性。更有有效的方法是是，对特定的的过程深入研研究其过程机机理，在经验验模型的基础础上，结合机机理与实验进进行模型的修修正。2.2与生产产过程技术指指标、经济指指标关联的污污染指标模型型一般的的控制系统是是以被控变量量的稳定或产产品质量的达达标为目的，而而与此不太相相同的是，在在本文提出的的策略中，清清洁生产的目目的是应该在在保证原有产产品质量指标标不变的条件件下，针对车车间或工段的的污染物优化化指标作局部部的最小量化化，将优化的的结果用于确确定过程控制制级各相关控控制变量的最最佳设定值。而而要达到这个个目标，必须须要建立与生生产过程技术术指标、经济济指标关联的的、含有污染染物变量的数数学模型，给给出合适的使使污染物最小小量化的优化化目标函数，然然后可以选择择某种优化的的算法求解，最最后通过计算算机控制系统统实施。这种种模型是以往往人们常常忽忽视的，而且且也往往更为为困难，因为为模型的形式式更具有多样样性，不仅有有机理模型、辨辨识模型等数数值模型，而而且可能会有有语言模型、规规则模型等智智能模型。近近年来，对以以人工神经元元网络(ArtiificiaalNeuuralNNetworrk,ANNN)为代表的智智能过程建模模及其控制系系统的研究成成为一大热点点。这是因为为ANN具有很强的的学习能力或或者说是自适适应能力；其其本身是非线线性的，可以以通过学习达达到以所要求求的非线性形形状来模拟对对象模型，并并且适合多输输入多输出系系统。因此用用它来建立复复杂工业过程程中含有污染染量指标的模模型值得研究究与尝试，特特别是将ANN建模和机理理建模结合起起来，发挥它它们的各自优优势，建立机机理与ANN的混合模型型，以达到比比经典参数估估计方法柔性性更好，而比比黑箱式ANN建模更易推推广的目的。3过程控制技技术在清洁生生产中的应用用3.1清洁生生产策略需要要性能更好的的过程控制系系统加以保证证从上面面的简述可以以看出，基于于过程建模、控控制与优化的的清洁生产策策略的实现一一般是以不改改变生产工艺艺作为前提的的，它只是在在工艺允许的的条件下改变变操作变量，以以达到使污染染物产生最小小量化的目的的。对于已有有的过程控制制系统而言，它它首先必须完完成保证生产产正常进行、产产品质量达标标的任务，其其次才是兼顾顾清洁生产策策略的实现。由由于清洁生产产策略的特殊殊性，可能存存在模型更为为复杂、优化化性能指标计计算繁琐等原原因，清洁生生产策略对过过程控制系统统的性能提出出了更高的要要求，以保证证在工艺允许许的条件下清清洁生产策略略的实施，最最大程度地减减少污染物的的产生，达到到清洁生产的的目的。在这这样的系统中中，清洁生产产的优化指标标可以和考虑虑整个企业全全局运行最优优的目标函数数，诸如能源源消耗、生产产率及其它因因素的优化经经济指标等一一起考虑，理理想的结果是是既获得环境境效益，又获获得经济效益益，而不应忽忽视其中一项项。3.2过程控控制系统面向向清洁生产事事半功倍目前，自动动控制系统以以及计算机网网络系统已成成为现代化工工业生产过程程中不可缺少少的部分。DCS等先进的自自动控制系统统在相应的模模型、控制和和优化软件支支持下能够保保证生产过程程的安全平稳稳、优质高产产。但除少数数专用的污染染处理过程控控制系统外，一一般不将污染染量作为控制制目标，这实实际上是资源源的一种严重重浪费。从污污染物产生的的源头看，目目前的许多工工业污染物产产生在生产过过程的中间环环节（例如因因必需的化学学和/或物理过程程中产生的废废物等），当当还没有或不不可能找到完完全杜绝污染染产生的清洁洁生产工艺方方式时，如果果能够利用自自动控制领域域中日趋成熟熟的建模、控控制以及优化化技术，在生生产过程的各各个环节通过过已有的过程程控制系统（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过程优化与与综合自动化化技术在清洁洁生产中的应应用4.1面向生生产装置的生生产过程操作作优化技术清洁生产产的概念需要要落实到生产产过程的每一一个环节，优优化与控制也也必须考虑到到每一个环节节。由于复杂杂的流程工业业生产过程中中普遍存在化化学、物理、生生化反应，存存在着相变以以及物质与能能量的转换与与传递；生产产往往处于伴伴随着高温、高高压、低温、真真空、易燃、易易爆、有毒污污染等环境中中；产品质量量对生产过程程条件要求苛苛刻，所以必必须对生产的的全过程进行行监督控制，因因此面向清洁洁生产的优化化与控制应该该直接面对过过程、建立在在车间或工段段一级的监督督控制层与过过程优化层，从从生产装置一一级就提出含含有清洁生产产策略的优化化目标函数，并并在该装置的的基础过程控控制系统中加加以实施。