張冰（1975-）

   男，寧夏中衛(wèi)人，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)槭^(guò)程自動(dòng)化，專業(yè)是控制理論與控制工程。




     摘  要：氫氮比是合成氨裝置最為關(guān)鍵的參數(shù)之一，保持比值始終處于最佳狀態(tài)是提高合成氨產(chǎn)量的有效措施。中國(guó)石油寧夏石化公司化肥裝置在實(shí)施該項(xiàng)目時(shí)，充分調(diào)研，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)氫氮比優(yōu)化控制的三種主流方法進(jìn)行比較。通過(guò)對(duì)其核心理論的分析，指明各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為生產(chǎn)實(shí)踐奠定了理論基礎(chǔ)。

     關(guān)鍵詞：氫氮比；優(yōu)化控制；先進(jìn)控制

     Abstract: The H-N ratio in the production of synthetic ammonia is one of the most important parameters to increase the product yield which is an efficiency measure to keep the optimal production. In view of the present three main optimization control systems for H-N ration in domestic,we make an analysis and comparison, and point out the advantages and disadvantages for each strategy. By analyzing the core principles of each system, the production principle is confirmed.

     Key words: H-N ratio; Optimization control; APC

    1 問(wèn)題的提出

    在大型化肥裝置中，氫氮比是合成氨裝置最為關(guān)鍵的參數(shù)之一，保持其始終處于最佳狀態(tài)是提高合成氨產(chǎn)量和降低消耗的有效措施。

    氨合成反應(yīng)方程式為：N2+3H2=2NH3+Q

    特點(diǎn)是反應(yīng)放熱，體積縮小，反應(yīng)可逆，有觸媒，高溫高壓。

    從氨合成催化劑的活性角度分析進(jìn)塔氣最適宜的氫氮比在2.5左右，而從平衡角度則以3為最高，所以氫氮比在2.5～3范圍內(nèi)最有利于氨的合成，正常的最佳氫氮比為2.7～2.8。低于2.5或大于3.5會(huì)使合成塔床層溫度下降，若持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可能導(dǎo)致床層溫度跨掉，合成塔封塔。

    目前我國(guó)大型合成氨裝置的氫氮比控制系統(tǒng)大都由DCS實(shí)現(xiàn)，由于DCS控制系統(tǒng)的基本單元未能脫離常規(guī)PID控制算法，因此在波動(dòng)較大、干擾較強(qiáng)、大時(shí)滯的情況下，PID參數(shù)不適應(yīng)此狀況，常規(guī)PID控制算法又不能實(shí)現(xiàn)參數(shù)自整定，故不能及時(shí)將工況控制在最佳狀態(tài)，有時(shí)反而造成系統(tǒng)波動(dòng)，操作工不得不及時(shí)將回路切到手動(dòng)，導(dǎo)致現(xiàn)氫氮比控制系統(tǒng)投用率極低。而手動(dòng)調(diào)節(jié)1次要10～40分鐘左右的時(shí)間才能反映出調(diào)節(jié)效果，幾個(gè)周期下來(lái)，就會(huì)使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于非優(yōu)化控制狀態(tài)，以致于影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定和產(chǎn)量。

    寧夏石化公司針對(duì)45萬(wàn)噸大型合成氨裝置依靠人工調(diào)節(jié)和在工況出現(xiàn)波動(dòng)的情況下裝置現(xiàn)存的大時(shí)滯情況，實(shí)施合成氨裝置氫氮比優(yōu)化控制策略，研究出一套反應(yīng)靈敏、調(diào)節(jié)及時(shí)、保證工況調(diào)整盡快處于優(yōu)化狀態(tài)的自動(dòng)控制方案。

                   圖1   目前寧夏石化公司合成氨裝置三大控制參數(shù)歷史趨勢(shì)

    目前氫氮比優(yōu)化控制屬于傳統(tǒng)優(yōu)化控制方法和先進(jìn)控制方法都可以涵蓋的范疇，在我國(guó)大化肥行業(yè)，目前實(shí)施較成功的裝置主要有表1中的三家。由于三種技術(shù)方案的設(shè)計(jì)思路不同，各有特點(diǎn)，差別如表演所示。

                                        表1

                    

