基于先進(jìn)控制算法的合成氨裝置氫氮比控制方案分析與設(shè)計(jì)

方小菊，黃永杰

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530226）

設(shè)備與自控

基于先進(jìn)控制算法的合成氨裝置氫氮比控制方案分析與設(shè)計(jì)

方小菊，黃永杰

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530226）

大型合成氨裝置中，氫氮比是一個(gè)關(guān)鍵的控制參數(shù)，并直接影響生產(chǎn)效率。文章分析天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法合成氨工藝，優(yōu)化氫氮比控制，提出采用先進(jìn)控制算法的氫氮比控制方案，提高了合成氨產(chǎn)量，降低了消耗。

合成氨；氫氮比控制；先進(jìn)控制算法

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。

目前， 國內(nèi)以天然氣為原料的大型合成氨裝置有50%以上采用美國KBR公司(前身是Kellogg公司)傳統(tǒng)蒸汽轉(zhuǎn)化合成氨工藝技術(shù)，氫氮比的控制由DCS 實(shí)現(xiàn)。由于該控制回路的基本單元未能脫離常規(guī)PID 控制算法，同時(shí)，常規(guī)PID控制算法也不能實(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)，不得不將回路切到手動(dòng)，導(dǎo)致目前氫氮比自控投用率極低。

1 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法合成氨工藝

國內(nèi)以天然氣為原料的大型合成氨裝置，基本屬于20世紀(jì)70年代中期引進(jìn)的年產(chǎn)30萬t合成氨，是我國興建的第一批大型合成氨裝置。從合成氨生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的角度來看，這批合成氨裝置在節(jié)能增產(chǎn)方面存在不少問題，部分設(shè)備老化，對安全生產(chǎn)造成威脅。以天然氣作原料生成合成氨的工藝流程如圖1所示。

它可分為幾步進(jìn)行，首先是在一段轉(zhuǎn)化爐中將天然氣中的甲烷用蒸汽轉(zhuǎn)化成一氧化碳，其反應(yīng)式為：

一段轉(zhuǎn)化爐中的生成物送入二段轉(zhuǎn)化爐，并同時(shí)加入空氣，這樣，一方面空氣中的氧和可燃?xì)怏w發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生足夠的熱量，另一方面空氣中的氮?dú)饨M成一定比例的氫氮?dú)?，其反?yīng)式為：

二段轉(zhuǎn)化爐中的生成物成為轉(zhuǎn)化氣，再經(jīng)過中溫低溫轉(zhuǎn)換、碳化、甲烷化、壓縮，最后在合成塔中生成合成氨，反應(yīng)式為：

此式表明，3份氫和1份氮可合成2份氨，因此，理論上講，保持H2/N2為3/1最為理想。

氨的合成中，氫氮比是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它不但影響合成氨的產(chǎn)量，而且會(huì)影響生產(chǎn)過程中的其它參數(shù)。若氫氮比大于3，則合成塔中有氫氣富裕，它進(jìn)入循環(huán)氣中快速累積，使反應(yīng)條件迅速惡化；若氫氮比小于3，合成結(jié)果也不理想，但對整個(gè)過程的影響略小，因此，實(shí)際生產(chǎn)中氫氮比取2.2～2.8。

圖1 以天然氣為原料的合成氨工藝流程圖

2 控制方案的分析與優(yōu)化

要保持氫氮比穩(wěn)定，取氫氮比直接作為被控參數(shù)是合適的，然而，從二段轉(zhuǎn)化爐中的生成氣開始就存在氫氮比這個(gè)參數(shù)，但最終起作用的是合成塔入口氣體的氫氮比，所以取這個(gè)參數(shù)作為被控參數(shù)或系統(tǒng)輸出。

改變氫氮比的手段是在二段轉(zhuǎn)化爐中改變輸入空氣量，若氫氣比例過高，應(yīng)加大空氣的輸入即氮?dú)獾妮斎耄粗嗳?。所以取二段轉(zhuǎn)化爐入口的空氣輸入作為控制參數(shù)。

一旦選定了被控參數(shù)和控制參數(shù)，這個(gè)過程也就確定，它包含二段轉(zhuǎn)化爐、中低溫變換爐、甲烷、碳化和壓縮設(shè)備。從控制角度看，這個(gè)過程包含設(shè)備多、線路長，因此有明顯的大滯后、大慣性和多干擾的特征。如果對氫氮比不加控制，一旦比例失調(diào)，將會(huì)引起破壞性的雪崩反應(yīng)，合成將無法進(jìn)行，導(dǎo)致停產(chǎn)。

對這樣的過程，要使氫氮比保持穩(wěn)定，采用常規(guī)的單回路控制是無法滿足要求的。以往都采用人工控制以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，但這種控制效果差，氫氮比的合格率只能達(dá)到30%～50%。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，需選用復(fù)雜控制方案，這里通過對擾動(dòng)的分析，選用帶前饋補(bǔ)償?shù)拇壙刂品桨福刂葡到y(tǒng)如圖2所示，相應(yīng)的框圖如圖3所示。這里用前饋來補(bǔ)償主要擾動(dòng)，即輸入天然氣流量的波動(dòng)，用副回路來克服設(shè)備中的多種擾動(dòng)。

圖2 控制系統(tǒng)組成

圖3 控制系統(tǒng)框圖

串級系統(tǒng)中設(shè)定氫氮比作為輸入，其反饋量是合成塔入口循環(huán)的實(shí)際氫氮比，這是通過測量其中的組分來獲得的。副回路的選擇一方面要使其對輸入的響應(yīng)足夠快，即慣性小，通常主副過程慣性時(shí)間常數(shù)之比（T01/T02）為3～10；另一方面則要盡可能多地包含擾動(dòng)，尤其是變化劇烈、影響較大的擾動(dòng)，為此，將副回路的輸出定在中低變換爐中的輸出。