具具体地说，装装置级的控制制系统要根据据上一层的调调度指令实现现生产过程优优化操作、先先进控制以及及对故障的及及时诊断与处处理，使过程程操作始终处处于最佳工作作点附近。在在这一层实施施清洁生产策策略是希望在在保障生产安安全操作、产产品质量产量量不变、提高高或保障同等等经济效益的的前提下，针针对本工段的的废物/污染物采取取有效措施，使使其产生的处处理负荷量最最小。4.2面向全全流程或企业业的综合自动动化技术随着市场经经济的全球化化，企业间的的竞争也必然然愈来愈剧烈烈，建立集监监督控制、在在线优化、生生产调度、企企业管理、经经营决策等功功能于一体的的计算机集成成制造系统CIMS（CompuuterIIntegrratedManuffacturringSSystemms）或综合自自动化系统，形形成节能降耗耗、少投入多多产出的高效效生产模式，已已逐步成为流流程工业自动动化发展的一一个趋势。随着对CIMS研究与应用用的深入，也也由于日益增增长的环境压压力，一些从从事CIMS研究与应用用的专家学者者已开始致力力于对清洁生生产的研究，在CIMS环境中采用综合自动化技术实施清洁生产的重要性与前景逐渐展现在人们面前[2-5]。而对于流程工业来说，推行清洁生产更是非常重要且势在必行。建立流程CIMS的目的是将信息流、物料流、资金流以及人、技术、经营等要素有机地集成，使企业所有生产、经营等活动都围绕着获取尽可能大的经济效益目标优化运行。根据流程工业CIMS的体系结构，可以将流程CIMS划分为企业决策、经营管理、生产计划调度、过程优化及监督控制的递阶控制结构。由前面的清洁生产策略层次分析可以发现，在CIMS递阶结构中的每一级都可结合该级的功能和任务，在提高或不影响企业经济效益的前提下，基于各种先进的综合自动化技术，提出面向清洁生产的优化策略和实施技术方案，从而使清洁生产策略成为流程CIMS的一个有机组成部分，并与整个企业的生产经营活动、经济效益以及环境保护措施紧密相关。文[6]详细地分析了流程工业的特点及其对清洁生产的迫切需求，然后提出了在流程工业CIMS中各个层次实施面向清洁生产的优化策略。4.3制浆造造纸厂应用综综合自动化技技术实施清洁洁生产策略的的例子制制浆造纸工业业是造成环境境污染最严重重的行业之一一，而制浆产产生的污染又又占整个行业业污染负荷的的80%以上。同时时，制浆还是是木材、化学学品、水、电电等原材料和和能源的消耗耗大户，下面面就以制浆工工业过程为例例说明采用自自动化技术实实施清洁生产产带来的环境境效益与经济济效益。4..3.1蒸煮过程中中面向清洁生生产的优化策策略前道道工序分离出出来的废液(俗称黑液)是造成制浆浆过程污染的的主要原因，其其主要含量是是碱(以氢氧化钠钠和硫化钠为为主)。虽然后续续的碱回收工工艺可以对黑黑液进行处理理，回收其中中的碱重复利利用。但一方方面回收率不不可能达到100%(况且许多企企业没有碱回回收装置)；另一方面面减轻后续工工段的负荷本本身就是清洁洁生产的指标标之一。因此此本工段选择择蒸煮过程的的用碱量作为为污染变量，建建立含有污染染控制变量的的数学模型，在在蒸煮过程中中优化工艺操操作参数，使使成浆在满足足质量指标的的同时，尽可可能地降低碱碱的用量，从从而减少碱回回收装置的负负荷和碱的流流失。由由于蒸煮机理理复杂，难以以建立其精确确的机理模型型。笔者针对对实际的Kamyr连续蒸煮器,由某厂实际际操作数据回回归得到包含含污染控制变变量模型中的的各常数，在在此基础上优优化得到生产产操作参数――初始碱用量Es和蒸煮温度T的最佳设定定值。将优化化结果与平常常采用的操作作参数相比，考考虑清洁生产产策略时的碱碱用量、回收收装置的负荷荷和碱的流失失最多可减少少5.4%，最少可减减少4.4%。若以该厂厂日产风干浆浆380吨、硫化度度为27%～30%的Kamyr连续蒸煮器器为例，并假假设后续工段段的碱回收率率为90%，则通过优优化操作，每每天在回收过过程中损失的的碱可以减少少0.68吨。在环境境效益明显的的情况下，同同时还可获得得年收益为42万元的经济济效益[7]]。4.3.2蒸发过程程中面向清洁洁生产的优化化策略另另一个实际应应用的例子来来自于同一个个企业蒸煮过过程的后续工工段--黑液蒸发过过程。