基于UniSim的發(fā)酵自控系統(tǒng)的優(yōu)化與應(yīng)用

何彥行，潘 豐

（江南大學(xué) 輕工過程先進(jìn)控制教育部重點實驗室，無錫 214122）

UniSim軟件是Honeywell的模擬仿真套件，具有強(qiáng)大的流程模擬功能，應(yīng)用于化工過程的研究開發(fā)與設(shè)計、生產(chǎn)操作的控制和優(yōu)化[1]。發(fā)酵自控系統(tǒng)的優(yōu)化主要從變量的測量精度和控制效果2個角度進(jìn)行考慮，提高變量測量的精度需要不斷開發(fā)適用于生物發(fā)酵過程的新型傳感器和在線檢測技術(shù)；發(fā)酵自控系統(tǒng)中以單回路反饋控制環(huán)節(jié)為主，控制器采用傳統(tǒng)的PID控制算法，執(zhí)行器多為調(diào)節(jié)閥。因此控制參數(shù)及調(diào)節(jié)閥口徑選型是否合適直接影響著控制效果?？刂茀?shù)的優(yōu)化依賴于數(shù)學(xué)模型，發(fā)酵過程中的控制環(huán)節(jié)無法用精確的數(shù)學(xué)模型來描述，使得參數(shù)的優(yōu)化難以實現(xiàn)；調(diào)節(jié)閥口徑選型依靠提供的調(diào)節(jié)閥前后壓差及所通過的流量來計算，無法在實際系統(tǒng)運行前驗證計算所得調(diào)節(jié)閥口徑是否較優(yōu)。

利用UniSim軟件，結(jié)合某公司氨基酸發(fā)酵過程的控制要求，通過穩(wěn)態(tài)模擬，對計算所得的調(diào)節(jié)閥口徑選型進(jìn)行驗證并優(yōu)化；動態(tài)仿真發(fā)酵過程，驗證優(yōu)化后的調(diào)節(jié)閥口徑選型的正確性；模擬變量調(diào)節(jié)過程，修改控制參數(shù)，得到較優(yōu)參數(shù)。通過利用UniSim軟件，使得控制參數(shù)的優(yōu)化不依賴于數(shù)學(xué)模型，調(diào)節(jié)閥口徑選型得到優(yōu)化并且在實際系統(tǒng)運行前得到驗證。

1 控制要求及初選調(diào)節(jié)閥

1.1 發(fā)酵控制要求

氨基酸發(fā)酵過程中常見的控制變量有：溫度、壓力、pH、進(jìn)氣量、溶氧、攪拌速度、底物流加速率，發(fā)酵罐體積大小不同，對上述變量的控制要求也存在一定的差異[2]。75 t氨基酸發(fā)酵罐發(fā)酵工藝如下：溫度是通過向發(fā)酵罐夾套內(nèi)進(jìn)冷水來控制；壓力是通過排放罐內(nèi)的尾氣來控制；底物流加包含流加糖（高粘度液體）、無機(jī)鹽、底料（玉米漿）3種，需要對流加速率進(jìn)行控制；pH是通過向罐內(nèi)加氣氨來控制，要求在閥門最小壓差情況下最大氣氨流量為24 m3/h；溶氧控制是與轉(zhuǎn)速或進(jìn)氣量關(guān)聯(lián)；攪拌電機(jī)功率為115 kW，選擇功率為132 kW的變頻器進(jìn)行控制。75t氨基酸發(fā)酵的具體控制要求如表1所示。

表1 75t氨基酸發(fā)酵控制要求Tab.1 Fermentation control requirements of 75 t amino acids

1.2 初選調(diào)節(jié)閥

調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥體2部分組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的推動裝置，閥體是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)部分[3]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型和閥體材料根據(jù)工藝流程需要進(jìn)行選擇，閥體口徑是根據(jù)實際的工藝要求進(jìn)行選擇。

