專利名稱：監(jiān)控過程的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用計算流體動力學監(jiān)控過程的方法。
計算流體動力學(CFD)是一種用于模擬流體流動的已知的方法，其通過使用計算方法來求解控制流體流動的動量和質(zhì)量守恒方程。例如，在對混合容器進行設(shè)計時，CFD可被用于模擬流體流動，以便實現(xiàn)適當?shù)幕旌?。類似地，當設(shè)計反應(yīng)容器時，CFD可用來確保反應(yīng)物之間和/或其與可能存在的任何催化劑之間的最佳接觸，這可以通過反應(yīng)器設(shè)計實現(xiàn)。
當給定系統(tǒng)邊界條件并使用連續(xù)介質(zhì)的流體基本方程，即質(zhì)量和動量守恒方程(或稱為Navier Stokes方程)時，CFD計算出系統(tǒng)的流動結(jié)構(gòu)和特性，即。CFD可以在穩(wěn)定或者不穩(wěn)定(與時間相關(guān))的模式下運行。該技術(shù)無須預(yù)先假設(shè)最終的方程解，并且除初始邊界條件外，無須輸入其他數(shù)據(jù)(例如，其不需要測量導(dǎo)出方程解的壓降)。換句話說，在之前時間t0給出的系統(tǒng)邊界條件時，該技術(shù)計算出系統(tǒng)在時間t1的所要求的特性。
在一些簡單的流動問題(例如二維非粘性流)上，可以分析性地計算該流動，然而，在大多數(shù)有實際意義的工程流都需要數(shù)字求解非線性的二階微分方程。CFD通過將流態(tài)分解成許多小單元(一般大于100k)，并且在每個單元中迭代預(yù)測值來數(shù)字求解該方程直到得出方程解。
例如，在Fluent Inc，2002出版的，E.M.Marshall和A.Bakker所著的“Computational Fluid Mixing”中對CFD進行了描述。
通常，CFD模型需要計算機花費很多的小時，甚至是幾天，即使是相當簡單的系統(tǒng)，特別是當其方程解與時間相關(guān)時。然而，盡管計算需要時間，但已經(jīng)證明，當結(jié)算時間并非是關(guān)鍵性問題時，CFD是一種設(shè)計混合和/或反應(yīng)容器的重要工具，其計算時間不是關(guān)鍵問題。
在形成本發(fā)明之前，除初始邊界條件外，對于系統(tǒng)無須預(yù)先假設(shè)的CFD模型從未被用于實時過程控制。EP398706描述了預(yù)測一種在反應(yīng)器中由大量單體聚合形成的聚合物的物理性能和狀態(tài)的方法，其結(jié)果可用于警告操作者存在異常的反應(yīng)器問題。然而，上述方法需要輸入在反應(yīng)器的多個點上(并因此在時間t0時)已測量的實時過程數(shù)據(jù)(即之前進行操作的結(jié)果)，并且計算的結(jié)果得出一個不同的參數(shù)的估算值，但在測量初始數(shù)據(jù)的時間t0時。
現(xiàn)在我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)計算流體動力學，特別是當在不穩(wěn)定(與時間相關(guān))的模式下運行時，可用于實時過程監(jiān)控以改善過程控制。
因此，根據(jù)第一個方面，本發(fā)明提供一種過程控制的方法，所述的方法包括(a)提供第一過程的計算流體動力學模型，(b)將向上述第一過程進料的數(shù)據(jù)輸入該計算流體動力學模型，所述的數(shù)據(jù)代表初始時間t0時的狀態(tài)，以便該模型在未來時間t1時產(chǎn)生第一過程的一種或多種特性的實時模擬，以及(c)使用該模擬以控制所述的第一過程，或者控制第一過程所連接的第二過程。