在制浆浆过程，经蒸蒸煮、洗选之之后的黑液含含水量达80％以上。按按目前普遍采采用的黑液燃燃烧法进行碱碱回收，对于于这样的稀黑黑液，必须首首先通过蒸发发工段去除其其中的大部分分水分，使稀稀黑液浓缩成成为符合燃烧烧要求的浓黑黑液（含固形形物50％左右）之之后，才能送送至后续的碱碱回收炉燃烧烧，从而回收收黑液中的碱碱。在黑黑液蒸发过程程诸多的工艺艺参数中，出出效的黑液浓浓度最为重要要，若它低于于某个值，送送到后续燃烧烧炉后将可能能由于黑液不不能燃烧而导导致燃烧炉熄熄火，影响整整个回收过程程的正常生产产；但浓度也也不能偏高，否否则会带来其其它问题，如如粘度过大可可能导致黑液液无法正常流流动等。在这一一工段，面向向清洁生产的的优化目标函函数与生产过过程控制系统统的控制目标标是一致的，因因此，黑液蒸蒸发过程计算算机优化控制制系统的设计计目标便是尽尽可能地提高高生产效率及及控制精度，实实现最佳工作作点的"卡边"控制。按此此思想设计的的黑液浓度优优化控制系统统已投入实际际运行多年。该该系统明显地地改善了蒸发发过程工艺运运行的稳定性性，提高了生生产效率，降降低了能源消消耗，增加了了碱回收率，并并大幅度地扩扩大了生产能能力，延长了了设备的使用用周期，取得得良好的经济济效益、环境境效益和社会会效益[8]]。4.3.3碱回收炉炉面向清洁生生产的优化操操作加拿拿大一家纸浆浆厂运用了先先进的自动化化技术对碱回回收炉进行面面向清洁生产产的优化操作作，不仅减少少了约80%的残碱污染染排放，而且且提高设备的的黑液处理能能力11.5%，同时每年年节省燃料和和原料成本达达42.5万美元[9]]。5实施清洁生生产策略的困困难、对策与与基础尽管将过程程建模与优化化控制技术应应用于清洁生生产具有广阔阔的前景，可可以将对清洁洁生产的研究究与应用拓宽宽到一个更广广泛的空间，但但在具体实施施时，还会遇遇到相当多的的困难。首先，由于于传统上在进进行工业过程程的工艺设计计时，对主产产品工艺考虑虑比较仔细，机机理比较明确确，而对副产产品及废弃物物工艺则往往往不甚清楚，因因此面向清洁洁生产的过程程建模难度更更大。其其次，由于复复杂工业过程程一般都有流流程长、工艺艺复杂等特点点，加之面向向清洁生产的的优化策略需需要落实到生生产及经营过过程的每一个个环节，因此此面向清洁生生产的优化策策略所涉及的的问题一般都都具有较大的的规模，更具具复杂性。再者，在在一个企业中中，面向清洁洁生产的优化化策略在各个个控制、优化化、计划、调调度等子系统统中一般并非非单独存在，而而是与现有的的以生产的安安全、优质、高高产为目标的的各子系统并并存，且有可可能由于目标标的不一致，两两种系统之间间存在矛盾与与冲突，因此此必须考虑多多目标优化与与多任务协调调问题，同时时其实时性也也不容忽视。对于上述述问题，采用用传统的方法法往往难以解解决，一种比比较理想的解解决方案是采采用近年来正正日益受到重重视的以多智智能体（MultiiAgennt）技术为代代表的分布式式智能系统进进行描述。由于所有有实际系统在在本质上都是是分布式的，而而基于Agent所特有的自自治性、交互互性、协作性性以及可通讯讯性等特点，有有可能将具有有不同知识与与能力的人及及具有不同智智能程度的系系统放在统一一的智能体的的概念下来进进行研究。通通过各智能体体（有可能是是异构型的）间间的通讯、合合作、互解、冲冲突、协调、调调度、管理及及控制来表达达具有清洁生生产优化策略略的实际结构构、功能及行行为特性。由由于多智能体体技术对复杂杂系统具有无无可比拟的表表达力，从而而为实际CIMS中面向清洁洁生产的优化化策略研究提提供了一种统统一的框架。初初步的研究结结果已证明了了这点[100]。除除了上述困难难与对策外，必必须要意识到到的是，采用用综合的自动动化技术实现现清洁生产策策略的基础是是先进的面向向污染指标的的检测技术和和仪器仪表，而而这一点正是是目前国内普普遍存在的薄薄弱环节，是是仪器仪表行行业需要努力力的方向。6结论随着科技的的进步，工业业现代化步伐伐加快，人类类面临的环境境压力日益加加大。本文首首先提出了实实施清洁生产产策略的两个个层次概念，然然后针对流程程工业的特点点及其对清洁洁生产的要求求，提出了在在流程工业实实施面向清洁洁生产策略的的过程建模、控控制与优化技技术应用方法法。并以给环环境造成严重重污染压力的的制浆造纸工工业的硫酸盐盐制浆过程为为例，介绍了了在流程工业业利用过程建建模、优化控控制等综合自自动化技术实实现清洁生