    滄州大化是基于傳統(tǒng)控制方法的內(nèi)部復(fù)雜控制，通常被稱之為一次優(yōu)化；云天化是基于先進(jìn)控制方法的計(jì)算機(jī)輔助控制，由HONEYWELL國(guó)外專業(yè)先進(jìn)控制軟件開(kāi)發(fā)公司實(shí)施的，通常被稱為二次優(yōu)化，或先進(jìn)控制，氫氮比控制只是它系統(tǒng)控制中的一個(gè)部分；大慶化肥廠采用基于先進(jìn)控制方法的計(jì)算機(jī)輔助控制，針對(duì)單回路設(shè)計(jì)，結(jié)合傳統(tǒng)優(yōu)化控制的前饋算法，由大慶華創(chuàng)公司實(shí)施。從技術(shù)先進(jìn)性考慮無(wú)疑先進(jìn)控制的技術(shù)含量和先進(jìn)性無(wú)庸質(zhì)疑，企業(yè)最看重的是實(shí)際效果，哪種方案實(shí)施可靠性高，成本低。優(yōu)化控制和先進(jìn)控制在某些方面是不能互相取代的，二者是相輔相成的關(guān)系。以下僅從理論角度對(duì)兩種方向進(jìn)行探討，為今后提高大化肥行業(yè)自動(dòng)化控制水平提供參考。

             

                     圖2   大慶化肥廠氫氮比投用前后歷史趨勢(shì)

    2 兩種優(yōu)化控制方案的核心技術(shù)比較

    2.1 基于先進(jìn)控制方法的計(jì)算機(jī)輔助控制

    先進(jìn)過(guò)程控制是基于現(xiàn)代控制理論在過(guò)程控制領(lǐng)域的應(yīng)用，先進(jìn)過(guò)程控制（APC，主要是模型預(yù)估控制MPC），其特點(diǎn)是：

    · 實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜

    · 基于過(guò)程數(shù)學(xué)模型

    · 適于大滯后多變量

    · 適用于常規(guī)控制無(wú)法滿足要求的復(fù)雜對(duì)象

    模型預(yù)估控制（MPC）——基本原理

   （1）模型預(yù)估

    在建立生產(chǎn)過(guò)程數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)學(xué)模型利用過(guò)程的過(guò)去和現(xiàn)在的輸入輸出信息可以估計(jì)出過(guò)程未來(lái)某段時(shí)間的運(yùn)行狀態(tài)，從而得到未來(lái)運(yùn)行狀況與期望目標(biāo)的誤差，用以指導(dǎo)和計(jì)算當(dāng)前的控制作用就會(huì)得到比常規(guī)控制更好的控制性能和效果。因?yàn)槌Ｒ?guī)控制是用實(shí)際誤差來(lái)計(jì)算當(dāng)前的控制作用，而預(yù)估控制是用未來(lái)預(yù)測(cè)的誤差計(jì)算當(dāng)前的控制作用。

    （2）反饋修正

    過(guò)程模型一般是經(jīng)過(guò)多種假設(shè)簡(jiǎn)化和/或辨識(shí)估計(jì)參數(shù)得出的，它不可能完全準(zhǔn)確，同時(shí)由于過(guò)程的非線性、時(shí)變和隨機(jī)干擾等各種因素的影響，因此由模型做出的估計(jì)一定是存在偏差的。為了減小這種偏差對(duì)控制系統(tǒng)的影響，要將當(dāng)前的輸出與當(dāng)前時(shí)刻的模型估計(jì)的偏差加到未來(lái)運(yùn)動(dòng)的預(yù)估結(jié)果上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)的預(yù)估值的反饋修正。正是由于反饋修正的存在，從而增加了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一定程度地消除了建模誤差，降低了對(duì)模型精度的要求，并且對(duì)不可側(cè)干擾起到了抑制作用，最終使控制系統(tǒng)的魯棒性得到提高。

    （3）滾動(dòng)優(yōu)化

    預(yù)估控制結(jié)合了優(yōu)化控制策略。預(yù)估控制算法通過(guò)使某種控制指標(biāo)達(dá)到最小而得到最優(yōu)控制作用，且所得最優(yōu)控制作用只實(shí)際執(zhí)行當(dāng)前第一步。隨著時(shí)間的推移，每一采樣時(shí)刻都會(huì)重新計(jì)算其最優(yōu)控制作用，因此隨著控制系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化控制是滾動(dòng)進(jìn)行的，也可以說(shuō)是實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。

    大慶石化公司化肥廠的合成氨裝置氫氮比控制采用的廣義預(yù)測(cè)控制方法核心是如下公式：

               （1）

   模型采用階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)作為預(yù)測(cè)模型，可以理解為已知以前時(shí)刻的輸入與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，那么可以根據(jù)這個(gè)關(guān)系方程根據(jù)現(xiàn)在的輸入推出將來(lái)的輸出。 
            

