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   張冰（1975-）

   男，寧夏中衛人，碩士研究生，工程師，研究方向為石化過程自動化，專業是控制理論與控制工程。




     摘  要：氫氮比是合成氨裝置最為關鍵的參數之一，保持比值始終處于最佳狀態是提高合成氨產量的有效措施。中國石油寧夏石化公司化肥裝置在實施該項目時，充分調研，針對目前國內氫氮比優化控制的三種主流方法進行比較。通過對其核心理論的分析，指明各種方案的優缺點，為生產實踐奠定了理論基礎。

     關鍵詞：氫氮比；優化控制；先進控制

     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 問題的提出

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

    氨合成反應方程式為：N2+3H2=2NH3+Q

    特點是反應放熱，體積縮小，反應可逆，有觸媒，高溫高壓。

    從氨合成催化劑的活性角度分析進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會使合成塔床層溫度下降，若持續時間較長，可能導致床層溫度跨掉，合成塔封塔。

    目前我國大型合成氨裝置的氫氮比控制系統大都由DCS實現，由于DCS控制系統的基本單元未能脫離常規PID控制算法，因此在波動較大、干擾較強、大時滯的情況下，PID參數不適應此狀況，常規PID控制算法又不能實現參數自整定，故不能及時將工況控制在最佳狀態，有時反而造成系統波動，操作工不得不及時將回路切到手動，導致現氫氮比控制系統投用率極低。而手動調節1次要10～40分鐘左右的時間才能反映出調節效果，幾個周期下來，就會使系統長時間處于非優化控制狀態，以致于影響了系統的穩定和產量。

    寧夏石化公司針對45萬噸大型合成氨裝置依靠人工調節和在工況出現波動的情況下裝置現存的大時滯情況，實施合成氨裝置氫氮比優化控制策略，研究出一套反應靈敏、調節及時、保證工況調整盡快處于優化狀態的自動控制方案。

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

    目前氫氮比優化控制屬于傳統優化控制方法和先進控制方法都可以涵蓋的范疇，在我國大化肥行業，目前實施較成功的裝置主要有表1中的三家。由于三種技術方案的設計思路不同，各有特點，差別如表演所示。

                                        表1

                    

    滄州大化是基于傳統控制方法的內部復雜控制，通常被稱之為一次優化；云天化是基于先進控制方法的計算機輔助控制，由HONEYWELL國外專業先進控制軟件開發公司實施的，通常被稱為二次優化，或先進控制，氫氮比控制只是它系統控制中的一個部分；大慶化肥廠采用基于先進控制方法的計算機輔助控制，針對單回路設計，結合傳統優化控制的前饋算法，由大慶華創公司實施。從技術先進性考慮無疑先進控制的技術含量和先進性無庸質疑，企業最看重的是實際效果，哪種方案實施可靠性高，成本低。優化控制和先進控制在某些方面是不能互相取代的，二者是相輔相成的關系。以下僅從理論角度對兩種方向進行探討，為今后提高大化肥行業自動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

    2 兩種優化控制方案的核心技術比較

    2.1 基于先進控制方法的計算機輔助控制

    先進過程控制是基于現代控制理論在過程控制領域的應用，先進過程控制（APC，主要是模型預估控制MPC），其特點是：

    · 實現較復雜

    · 基于過程數學模型

    · 適于大滯后多變量

    · 適用于常規控制無法滿足要求的復雜對象

    模型預估控制（MPC）——基本原理

   （1）模型預估

    在建立生產過程數學模型的基礎上，通過數學模型利用過程的過去和現在的輸入輸出信息可以估計出過程未來某段時間的運行狀態，從而得到未來運行狀況與期望目標的誤差，用以指導和計算當前的控制作用就會得到比常規控制更好的控制性能和效果。因為常規控制是用實際誤差來計算當前的控制作用，而預估控制是用未來預測的誤差計算當前的控制作用。

    （2）反饋修正

    過程模型一般是經過多種假設簡化和/或辨識估計參數得出的，它不可能完全準確，同時由于過程的非線性、時變和隨機干擾等各種因素的影響，因此由模型做出的估計一定是存在偏差的。為了減小這種偏差對控制系統的影響，要將當前的輸出與當前時刻的模型估計的偏差加到未來運動的預估結果上，從而實現對未來的預估值的反饋修正。正是由于反饋修正的存在，從而增加了控制系統的穩定性，一定程度地消除了建模誤差，降低了對模型精度的要求，并且對不可側干擾起到了抑制作用，最終使控制系統的魯棒性得到提高。

