过程建模与优化控制技术在清洁生产中的应用（下）

　　4.1 面向生产装置的生产过程操作优化技术
　　清洁生产的概念需要落实到生产过程的每一个环节，优化与控制也必须考虑到每一个环节。由于复杂的流程工业生产过程中普遍存在化学、物理、生化反应，存在着相变以及物质与能量的转换与传递；生产往往处于伴随着高温、高压、低温、真空、易燃、易爆、有毒污染等环境中；产品质量对生产过程条件要求苛刻，所以必须对生产的全过程进行监督控制，因此面向清洁生产的优化与控制应该直接面对过程、建立在车间或工段一级的监督控制层与过程优化层，从生产装置一级就提出含有清洁生产策略的优化目标函数，并在该装置的基础过程控制系统中加以实施。具体地说，装置级的控制系统要根据上一层的调度指令实现生产过程优化操作、先进控制以及对故障的及时诊断与处理，使过程操作始终处于最佳工作点附近。在这一层实施清洁生产策略是希望在保障生产安全操作、产品质量产量不变、提高或保障同等经济效益的前提下，针对本工段的废物/污染物采取有效措施，使其产生的处理负荷量最小。

　　4.2 面向全流程或企业的综合自动化技术
　　随着市场经济的全球化，企业间的竞争也必然愈来愈剧烈，建立集监督控制、在线优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems）或综合自动化系统，形成节能降耗、少投入多产出的高效生产模式，已逐步成为流程工业自动化发展的一个趋势。
　　随着对CIMS研究与应用的深入，也由于日益增长的环境压力，一些从事CIMS研究与应用的专家学者已开始致力于对清洁生产的研究，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 制浆造纸厂应用综合自动化技术实施清洁生产策略的例子
　　制浆造纸工业是造成环境污染最严重的行业之一，而制浆产生的污染又占整个行业污染负荷的80%以上。同时，制浆还是木材、化学品、水、电等原材料和能源的消耗大户，下面就以制浆工业过程为例说明采用自动化技术实施清洁生产带来的环境效益与经济效益。
　　4.3.1蒸煮过程中面向清洁生产的优化策略
　　前道工序分离出来的废液(俗称黑液)是造成制浆过程污染的主要原因，其主要含量是碱(以氢氧化钠和硫化钠为主)。虽然后续的碱回收工艺可以对黑液进行处理，回收其中的碱重复利用。但一方面回收率不可能达到100%(况且许多企业没有碱回收装置)；另一方面减轻后续工段的负荷本身就是清洁生产的指标之一。因此本工段选择蒸煮过程的用碱量作为污染变量，建立含有污染控制变量的数学模型，在蒸煮过程中优化工艺操作参数，使成浆在满足质量指标的同时，尽可能地降低碱的用量，从而减少碱回收装置的负荷和碱的流失。
　　由于蒸煮机理复杂，难以建立其精确的机理模型。笔者针对实际的Kamyr连续蒸煮器, 由某厂实际操作数据回归得到包含污染控制变量模型中的各常数，在此基础上优化得到生产操作参数――初始碱用量Es和蒸煮温度T的最佳设定值。将优化结果与平常采用的操作参数相比，考虑清洁生产策略时的碱用量、回收装置的负荷和碱的流失最多可减少5.4%，最少可减少4.4%。若以该厂日产风干浆380吨、硫化度为27%～30%的Kamyr连续蒸煮器为例，并假设后续工段的碱回收率为90%，则通过优化操作，每天在回收过程中损失的碱可以减少0.68吨。在环境效益明显的情况下，同时还可获得年收益为42万元的经济效益^[7]。
　　4.3.2　蒸发过程中面向清洁生产的优化策略
　　另一个实际应用的例子来自于同一个企业蒸煮过程的后续工段－－黑液蒸发过程。在制浆过程，经蒸煮、洗选之后的黑液含水量达80％以上。按目前普遍采用的黑液燃烧法进行碱回收，对于这样的稀黑液，必须首先通过蒸发工段去除其中的大部分水分，使稀黑液浓缩成为符合燃烧要求的浓黑液（含固形物50％左右）之后，才能送至后续的碱回收炉燃烧，从而回收黑液中的碱。
　　在黑液蒸发过程诸多的工艺参数中，出效的黑液浓度最为重要，若它低于某个值，送到后续燃烧炉后将可能由于黑液不能燃烧而导致燃烧炉熄火，影响整个回收过程的正常生产；但浓度也不能偏高，否则会带来其它问题，如粘度过大可能导致黑液无法正常流动等。
　　在这一工段，面向清洁生产的优化目标函数与生产过程控制系统的控制目标是一致的，因此，黑液蒸发过程计算机优化控制系统的设计目标便是尽可能地提高生产效率及控制精度，实现最佳工作点的"卡边"控制。按此思想设计的黑液浓度优化控制系统已投入实际运行多年。该系统明显地改善了蒸发过程工艺运行的稳定性，提高了生产效率，降低了能源消耗，增加了碱回收率，并大幅度地扩大了生产能力，延长了设备的使用周期，取得良好的经济效益、环境效益和社会效益^[8]。
　　4.3.3　碱回收炉面向清洁生产的优化操作
　　加拿大一家纸浆厂运用了先进的自动化技术对碱回收炉进行面向清洁生产的优化操作，不仅减少了约80%的残碱污染排放，而且提高设备的黑液处理能力11.5%，同时每年节省燃料和原料成本达42.5万美元^[9]。