所謂“實時模擬”是指這樣的模擬，當過程發(fā)生時(或者更快地)在一個足以預(yù)測過程條件的很短時間內(nèi)得到模擬輸出(模擬結(jié)果)，并因此根據(jù)需要響應(yīng)于該輸出進行控制；即系統(tǒng)能夠從可以在初始時間t0應(yīng)用的數(shù)據(jù)計算在后時間t1時的特性，并且，如果需要，能夠在時間t1之時(或者之前)使用該計算來控制該過程(或者第二過程)。
本發(fā)明的方法可以通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)，因此按照本發(fā)明的進一步具體實施方案，提供一種用于過程的控制系統(tǒng)，其包括(a)一個計算機，其被編程以運行第一過程的計算流體動力學模型，(b)一個輸入系統(tǒng)，其用于將第一過程進料的數(shù)據(jù)輸入計算流體動力學模型，所述的數(shù)據(jù)代表初始時間t0時的狀態(tài)，以便該模型在未來時間t1時產(chǎn)生所述第一過程的一種或多種特性的實時模擬，以及(c)一個控制器，其對所述的模擬作出響應(yīng)，并且用于使用所述的模擬來控制所述的第一過程，或者控制第一過程所連接的第二過程。
根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)采用以下方式進行操作控制器(c)，如下所述，可以是自動過程控制系統(tǒng)或者可以由操作者進行操作，其能夠在時間t1之時(或者之前)使用。
優(yōu)選所述控制器(c)控制第一過程所連接的第二過程，所述的第一過程是在具有輸出流(其中，該輸出流被作為第二過程的進料)的適當?shù)幕旌先萜髦械幕旌线^程。例如，混合容器可以是原油儲罐，且第二過程驟可以是一種原油蒸餾裝置。該具體實施方案更詳細的資料如下所述。
為了在未來時間t1時產(chǎn)生所述第一過程的一種或多種特性的實時模擬，在進料時的數(shù)據(jù)必須涉及在最長為時間t1的時間t0時輸入第一過程的進料，并且可以包括，例如最長為該時間時將被輸入第一過程的所有進料流的進料速度和組成。進料至一個過程的進料流的組成可以從在所述的料流進入該過程之前的足夠時間對例如在合適的進料流儲罐中的分析或者在上游管道(例如流量計)的分析獲得。這些數(shù)據(jù)可以通過操作者或者自動化的輸入監(jiān)測系統(tǒng)而輸入CFD模型。向CFD模型的輸入本身可以是一個模型或者模擬的結(jié)果，例如，來自在上游儲槽運行的獨立CFD模型的輸出。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點，即CFD模型用于預(yù)測所述第一過程的一種或多種特性，并且，必要時用于影響所述的輸出，(i)在所述第一過程中出現(xiàn)預(yù)測特征之前，模擬輸出用于控制所述的第一過程，或者(ii)在第二過程被預(yù)測特征影響之前，模擬輸出用于控制第一過程所連接的第二過程。
相應(yīng)于CFD模型預(yù)測對所述第一過程或第二過程的控制通常是通過操作者或者自動過程控制系統(tǒng)來實施的。盡管操作者或者自動化控制系統(tǒng)可以“使用”模擬輸出來改變第一或第二過程的條件，但同樣該模擬輸出也可以用于確保第一或第二過程在預(yù)測的條件下合理地進行，而不必進行變化。
該模擬還可用于產(chǎn)生在后繼時間t2、t3等時所述的第一過程的一種或多種特性的實時模擬。這可以通過連續(xù)運行或定期再運行(重復(fù))該模擬以在未來時間t2、t3等時產(chǎn)生模擬來實現(xiàn)。這樣，本發(fā)明可以用時間進行工藝過程監(jiān)控。