    （3）滾動優化

    預估控制結合了優化控制策略。預估控制算法通過使某種控制指標達到最小而得到最優控制作用，且所得最優控制作用只實際執行當前第一步。隨著時間的推移，每一采樣時刻都會重新計算其最優控制作用，因此隨著控制系統的運行優化控制是滾動進行的，也可以說是實時優化控制。

    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測控制方法核心是如下公式：

               （1）

   模型采用階躍響應和脈沖響應作為預測模型，可以理解為已知以前時刻的輸入與輸出的對應關系，那么可以根據這個關系方程根據現在的輸入推出將來的輸出。 
            

                         圖3   大慶化肥廠氫氮比控制結構圖

    2.2 基于傳統控制方法的內部復雜控制

    常規過程控制（PID）的方法較成熟，特點是

    · 實現簡單

    · 無模型

    · 單回路

    · 不能適應大滯后多變量系統

    · 對要求較高的、復雜的過程不易有好的控制效果和性能

    滄州大化的技術方案是使用傳統的基于復雜控制回路的設計思想，利用DCS內部現有的功能塊，搭出一個優化控制回路，這種方案工廠技術人員較容易理解，實施有把握，技術難點在各控制器之間的參數設計和系統各串級回路的參數設置。針對寧夏石化45萬噸合成氨裝置的設計控制結構圖如圖4、圖5所示。

              
                               圖4   H2/N2比控制系統方塊圖

                
 
                                 圖5   氫氮比控制系統

    滄州大化H2/N2控制系統是一套具有較強的自適應能力、抗干擾能力和克服大時滯現象的“前饋-比值-多串級”調節系統。本系統是以合成塔入口循環氣H2/N2為主調（AIC411），以進入合成系統新鮮空氣H2/N2為第一級副調（AIC410），以加入二段轉化爐的空氣流量調節器FIC003，以總碳流量FX0204 PV為前饋信號的“多串級-前饋-比值”控制系統。該控制系統共采用各種功能的DCS內部儀表20多塊。該系統對進入二段爐103-D的工藝空氣流量進行控制，以此來調節新鮮氣H2/N2和合成氣H2/N2 。

    合成氣H2/N2作主調AIC411；新鮮H2/N2作第一級副調AIC410；主調AIC411的輸出作第一級副調AIC410的外給定（SP）；第一級輻調AIC410的輸出與總碳流量在FX0414進行前饋運算，得出所需的空氣流量值，作副調FIC003的外給定，由空氣流量調節器FIC003調節閥門FCV3，FIC003的輸出控制進入二段爐的空氣流量，達到最終控制合成氣H2/N2的目的。

    該系統對一次儀表均要設置正常工藝操作上下限報警值（HI、LO）、變化率報警值VL、輸入斷線報警值IOP，對PID調節器均要設置偏差報警值DV，目的是對一次儀表和主要調節器的故障和錯誤信息進行判斷、識別，采取相應的安全保護措施，如輸入開路、測量變化率大、輸入信號越限、偏差報警等現象發生時，調節系統自動切除串級或自動狀態，并報警提醒操作人員。

    3  結論

    綜上所述，優化控制與先進控制完成的目標是一致的，但先進控制較優化控制層次高，它是借助于目前計算機的飛速發展，通過計算機高速的計算能力，利用現代控制理論，用數學模型模擬出裝置的特點，預測出整個裝置各個參數的關聯變化，統一協調的優化整個系統，但對DCS的單回路控制水平要求極高，單回路應該調節靈敏準確，都投在自動狀態，裝置運行在高負荷狀態，通過傳統的控制手段已無法提高生產能力，節能降耗，所以借助于先進控制。比較而言，我們研發的優化控制更適合目前國內裝置的運行水平，適合負荷大范圍的波動，能夠協調控制幾個關鍵參數，實施成本較低，并且為最終實施先進控制打下基礎。


                                                      ——轉自《自動化博覽》