流量系數(shù)Cν是選擇調(diào)節(jié)閥的主要參數(shù)，Cν的大小決定了調(diào)節(jié)閥的流通能力，為不同管道中的調(diào)節(jié)閥選擇相應(yīng)的Cν值是保障控制系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵步驟[4]。在國內(nèi)，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)一般以Kν值來衡量，Cν和Kν存在如下關(guān)系：

根據(jù)氨基酸發(fā)酵的工藝要求，需要對進(jìn)冷水、進(jìn)氣、排氣、流加糖、無機(jī)鹽及補(bǔ)料管道進(jìn)行調(diào)節(jié)閥選型。設(shè)計院選擇某調(diào)節(jié)閥生產(chǎn)廠商，其不同口徑的Kν值如表2所示。根據(jù)表1中的控制要求計算后建議的調(diào)節(jié)閥口徑選型如表3所示。

表2 不同口徑的值Tab.2 The Kν value of different diameter

表3 設(shè)計院建議口徑Tab.3 Diameter suggested by design institute

因控制要求的流量調(diào)節(jié)范圍較寬，如調(diào)節(jié)閥口徑偏大，則小流量時閥門開度會偏小，導(dǎo)致調(diào)節(jié)不穩(wěn)；反之調(diào)節(jié)閥口徑偏小，則不能滿足大流量的要求，口徑偏小或偏大會直接影響控制效果，因此，需要對設(shè)計院提供調(diào)節(jié)閥口徑進(jìn)行驗證。

2 初選調(diào)節(jié)閥口徑驗證及優(yōu)化

2.1 初選調(diào)節(jié)閥口徑驗證

從模擬環(huán)境來看，UniSim主要分為穩(wěn)態(tài)流程模擬和動態(tài)流程模擬[5-6]，穩(wěn)態(tài)模擬可以對初選調(diào)節(jié)閥驗證及優(yōu)化。建立所需要的模擬環(huán)境：添加組分、選擇物性包及組態(tài)流程。

根據(jù)氨基酸發(fā)酵工藝添加所需要的組分，在物性包的選擇中，選擇理想的NRTL方程，適用于多組分氣液平衡體系和液液分層體系[7]。

在穩(wěn)態(tài)模擬環(huán)境下，設(shè)計如圖1所示的調(diào)節(jié)閥組。其中，block in和block out是主管道手動閥，control是調(diào)節(jié)閥，bypass是旁路手動閥。對調(diào)節(jié)閥參數(shù)做如下的定義：調(diào)節(jié)閥流量特性（value operating characteristics）選擇線性特性（linear）；調(diào)節(jié)閥口徑選擇條件（sizing conditions）為通用型（current）。

圖1 調(diào)節(jié)閥組Fig.1 Regulating valve set

以進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥口徑驗證為例，控制要求為在調(diào)節(jié)閥前后壓差為120 kPa、調(diào)節(jié)閥開度為100%時，最大進(jìn)氣量為2700Nm3/h，標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的密度為1.29 kg/Nm3，可知進(jìn)氣量的質(zhì)量流量為3483 kg/h。將前后壓差（delta P）設(shè)定為120 kPa；調(diào)節(jié)閥開度（value opening）設(shè)定為100%；根據(jù)設(shè)計院建議的調(diào)節(jié)閥口徑，Cν值設(shè)定為205.4，此時的最大進(jìn)氣量的質(zhì)量流量（flow rate）為 5579 kg/h，遠(yuǎn)大于 3483 kg/h，可知設(shè)計院建議的調(diào)節(jié)閥口徑偏大，需要對進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥口徑重新選型優(yōu)化。

2.2 調(diào)節(jié)閥口徑選型優(yōu)化

按照表2來修改Cν值，當(dāng)調(diào)節(jié)閥Cν值為128.4，調(diào)節(jié)閥全開時進(jìn)氣量為3487 kg/h，滿足進(jìn)氣的測量要求，如圖2所示。

圖2 調(diào)節(jié)閥選型Fig.2 Regulating valve selection

由以上可知，進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥口徑應(yīng)選擇DN80較為合適。