“連續(xù)”運行是指不斷更新模擬，以便一旦在時間t1時產(chǎn)生模擬輸出，則繼續(xù)模擬以產(chǎn)生用于后繼時間t2的模擬輸出。因此，在時間t1時的模擬可以通過輸入在t1和t2之間進料到所述第一過程的數(shù)據(jù)來更新t1的模擬，從而在未來時間t2(t1之后)產(chǎn)生所述第一過程的一種或多種特性的實時模擬。在該具體實施方案中，運行模擬的時間周期與更新的時間周期相同(t2和t1之間的時間差)，即該模擬花費10秒鐘，則t2和t1應(yīng)該相差10秒鐘。
或者，該模擬可以分別運行獨立的實時模擬來運行(再運行)，以產(chǎn)生在未來時間t2、t3(在t1之后)等時的所述第一過程的一種或多種特性的實時模擬。盡管模擬可能開始于先前模擬之前且并聯(lián)進行模擬，但通常在先前模擬進行之后開始。例如，模擬可以通過使用第一過程在時間t時的實際(即測量)數(shù)據(jù)和在時間t和t2之間進料到所述第一過程的數(shù)據(jù)來運行，以產(chǎn)生在未來時間t2(t1之后)時的所述第一過程的一種或多種特性的實時模擬。其中每個模擬開始于先前模擬進行之后，運行每個模擬的時間周期小于更新的時間周期(t2和t1之間有時間差)，即模擬需要花費10秒鐘，那么t2和t1的差至少應(yīng)當為10秒鐘，以便使隨后的模擬及時開始并完成。
也可以使用上述的組合。例如可以連續(xù)地進行模擬，即使用在t0時的初始數(shù)據(jù)并在全部的時間周期內(nèi)對隨后的時間周期(例如1小時)不斷更新該模擬，隨后使用一組可能來源于實際測量的新的初始數(shù)據(jù)重新開始模擬。實際上，時間t1被重新設(shè)置來表示新的時間t0。這樣，新的數(shù)據(jù)提供了對連續(xù)運行的模擬的控制，并保證該連續(xù)運行的模擬不會變成實際條件的非代表性結(jié)果。
該模擬優(yōu)選定期運行或更新，例如時間周期(即t3-t2，t2-t1等)為1秒～60分鐘。
全部的模擬輸出可用于控制所述的第一或第二過程，或者該控制可以僅僅使用間隔較長時間的模擬輸出。例如，當每10秒重復(fù)該模擬時，那么可能僅僅需要使用每分鐘或每10分鐘的輸出之一用于過程控制。因此，模擬的時間周期可以小于用于過程控制的更新時間步長，其取決于控制模式所要求的精度。
用于計算的時間步長不必是恒定的時間步長，其可以是在模擬內(nèi)部根據(jù)變量的變率而變化的，以便于優(yōu)選該計算時間。
所述第一過程的“一種或多種特性”可以包括化學或物理特性。一般化學特性包括化學組成。一般物理特性包括例如密度和粘度。特性還可以包括分散的或第二相的濃度，例如油包水。
該CFD模型將產(chǎn)生“特性圖”(或一種或多種特性圖)，其顯示了一種或多種特性在第一過程內(nèi)部如何改變，例如反應(yīng)容器內(nèi)化學試劑的濃度圖，或者混合容器內(nèi)部流體的密度或組分組成圖。
在本發(fā)明的第一方面中，第一過程是在適當?shù)姆磻?yīng)容器中的反應(yīng)。
在第一方面的一個優(yōu)選的具體實施方案中，該模擬的輸出是反應(yīng)容器內(nèi)部的組成變化圖，且用于控制所述的反應(yīng)。該模擬的輸出還可以包括，例如反應(yīng)容器內(nèi)部的溫度和壓力值。該輸出還可以包括排出容器的物流的特性。由于所述的輸出用于控制所述反應(yīng)，所以在反應(yīng)容器中出現(xiàn)實際條件以前，操作者或自動過程控制系統(tǒng)應(yīng)可以獲得該輸出，這樣，如果預(yù)測到任何不希望的情況時，該操作者或控制系統(tǒng)可以進行響應(yīng)以防止其發(fā)生。
不希望條件可以包括，例如反應(yīng)容器內(nèi)部超過可燃或爆炸的安全極限的區(qū)域，具有過低或過高的一種或多種反應(yīng)物或催化劑濃度，具有不合適的流動特征，例如靜態(tài)區(qū)域和/或可形成熱點或冷點的區(qū)域。
