面向未來的關鍵技術：生產過程機理動態數學模型的開發和應用
　　在即將進入二十一世紀的今天，在提高生產過程操作控制水平的迫切需要下，科學技術和石油化工生產實際相結合的突破點是什么？作者認為，是生產過程機理動態數學模型的開發和應用。這也是不少石油化工生產過程同行的共識〈5,6〉。
　　機理動態模型的開發，有利于全面認識石油化工過程，深入掌握其特性，這是提高操作控制和設計水平的基礎，尤其對于市場和環境頻繁變化，始終處于動態變化之中的生產過程更是如此。穩態數學模型在石油化工過程的設計，分析，操作指導等方面已發揮了作用，但不能解釋和處理動態現象(而動態數學模型既可給出變量的動態關系也可給出穩態關系)；在分析問題時常局限于穩態平衡關系，或著重于單個因素的分析，不能很好的給出過程變化的因果關系和各因素(變量)間的互相影響。基于動態模型的系統分析方法著重于因果關系，將變量分為輸入(原因)變量、狀態或輸出(后果)變量，采用單向性的信號流圖和反饋，為分析互相關聯較為
　　復雜的石油化工過程提供了有力的方法。因而，利用動態機理數學模型全面提高石
　　油化工過程技術的重要方面。
　　采用動態機理模型，是使石油化工過程中重要不可實測變量的在線計算適應動態變化，得到更準確的計算結果的主要技術基礎。
　　模型預估控制是近二十年來先進控制的一個突破點，其中一個原因是基于動態數學模型。但由于采用過程輸入輸出數據建立數學模型，而非機理分析，使其應用和提高受到一定限制。如：測試會干擾生產、當過程具有不可測輸入時，如石油化工過程中常見的進(原)料組成變化，很難得到準確的結果，當生產過程有所調整時又要重新測試、不能建立輸入輸出以外其他可測變量間的關系，因而也不能利用這些變量。總之，這種現狀反映了自動控制界和石油化工界的實際仍存在脫節現象，測試的數據沒有物理意義，使先進控制只能在生產裝置投運以后才能進行，控制系統設計與其被控對象的設計脫節，常使控制方案不能很好的切合生產過程的實際，延誤取得效益的時間。解決這些問題的出路是開發機理動態數學模型。尤其對于具有顯著非線性特性的石油化工過程，更需要機理分析。
　　將多變量動態分析方法用于操作條件閉環實時優化，很自然的會破除目前存在的一種含糊認識：在動態先進控制的基礎上用穩態數學模型實現操作條件優化是唯一正確路線的。例一：分餾塔產品質量控制與(節能降耗的)優化問題，目前存在著這樣的技術路線：質量控制采用動態先進控制，優化則基于穩態關系(數學模型)；這種方案真正成功應用的實例并不多，其原因就在于：通常保證質量的手段是調整回流，而回流的大小直接與能耗動態相關，都從動態考慮，才能將二者很好的協調起來。目前出現的多變量預估協調控制策略，是朝這一方向邁出的可喜的一步。例二：催化裂化反應深度的優化，局限于采用穩態模型優化，就會帶來前述的很多困難，很難適應頻繁變化的市場和環境；具有動態模型和動態分析，就會另辟溪徑，創造出各種實用的方法，文獻<7>提供的應用實例，就是一個很好的說明。
　　具有石油化工過程機理動態模型，是使過程控制與過程設計一體化、在過程設計的同時給出先進控制與閉環實時優化系統設計的基礎，將使設計工作產生一個飛躍性的進展（詳見下節）。
　　石油化工過程機理動態模型的開發具有一定的難度，需要化工和系統控制兩學科的交叉。機理動態數學模型是建立在物料和能量守衡、化工熱力學、化學反應動力學和其他客觀規律基礎上的，這些是石油化工部門已經熟悉的，特別需要，也特別適合石油化工部門的技術人員擴展知識，與系統控制的技術人員相結合，從事動態數學模型的開發。機理動態數學模型的正確性需要在實際生產裝置中經過驗證，須要研究和開發動態數學模型的在線修正和驗證方法，也需要研究對采集的過程動態數據進行的處理方法。
　　設計的革命：生產過程控制與設計的一體化
　　石油化工生產裝置的設計應包括兩大方面：一方面是工藝參數、流程、設備結構及其尺寸的確定，需要穩態數學模型作為基礎；另一方面是生產裝置的運行與操作控制方法的設計，需要動態數學模型作為基礎。這兩方面是相輔相成的，工藝參數和設備是操作控制的對象，若不合理就無法運行，或者造成操作控制的困難；操作控制不合理，就無法充分發揮生產裝置的作用。
　　目前設計工作主要考慮的是第一方面，因而是不全面的，極易造成工藝設備與操作控制的脫節，影響生產裝置效益的發揮。目前絕大部分實例都是在生產裝置投產之后，才能由專門的公司或技術隊伍開發和實施，拖延時間較長。迫切要求實現過程控制和設計的一體化，在給出工藝流程和設備的同時，也給出先進控制和閉環實時優化系統的設計和軟硬件；在裝置投運的過程中，先進控制和閉環實時優化系統也同時投運；從而避免工藝設計與操作控制的脫節，縮短開工周期，迅速發揮裝置的效益。要作到這一點，開發機理動態數學模型，并用之分析裝置的操作運行，給出操作控制的設計，是非常必要的。為此，不僅要給出過程穩態特性的設計，同時要給出過程動態特性的設計，必將使設計工作進入到一個新的更高的水平。
　　過程控制與設計的一體化已經引起了人們的注意，出現了很多有關文獻，近年來出現的文獻見〈52-54〉。其基本問題是過程動態特性的設計，目的是使生產過程不僅是可操作控制的，也要易于操作控制。牽涉的主要技術問題如下：
　　為說明問題，以摻煉渣油和具有回煉的催化裂化裝置為例：
　　穩定性問題：化學反應器，尤其是放熱反應過程的不穩定問題，已有多年的討論和研究。對催化裂化裝置，由于裂化反應和燒焦反應互相影響，問題較為復雜，至今仍無嚴格結論，但可能存在多個平衡點，其中一些是穩定的，一些可能是不穩定的，對催化裂化裝置的正常運行會有很大影響，則是大多數人的看法<55-61>。其實，在催化裂化裝置中，還有一些較簡單的不穩定問題，例如對于有回煉油和回煉油罐的催化裂化裝置，回煉油罐本身可用“積分”環節描述，是不穩定的，在實際運行時，常常是液位不斷上升或不斷下降，達到上下限時，操作員必須進行調整，使液位又反向不斷變化，造成整個裝置運行不穩定。如果按穩態平衡假設液位穩定或回煉油流量穩定不變進行反應深度的優化，其結果是不切合實際的。又如，具有兩段再生的催化裂化裝置，若設備和管線尺寸不恰當，兩器藏量可能是不穩定的<62>，一旦藏量閉環控制開環，藏量的不穩定會造成操作的困難，引起大幅度波動。生產過程是否穩定，是設計中須要解決的一個根本保證問題，利用動態數學模型進行分析和反饋控制，完全可在裝置的設計中解決這一問題。