基于先进控制算法的合成氨装置氢氮比控制方案分析与设计

方小菊，黄永杰

（广西职业技术学院，广西 南宁 530226）

设备与自控

基于先进控制算法的合成氨装置氢氮比控制方案分析与设计

方小菊，黄永杰

（广西职业技术学院，广西 南宁 530226）

大型合成氨装置中，氢氮比是一个关键的控制参数，并直接影响生产效率。文章分析天然气蒸汽转化法合成氨工艺，优化氢氮比控制，提出采用先进控制算法的氢氮比控制方案，提高了合成氨产量，降低了消耗。

合成氨；氢氮比控制；先进控制算法

在大型化肥装置中，氢氮比是合成氨装置最为关键的参数之一，保持其处于最佳状态是提高合成氨产量和降低消耗的有效措施。

目前， 国内以天然气为原料的大型合成氨装置有50%以上采用美国KBR公司(前身是Kellogg公司)传统蒸汽转化合成氨工艺技术，氢氮比的控制由DCS 实现。由于该控制回路的基本单元未能脱离常规PID 控制算法，同时，常规PID控制算法也不能实现参数自整定，故不能及时将工况控制在最佳状态，有时反而造成系统波动，不得不将回路切到手动，导致目前氢氮比自控投用率极低。

1 天然气蒸汽转化法合成氨工艺

国内以天然气为原料的大型合成氨装置，基本属于20世纪70年代中期引进的年产30万t合成氨，是我国兴建的第一批大型合成氨装置。从合成氨生产技术发展的角度来看，这批合成氨装置在节能增产方面存在不少问题，部分设备老化，对安全生产造成威胁。以天然气作原料生成合成氨的工艺流程如图1所示。

它可分为几步进行，首先是在一段转化炉中将天然气中的甲烷用蒸汽转化成一氧化碳，其反应式为：

一段转化炉中的生成物送入二段转化炉，并同时加入空气，这样，一方面空气中的氧和可燃气体发生反应，产生足够的热量，另一方面空气中的氮气组成一定比例的氢氮气，其反应式为：

二段转化炉中的生成物成为转化气，再经过中温低温转换、碳化、甲烷化、压缩，最后在合成塔中生成合成氨，反应式为：

此式表明，3份氢和1份氮可合成2份氨，因此，理论上讲，保持H2/N2为3/1最为理想。

氨的合成中，氢氮比是一个非常重要的参数，它不但影响合成氨的产量，而且会影响生产过程中的其它参数。若氢氮比大于3，则合成塔中有氢气富裕，它进入循环气中快速累积，使反应条件迅速恶化；若氢氮比小于3，合成结果也不理想，但对整个过程的影响略小，因此，实际生产中氢氮比取2.2～2.8。

图1 以天然气为原料的合成氨工艺流程图

2 控制方案的分析与优化

要保持氢氮比稳定，取氢氮比直接作为被控参数是合适的，然而，从二段转化炉中的生成气开始就存在氢氮比这个参数，但最终起作用的是合成塔入口气体的氢氮比，所以取这个参数作为被控参数或系统输出。

改变氢氮比的手段是在二段转化炉中改变输入空气量，若氢气比例过高，应加大空气的输入即氮气的输入，反之亦然。所以取二段转化炉入口的空气输入作为控制参数。

一旦选定了被控参数和控制参数，这个过程也就确定，它包含二段转化炉、中低温变换炉、甲烷、碳化和压缩设备。从控制角度看，这个过程包含设备多、线路长，因此有明显的大滞后、大惯性和多干扰的特征。如果对氢氮比不加控制，一旦比例失调，将会引起破坏性的雪崩反应，合成将无法进行，导致停产。

对这样的过程，要使氢氮比保持稳定，采用常规的单回路控制是无法满足要求的。以往都采用人工控制以维持系统的稳定，但这种控制效果差，氢氮比的合格率只能达到30%～50%。要实现自动控制，需选用复杂控制方案，这里通过对扰动的分析，选用带前馈补偿的串级控制方案，控制系统如图2所示，相应的框图如图3所示。这里用前馈来补偿主要扰动，即输入天然气流量的波动，用副回路来克服设备中的多种扰动。