替代地或另外地，在反應(yīng)容器中出現(xiàn)實際條件以前就從該模擬獲得該輸出使得操作者或過程控制系統(tǒng)能夠針對進料的何改變優(yōu)化反應(yīng)條件。
在第一方面中，進料的數(shù)據(jù)可以包括例如進料速度和全部進料流(包括任何循環(huán)流)的組成。例如“新鮮”進料流的組成可以在所述的流進入反應(yīng)容器前的足夠時間內(nèi)從適當?shù)倪M料貯槽或上游管道中的分析得到，且任何循環(huán)流的組成可以在所述流再次進入反應(yīng)容器之前的足夠的時間內(nèi)從在循環(huán)回路中對循環(huán)流的分析得到?；蛘?，任何循環(huán)流的組成可以從模擬輸出本身得到。
在該第一方面中，輸入CFD模型的數(shù)據(jù)還可以包括其他的工藝參數(shù)，例如催化劑活性(包括例如由于失活或根據(jù)需要加入新鮮催化劑所帶來的變化)、溫度和壓力條件。例如，催化劑活性可以基于預(yù)測的失活率和/或新催化劑的引入計劃，催化劑溫度和壓力可以基于過程條件的預(yù)定的或預(yù)計的變化，例如溫度增加導(dǎo)致催化劑失活。
在第二優(yōu)選方面中，第一過程是在適當?shù)幕旌先萜髦械幕旌线^程。在第二方面的一個優(yōu)選的具體實施方案中，混合容器具有作為第二過程進料的輸出流，其條件可以基于輸出流的組成進行優(yōu)化。在這種情況下，在所述組成的流出流到達第二過程之前，第二過程的操作者或自動過程控制系統(tǒng)可以獲得模擬的輸出，以便于操作者或過程控制系統(tǒng)可以在流出流“到達”所述的第二過程時針對該流出流優(yōu)化第二過程。
本發(fā)明第二方面的實例包括，作為混合容器的原油儲罐和作為第二過程的原油蒸餾單元。
原油蒸餾單元是原油再精煉不可分割的一部分。所述的單元從一個或多個原油儲罐進料，而儲罐又是從油罐車或管道批量加入原油的。一般一個原油蒸餾裝置具有若干個原油儲罐。
每個原油儲罐的容積通常能到達100,000m3。原油從原油儲罐任選經(jīng)過預(yù)處理(例如原油脫鹽)之后送至原油蒸餾裝置。然而，通常不可能完全清空一個原油儲罐，并在有些情況下，在原油儲罐中最多可以保留高達20％最大儲罐容量的原油。然后從例如油罐車中再次注滿該儲罐。由于原油在化學特性(例如烴組成和水含量)和物理特性(例如粘度和密度)方面都可能存在很大的差別，在儲罐中的原油的總體或局部特性將取決于罐中剩余原油和“新鮮”原油的相對體積和特性。
由于原油蒸餾塔可以基于原油的特性進行優(yōu)化，因此原油的特性是重要的。通常假定在原油儲罐中剩余的和“新鮮”的原油完全混合，以得到均勻的組合物。盡管這樣假定，但即使在原油儲罐中進行了混合，在儲罐內(nèi)的組合物也可以變化。因此，當原油被送入原油蒸餾塔時，其特性隨著時間而變化，且蒸餾將是次優(yōu)化的。
在本發(fā)明過程中，將“新鮮”原油的特性，例如總體積、流速、化學組成、密度和粘度輸入該原油儲罐的CFD模型。該CFD模型已經(jīng)包含了儲罐中剩余原油的細節(jié)(通過基于之前對該原油儲罐的注入和清空進行模擬而得到)，并且以罐內(nèi)位置的函數(shù)的形式計算原油的特性。這個“特性圖”定期更新，例如每隔幾分鐘到幾小時，只要“新鮮”原油隨時間加入(將空原油儲罐變成原油儲罐可能需要24小時或更久)或混合(一旦完成了注入并且從儲罐中取出原油時就會發(fā)生)。在罐中的混合可以來自側(cè)進料混合器，且用于此及其效果的模型包括在CFD模型中。
該模型將模擬從原油儲罐內(nèi)放出原油、以及將其進料至原油蒸餾單元、以及隨后從原油儲罐注入期間的原油的“特性圖”，因此可以預(yù)測進料至原油蒸餾單元的原油隨時間的變化。