前饋補(bǔ)償是針對天然氣輸入的波動(dòng)而設(shè)置的，系統(tǒng)中天然氣流量的變化是一個(gè)預(yù)測信號，被用作前饋信號，當(dāng)天然氣增加時(shí)，二段轉(zhuǎn)化爐中的空氣輸入也增加，從而抑制了天然氣流量波動(dòng)對氫氮比的干擾。

由框圖可得輸入對擾動(dòng)的傳遞函數(shù)為：

式中，W2=(Wc2W02)/(1+Wc2W02)。

因此全補(bǔ)償?shù)臈l件為：

3 基于先進(jìn)控制算法的氫氮比控制方案

先進(jìn)控制是對那些不同于常規(guī)控制、并具有比常規(guī)PID控制效果更好的控制策略的統(tǒng)稱，而非專指某種計(jì)算機(jī)控制算法。通過實(shí)施先進(jìn)控制，可以改善過程動(dòng)態(tài)控制的性能，減少過程變量的波動(dòng)幅度，使之更接近其優(yōu)化目標(biāo)值，從而使生產(chǎn)裝置在接近其約束邊界的條件下運(yùn)行，最終達(dá)到增強(qiáng)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，保證產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性，增加裝置處理量，降低運(yùn)行成本，減少環(huán)境污染的目的。

伴隨著預(yù)測啟發(fā)式控制、模型算法控制、動(dòng)態(tài)矩陣控制在工業(yè)過程控制中的大量實(shí)際應(yīng)用，出現(xiàn)了許多非參數(shù)模型預(yù)估控制的工程化軟件包。經(jīng)過模型辨識、優(yōu)化算法、控制結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)整定和有關(guān)穩(wěn)定性、魯棒性等一系列的研究，基于非參數(shù)模型預(yù)估控制的工程化軟件包成為目前過程控制中應(yīng)用最成功、最具有前途的先進(jìn)控制策略。

公式（1）是無模型先進(jìn)控制算法所依賴的“泛模型”公式?！胺耗Ｐ汀钡暮x是希望能描述所有或絕大多數(shù)控制對象的行為和特性。式中y、φ、u是向量，y是系統(tǒng)輸出，u是系統(tǒng)輸入，φ是時(shí)變增益參數(shù)。

公式（2）是根據(jù)“泛模型”公式（1）推導(dǎo)出來適用于氫氮比控制的無模型先進(jìn)控制算法公式。式中y、φ、u是向量,y(k)是系統(tǒng)輸出, u(k)是系統(tǒng)輸入，φ(k)是時(shí)變增益參數(shù)，α是正參數(shù)，λ、k是可人為調(diào)整的參數(shù)，(k)是φ(k)的估計(jì)值。氫氮比無模型先進(jìn)控制算法是由基于公式（1）泛模型對特征參量φ(k)的辨識算法和公式（2）基本控制算法在線交互進(jìn)行而組成的。當(dāng)經(jīng)過辨識到(k)值以后，即可以應(yīng)用公式（2）基本控制算法對系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制，控制的結(jié)果將得到一組新的觀測數(shù)據(jù)，在已有數(shù)據(jù)中添加這一組新的數(shù)據(jù)，再對(k+1)進(jìn)行辨識，如此繼續(xù)下去就可實(shí)現(xiàn)辨識與控制的一體化。

圖4 基于無模型先進(jìn)控制算法的計(jì)算機(jī)輔助氫氮比優(yōu)化控制方框圖

圖4是基于無模型先進(jìn)控制算法的計(jì)算機(jī)輔助氫氮比優(yōu)化控制系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)在一些大型的合成氨裝置上投運(yùn)后，氫氮比從人工控制時(shí)的48.44%提高到85%～95%，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

國內(nèi)大型合成氨裝置氫氮比控制系統(tǒng)，從常規(guī)PID控制算法到優(yōu)化控制算法，直至先進(jìn)控制算法，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、過程控制技術(shù)及現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，通過計(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)測出整個(gè)裝置各參數(shù)的關(guān)聯(lián)變化，統(tǒng)一協(xié)調(diào)優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)，使裝置能在高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，大幅度提高了裝置的生產(chǎn)能力，降低了消耗。

[1] 李平，等.新型的合成氨氫氮比控制系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表，1994(3)：7-10.

[2] 陳觀明，等.預(yù)測控制及其在合成氨氫氮比系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，1999，26(2)：25-28.

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[5] 陳夕松，等.過程控制系統(tǒng)（第2版）[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

Analysis and Design of Hydrogen Nitrogen Ratio Control Scheme for Ammonia Plant Based on Advanced Control Algorithm

FANG Xiaoju, HUANG Yongjie
(Guangxi Vocational and Technical College，Nanning 530226, China)

In the large scale ammonia plant, the ratio of hydrogen to nitrogen was a key control parameter, which directly affected the production effciency. In this paper, the synthesis of ammonia process by natural gas steam reforming process and the control of hydrogen nitrogen ratio were optimized.

synthesis ammonia; ratio control of hydrogen and nitrogen; advanced control algorithm

TQ 113.25；TP 273

A

1671-9905(2016)12-0049-03

廣西教育廳資助項(xiàng)目（KY2016LX493）

方小菊（1982-），女，河南許昌人，碩士研究生，講師，主要研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)和過程控制技術(shù)

2016-09-30