對設(shè)計院建議的其它初選調(diào)節(jié)閥口徑進(jìn)行如上驗證，若口徑不合適需重新選型優(yōu)化。利用UniSim軟件對調(diào)節(jié)閥口徑選型優(yōu)化后結(jié)果如表4所示。

表4 優(yōu)化后調(diào)節(jié)閥口徑Tab.4 Optimized regulating valve diameter

由表3和表4對比可知，設(shè)計院建議的調(diào)節(jié)閥口徑偏大。3種流加的底物所要求的流量測量范圍是相同的，因流加糖為高粘度液體，在相同的壓差下流速較慢，調(diào)節(jié)閥口徑的選型要比無機(jī)鹽、補(bǔ)料的調(diào)節(jié)閥口徑大一檔。

3 動態(tài)仿真模擬

在組分及物性包定義完成后即可進(jìn)行流程組態(tài)。在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下，完成所需要的流程搭建及參數(shù)定義。組態(tài)正確的情況下可轉(zhuǎn)換到動態(tài)仿真模擬環(huán)境，驗證優(yōu)化后調(diào)節(jié)閥口徑選型的正確性，模擬變量調(diào)節(jié)過程，得到較優(yōu)的控制參數(shù)。

3.1 優(yōu)化后調(diào)節(jié)閥口徑驗證

調(diào)節(jié)閥口徑是否合適直接影響到對被控變量的控制效果，口徑過小，當(dāng)系統(tǒng)受到較大擾動時，調(diào)節(jié)閥可能運行到全開時的飽和非線性工作狀態(tài)，使系統(tǒng)處于暫時失控狀態(tài)；口徑過大，調(diào)節(jié)閥經(jīng)常處于小開度狀態(tài)，對閥芯和閥座損害較大[8]。一般認(rèn)為，當(dāng)被控變量在控制范圍內(nèi)變化時，調(diào)節(jié)閥的開度應(yīng)該在10%～90%之間變化，這樣所選的調(diào)節(jié)閥才是較優(yōu)的[9]。

利用UniSim流程模擬軟件對表4中優(yōu)化后調(diào)節(jié)閥口徑選型是否合適進(jìn)行驗證。在發(fā)酵控制系統(tǒng)中，進(jìn)氣量和壓力是相互關(guān)聯(lián)的2個量，任意一個量的變化都會影響進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥及排氣調(diào)節(jié)閥的開度的變化，因此以進(jìn)氣控制和壓力（排氣）控制為例進(jìn)行驗證，構(gòu)建如圖3所示的模擬流程。

圖3 發(fā)酵流程模擬Fig.3 Fermentation process simulation

結(jié)合75 t氨基酸發(fā)酵控制要求，壓力控制在150 kPa（絕壓），進(jìn)氣量控制范圍為 300～2300 Nm3/h，當(dāng)進(jìn)氣量為 2300 Nm3/h（2967 kg/h）時，進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥的開度為78.55%，排氣調(diào)節(jié)閥開度為79.48%。當(dāng)進(jìn)氣量為300 Nm3/h（387 kg/h）時，進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥開度10.25%，罐壓力為150 kPa，排氣調(diào)節(jié)閥開度為10.37%。

由以上可知，當(dāng)發(fā)酵罐壓力控制在150 kPa時，在最大進(jìn)氣量和最小進(jìn)氣量控制情況下，進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥和排氣調(diào)節(jié)閥開度在10%～90%之間，可以驗證調(diào)節(jié)閥口徑選型較優(yōu)。對表4中其它調(diào)節(jié)閥口徑逐一驗證，可知通過UniSim所選的調(diào)節(jié)閥口徑較優(yōu)。

3.2 控制參數(shù)優(yōu)化

UniSim流程模擬軟件中自帶PID控制器，控制器參數(shù)需要初始化定義。如圖4所示，以進(jìn)氣控制器為例，PV選擇為進(jìn)氣流股中的進(jìn)氣質(zhì)量流量，設(shè)置PV量程范圍；OP選擇為進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥的開度；作用方向為反作用；控制方式為自動模式。參數(shù)設(shè)定界面中Current Tuning選項中為控制參數(shù)，其中Ti和 Td的單位都為“min”。