這使得可以基于原油特性隨時間的變化對原油蒸餾裝置進行定期優(yōu)化。例如，如果在時間t0時已知某種流體以給定的流速注入罐中共x小時，那么CFD可用于在小于x小時的時間周期內(nèi)預(yù)測罐中混合物在x小時的末端的狀態(tài)如何。這是之前還未曾使用CFD實現(xiàn)或者預(yù)期過。本發(fā)明的方法中，除了初始數(shù)據(jù)的輸入之外，沒有進一步的儲罐狀態(tài)的測量或模型的調(diào)整。這就是與EP398706的方法的不同之處，在EP398706中，計算法用于計算在時間t0時的系統(tǒng)特性(具體來說，數(shù)均和重均分子量)，得到在同一時間t0時的另一個特性(例如壓降)的測量值。因此，EP398706的方法直至該事件已經(jīng)實際發(fā)生了并且已經(jīng)采取了措施之時才能夠預(yù)測所需要的條件。
盡管上面已經(jīng)針對“間歇式”操作進行了描述，其中原油儲罐分批“清空”并再次注滿，但連續(xù)或半連續(xù)的操作也是可能的，其中原油罐具有原油供應(yīng)，同時還提供原油向外輸出至原油蒸餾單元，本發(fā)明也可以被用于這類操作。
在本發(fā)明的最優(yōu)選的具體實施方案中，平行運行兩個或任選的更多個計算流體動力學模型。
在該具體實施方案中，第一模型提供第一過程在特殊時間的實際內(nèi)容和表現(xiàn)的記錄，第二模型用于模擬和控制。第一模型從實際工廠控制系統(tǒng)獲取輸入數(shù)據(jù)，并將第一過程內(nèi)的條件模型化得盡可能接近“實際時間”，即如同它們正在發(fā)生。該第一模型并不直接用于任何控制目的，而是用作用于下述第二(預(yù)測性)模型的輸入。第一模型還可以用作“質(zhì)量控制”模型來監(jiān)視第二模型預(yù)測輸出的精度。第一和第二模型可以基于從任何差異的學習而進一步精制。
第二模型用于模擬和控制，其被輸入當前特性，優(yōu)選基于來自第一模型的當前特性和進料的數(shù)據(jù)。如上所述，根據(jù)這些信息，第二模型產(chǎn)生所述第一過程的一種或多種特性的實時模擬，并使用該模擬輸出控制所述的第一過程，或者控制上述的第一過程所連接的第二過程。
CFD模擬可以連接用于實施特定特性計算的其他模擬模型，例如其可以連接熱力學反應(yīng)模型來預(yù)測物理性能和組成。
現(xiàn)參照

圖1和下列實施例對本發(fā)明進行說明。
圖1表示當加入原油時儲罐中原油的混合。儲罐有入口1和出口2，入口1位置靠近儲罐的底部且沿徑向穿過罐的半徑，出口2的位置也靠近罐的底部且與入口呈90度角。
實施例1計算流體動力學模型是一個使用6.1版本的Fluent作為CFD編碼對大容量儲罐中的混合的3D時間相關(guān)性模擬。
儲罐如上針對圖1所述，直徑80m，高17m，為了該模擬，假定進料流等于出料流，以便于儲罐保持注滿狀態(tài)。(如果需要，可以通過調(diào)整計算網(wǎng)格(grid)，使液體表面可以隨著儲罐的清空和注滿而上升和下降)儲罐入口直徑0.6m，出口直徑也是0.6m。
在儲罐中的混合是通過入口噴射機實現(xiàn)的。
計算網(wǎng)格包含穿過罐的主體的標稱大小為1m3的96000個單元，但使用較小的單元圍繞入口和出口。
該模型連續(xù)運行并每10秒鐘產(chǎn)生更新的模擬。
儲罐最初僅使用油a填充，其粘度為10厘泊(cP)，比重(SG)0.8。在時間t＝0時，粘度為400厘泊(cP)、比重(SG)0.9的油c經(jīng)入口1注入儲罐中，速度10m/s(相當于2500kg/s)。330分鐘以后，停止注入油c，經(jīng)入口1注入油a，速度10m/s。
圖1表示100分鐘步長內(nèi)儲罐組成隨時間的結(jié)果。