　　尽管将过程建模与优化控制技术应用于清洁生产具有广阔的前景，可以将对清洁生产的研究与应用拓宽到一个更广泛的空间，但在具体实施时，还会遇到相当多的困难。
　　首先，由于传统上在进行工业过程的工艺设计时，对主产品工艺考虑比较仔细，机理比较明确，而对副产品及废弃物工艺则往往不甚清楚，因此面向清洁生产的过程建模难度更大。
　　其次，由于复杂工业过程一般都有流程长、工艺复杂等特点，加之面向清洁生产的优化策略需要落实到生产及经营过程的每一个环节，因此面向清洁生产的优化策略所涉及的问题一般都具有较大的规模，更具复杂性。
　　再者，在一个企业中，面向清洁生产的优化策略在各个控制、优化、计划、调度等子系统中一般并非单独存在，而是与现有的以生产的安全、优质、高产为目标的各子系统并存，且有可能由于目标的不一致，两种系统之间存在矛盾与冲突，因此必须考虑多目标优化与多任务协调问题，同时其实时性也不容忽视。
　　对于上述问题，采用传统的方法往往难以解决，一种比较理想的解决方案是采用近年来正日益受到重视的以多智能体（Multi Agent）技术为代表的分布式智能系统进行描述。
　　由于所有实际系统在本质上都是分布式的，而基于Agent所特有的自治性、交互性、协作性以及可通讯性等特点，有可能将具有不同知识与能力的人及具有不同智能程度的系统放在统一的智能体的概念下来进行研究。通过各智能体（有可能是异构型的）间的通讯、合作、互解、冲突、协调、调度、管理及控制来表达具有清洁生产优化策略的实际结构、功能及行为特性。由于多智能体技术对复杂系统具有无可比拟的表达力，从而为实际CIMS中面向清洁生产的优化策略研究提供了一种统一的框架。初步的研究结果已证明了这点^[10]。
　　除了上述困难与对策外，必须要意识到的是，采用综合的自动化技术实现清洁生产策略的基础是先进的面向污染指标的检测技术和仪器仪表，而这一点正是目前国内普遍存在的薄弱环节，是仪器仪表行业需要努力的方向。

　　随着科技的进步，工业现代化步伐加快，人类面临的环境压力日益加大。本文首先提出了实施清洁生产策略的两个层次概念，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。并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，介绍了在流程工业利用过程建模、优化控制等综合自动化技术实现清洁生产策略的技术路线与方法。通过例子表明了其可以带来很好的环境与社会效益，为减少环境的污染压力探索一条新的思路。

 

参考文献
[1] 陈英旭, 俞新华, 胡宝等. 以清洁生产促进浙江省工业的持续发展, 环境污染与防治. 1998, 20(2)：23～24
[2] James A. Trainham, III. The environment, process design, and c