圖4 參數(shù)設(shè)定Fig.4 Parameter setting

如圖3流程，動態(tài)仿真發(fā)酵過程中進(jìn)氣及排氣環(huán)節(jié)，改變進(jìn)氣流量，通過觀察控制效果來驗證當(dāng)前所采用的控制參數(shù)是否較優(yōu)。根據(jù)表1中的控制要求，經(jīng)過反復(fù)的模擬仿真，得到一組較優(yōu)的控制參數(shù)：P=0.1，I=0.117，D=0.018， 如圖 4 中 Current Tuning選項所示。

圖5為進(jìn)氣量設(shè)定值由1200 Nm3/h改變?yōu)?300 Nm3/h時，“經(jīng)驗”參數(shù)與優(yōu)化后參數(shù)仿真調(diào)節(jié)過程，數(shù)據(jù)的采樣時間為3 s，由圖可知，優(yōu)化后的參數(shù)控制過程超調(diào)更小，調(diào)節(jié)時間更短，當(dāng)設(shè)定值改變以后的第5個采樣測量值穩(wěn)定下來。

圖5 仿真調(diào)節(jié)過程Fig.5 Regulating process of simulation

圖6為實際系統(tǒng)運行時，進(jìn)氣量設(shè)定值由1200 Nm3/h改變?yōu)?300 Nm3/h時的調(diào)節(jié)過程，數(shù)據(jù)的采樣時間為3 s，由圖可知，當(dāng)設(shè)定值改變以后的第5個采樣測量值穩(wěn)定下來，調(diào)節(jié)時間為15 s，穩(wěn)態(tài)誤差小于±2%，滿足控制要求。

圖6 實際調(diào)節(jié)過程Fig.6 Regulating process of real

4 結(jié)語

利用UniSim流程模擬軟件對發(fā)酵自控系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥口徑選型和控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得調(diào)節(jié)閥口徑選型不再依賴于理論計算，控制參數(shù)的優(yōu)化不再依賴于數(shù)學(xué)模型。動態(tài)仿真模擬可在實際系統(tǒng)運行前驗證調(diào)節(jié)閥口徑及控制參數(shù)是否較優(yōu)，增加了系統(tǒng)可靠性，大大地縮短了實際系統(tǒng)的調(diào)試時間。通過UniSim所選的調(diào)節(jié)閥及優(yōu)化所得的控制參數(shù)已應(yīng)用到實際系統(tǒng)，系統(tǒng)運行表明，調(diào)節(jié)閥口徑選型及控制參數(shù)滿足系統(tǒng)控制要求，實現(xiàn)了氨基酸發(fā)酵過程的穩(wěn)定控制。

[1]徐寶昌，葉昌燕.基于UniSim的天然氣處理過程流程模擬與優(yōu)化[J].化工自動化及儀表，2013，40（8）：1004-1007.

[2]楊生玉，張建新.發(fā)酵工程[M].北京：科學(xué)出版社，2013：271-273.

[3]魯振甫.淺析氣動調(diào)節(jié)閥的選型[J].中國化工貿(mào)易，2014，6（21）：70.

[4]張昭峰，李兵，裴旭東.過程控制工程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010：69-70.

[5]Process Modeling Using UniSim Design[Z].Honeywell，2011.

[6]舟丹.什么是流程模擬技術(shù)[J].中外能源，2011，16（S1）：8.

[7]肖麗紅.流程模擬技術(shù)在常減壓蒸餾中的應(yīng)用[D].北京：北京化工大學(xué)，2010：4-5.

[8]李正強(qiáng)，李艇.控制儀表及裝置[M].北京：人民郵電出版社，2014：135-136.

[9]戴連奎，于玲，田學(xué)民.過程控制工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：41-42.