時間0時儲罐僅包含油a。然后經(jīng)入口1注入油c，經(jīng)過100分鐘、200分鐘、300分鐘的時間周期，儲罐內(nèi)的組成改變，表示提高油c的平均質(zhì)量分數(shù)。然而，從圖1可見混合不均勻，油a中存在高濃度的油c區(qū)域。t＝400分鐘時，油a經(jīng)入口注入，且觀察發(fā)現(xiàn)在儲罐中的混合再次出現(xiàn)嚴重的不均勻性。
這些不均勻性從表1可以看出，其顯示了基于圖1模擬的罐中油a的平均濃度以及在出口2的實際濃度。
表1
如表1所示，模擬結(jié)果使得能夠使用時間并“實時地”計算出口2的組成，以便于如果有必要，在反應(yīng)中在原油到達所述第二過程之前，可以控制出口的原油進料至第二過程的后續(xù)工藝步驟，例如原油蒸餾單元。
權(quán)利要求
1.一種過程控制的方法，所述的方法包括(a)提供第一過程的計算流體動力學模型，(b)將向上述第一過程進料的數(shù)據(jù)輸入該計算流體動力學模型，所述的數(shù)據(jù)代表初始時間t0時的狀態(tài)，以便該模型在未來時間t1時產(chǎn)生第一過程的一種或多種特性的實時模擬，以及(c)使用該模擬以控制所述的第一過程，或者控制第一過程所連接的第二過程。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中連續(xù)或反復(fù)運行模擬以在后繼時間t2、t3等時產(chǎn)生所述的第一過程的一種或多種特性的實時模擬，并實現(xiàn)工藝過程隨時間的監(jiān)控。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述的第一過程的一種或多種特性包括化學組成、密度和粘度的一種或多種。
4.如上述權(quán)利要求任一項所述的方法，其中模擬用于控制所述的第一過程，且所述的第一過程是在適當?shù)姆磻?yīng)容器中的反應(yīng)。
5.如上述權(quán)利要求任一項所述的方法，其中模擬用于控制連接第一過程的第二過程，且所述的第一過程是具有用于所述第二過程的進料的出口流的在適當容器中的混合過程。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中混合容器是原油儲罐，且第二過程是原油蒸餾單元。
7.一種用于過程的控制系統(tǒng)，其包括(a)一個計算機，其被編程運行第一過程的計算流體動力學模型，(b)一個輸入系統(tǒng)，其用于將第一過程進料的數(shù)據(jù)輸入計算流體動力學模型，所述的數(shù)據(jù)代表初始時間t0時的狀態(tài)，以便該模型在未來時間t1時產(chǎn)生所述第一過程的一種或多種特性的實時模擬，以及(c)一個控制器，其對所述的模擬作出響應(yīng)，并且用于使用所述的模擬來控制所述的第一過程，或者控制第一過程所連接的第二過程。
8.如權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)，其中控制器(c)控制連接第一過程的第二過程，且所述的第一過程是具有用作所述第二過程的進料的出口流的在適當容器中的混合過程。
9.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其中混合容器是原油儲罐，且第二過程是原油蒸餾單元。
全文摘要
一種過程控制的方法，所述的方法包括(a)提供第一過程的計算流體動力學模型；(b)將上述第一過程進料的數(shù)據(jù)輸入該計算流體動力學模型，所述的數(shù)據(jù)代表初始時間t
文檔編號G05B17/02GK1965274SQ200580018540
公開日2007年5月16日 申請日期2005年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月7日
發(fā)明者D·A·科爾曼, J·A·湯森 申請人:英國石油化學品有限公司, 英國石油國際有限公司