                         圖3   大慶化肥廠氫氮比控制結(jié)構(gòu)圖

    2.2 基于傳統(tǒng)控制方法的內(nèi)部復(fù)雜控制

    常規(guī)過(guò)程控制（PID）的方法較成熟，特點(diǎn)是

    · 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單

    · 無(wú)模型

    · 單回路

    · 不能適應(yīng)大滯后多變量系統(tǒng)

    · 對(duì)要求較高的、復(fù)雜的過(guò)程不易有好的控制效果和性能

    滄州大化的技術(shù)方案是使用傳統(tǒng)的基于復(fù)雜控制回路的設(shè)計(jì)思想，利用DCS內(nèi)部現(xiàn)有的功能塊，搭出一個(gè)優(yōu)化控制回路，這種方案工廠技術(shù)人員較容易理解，實(shí)施有把握，技術(shù)難點(diǎn)在各控制器之間的參數(shù)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)各串級(jí)回路的參數(shù)設(shè)置。針對(duì)寧夏石化45萬(wàn)噸合成氨裝置的設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)圖如圖4、圖5所示。

              
                               圖4   H2/N2比控制系統(tǒng)方塊圖

                
 
                                 圖5   氫氮比控制系統(tǒng)

    滄州大化H2/N2控制系統(tǒng)是一套具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力、抗干擾能力和克服大時(shí)滯現(xiàn)象的“前饋-比值-多串級(jí)”調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本系統(tǒng)是以合成塔入口循環(huán)氣H2/N2為主調(diào)（AIC411），以進(jìn)入合成系統(tǒng)新鮮空氣H2/N2為第一級(jí)副調(diào)（AIC410），以加入二段轉(zhuǎn)化爐的空氣流量調(diào)節(jié)器FIC003，以總碳流量FX0204 PV為前饋信號(hào)的“多串級(jí)-前饋-比值”控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)共采用各種功能的DCS內(nèi)部?jī)x表20多塊。該系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入二段爐103-D的工藝空氣流量進(jìn)行控制，以此來(lái)調(diào)節(jié)新鮮氣H2/N2和合成氣H2/N2 。

    合成氣H2/N2作主調(diào)AIC411；新鮮H2/N2作第一級(jí)副調(diào)AIC410；主調(diào)AIC411的輸出作第一級(jí)副調(diào)AIC410的外給定（SP）；第一級(jí)輻調(diào)AIC410的輸出與總碳流量在FX0414進(jìn)行前饋運(yùn)算，得出所需的空氣流量值，作副調(diào)FIC003的外給定，由空氣流量調(diào)節(jié)器FIC003調(diào)節(jié)閥門(mén)FCV3，F(xiàn)IC003的輸出控制進(jìn)入二段爐的空氣流量，達(dá)到最終控制合成氣H2/N2的目的。

    該系統(tǒng)對(duì)一次儀表均要設(shè)置正常工藝操作上下限報(bào)警值（HI、LO）、變化率報(bào)警值VL、輸入斷線報(bào)警值IOP，對(duì)PID調(diào)節(jié)器均要設(shè)置偏差報(bào)警值DV，目的是對(duì)一次儀表和主要調(diào)節(jié)器的故障和錯(cuò)誤信息進(jìn)行判斷、識(shí)別，采取相應(yīng)的安全保護(hù)措施，如輸入開(kāi)路、測(cè)量變化率大、輸入信號(hào)越限、偏差報(bào)警等現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)切除串級(jí)或自動(dòng)狀態(tài)，并報(bào)警提醒操作人員。

    3  結(jié)論

    綜上所述，優(yōu)化控制與先進(jìn)控制完成的目標(biāo)是一致的，但先進(jìn)控制較優(yōu)化控制層次高，它是借助于目前計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)高速的計(jì)算能力，利用現(xiàn)代控制理論，用數(shù)學(xué)模型模擬出裝置的特點(diǎn)，預(yù)測(cè)出整個(gè)裝置各個(gè)參數(shù)的關(guān)聯(lián)變化，統(tǒng)一協(xié)調(diào)的優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)，但對(duì)DCS的單回路控制水平要求極高，單回路應(yīng)該調(diào)節(jié)靈敏準(zhǔn)確，都投在自動(dòng)狀態(tài)，裝置運(yùn)行在高負(fù)荷狀態(tài)，通過(guò)傳統(tǒng)的控制手段已無(wú)法提高生產(chǎn)能力，節(jié)能降耗，所以借助于先進(jìn)控制。比較而言，我們研發(fā)的優(yōu)化控制更適合目前國(guó)內(nèi)裝置的運(yùn)行水平，適合負(fù)荷大范圍的波動(dòng)，能夠協(xié)調(diào)控制幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)施成本較低，并且為最終實(shí)施先進(jìn)控制打下基礎(chǔ)。


                                                      ——轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》