图2 控制系统组成

图3 控制系统框图

串级系统中设定氢氮比作为输入，其反馈量是合成塔入口循环的实际氢氮比，这是通过测量其中的组分来获得的。副回路的选择一方面要使其对输入的响应足够快，即惯性小，通常主副过程惯性时间常数之比（T01/T02）为3～10；另一方面则要尽可能多地包含扰动，尤其是变化剧烈、影响较大的扰动，为此，将副回路的输出定在中低变换炉中的输出。

前馈补偿是针对天然气输入的波动而设置的，系统中天然气流量的变化是一个预测信号，被用作前馈信号，当天然气增加时，二段转化炉中的空气输入也增加，从而抑制了天然气流量波动对氢氮比的干扰。

由框图可得输入对扰动的传递函数为：

式中，W2=(Wc2W02)/(1+Wc2W02)。

因此全补偿的条件为：

3 基于先进控制算法的氢氮比控制方案

先进控制是对那些不同于常规控制、并具有比常规PID控制效果更好的控制策略的统称，而非专指某种计算机控制算法。通过实施先进控制，可以改善过程动态控制的性能，减少过程变量的波动幅度，使之更接近其优化目标值，从而使生产装置在接近其约束边界的条件下运行，最终达到增强装置运行的稳定性和安全性，保证产品质量的均匀性，增加装置处理量，降低运行成本，减少环境污染的目的。

伴随着预测启发式控制、模型算法控制、动态矩阵控制在工业过程控制中的大量实际应用，出现了许多非参数模型预估控制的工程化软件包。经过模型辨识、优化算法、控制结构分析、参数整定和有关稳定性、鲁棒性等一系列的研究，基于非参数模型预估控制的工程化软件包成为目前过程控制中应用最成功、最具有前途的先进控制策略。

公式（1）是无模型先进控制算法所依赖的“泛模型”公式。“泛模型”的含义是希望能描述所有或绝大多数控制对象的行为和特性。式中y、φ、u是向量，y是系统输出，u是系统输入，φ是时变增益参数。

公式（2）是根据“泛模型”公式（1）推导出来适用于氢氮比控制的无模型先进控制算法公式。式中y、φ、u是向量,y(k)是系统输出, u(k)是系统输入，φ(k)是时变增益参数，α是正参数，λ、k是可人为调整的参数，(k)是φ(k)的估计值。氢氮比无模型先进控制算法是由基于公式（1）泛模型对特征参量φ(k)的辨识算法和公式（2）基本控制算法在线交互进行而组成的。当经过辨识到(k)值以后，即可以应用公式（2）基本控制算法对系统进行反馈控制，控制的结果将得到一组新的观测数据，在已有数据中添加这一组新的数据，再对(k+1)进行辨识，如此继续下去就可实现辨识与控制的一体化。

图4 基于无模型先进控制算法的计算机辅助氢氮比优化控制方框图

图4是基于无模型先进控制算法的计算机辅助氢氮比优化控制系统图。该系统在一些大型的合成氨装置上投运后，氢氮比从人工控制时的48.44%提高到85%～95%，取得了良好的经济效益。

4 结语

国内大型合成氨装置氢氮比控制系统，从常规PID控制算法到优化控制算法，直至先进控制算法，借助计算机技术、通讯技术、过程控制技术及现代信息技术的飞速发展，通过计算机高速的计算能力，利用现代控制理论，用数学模型模拟出装置的特点，预测出整个装置各参数的关联变化，统一协调优化整个系统，使装置能在高负荷状态下运行，大幅度提高了装置的生产能力，降低了消耗。

[1] 李平，等.新型的合成氨氢氮比控制系统[J].化工自动化及仪表，1994(3)：7-10.

[2] 陈观明，等.预测控制及其在合成氨氢氮比系统中的应用[J].化工自动化及仪表，1999，26(2)：25-28.

[3] 王树青，等.先进控制技术应用实例[M].北京：化学工业出版社，2005.

[4] 黄德先，等.化工过程先进控制[M].北京：化学工业出版社，2006.

[5] 陈夕松，等.过程控制系统（第2版）[M].北京：科学出版社，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

广西教育厅资助项目（KY2016LX493）

方小菊（1982-），女，河南许昌人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：机电一体化技术和过程控制技术

2016-09-30