HAPC優化控制系統在合成氨裝置上的應用

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HAPC優化控制系統在合成氨裝置上的應用隨着科學技術的飛速發展，世界各國對工業生產提出了不同的戰略，比如德國的工業4.0，中國的兩化融合、《中國製造2025》[1]，這些戰略促使工業各個領域進行重大變化。促使流程工業朝着大型化、高集成度和高效化等方向發展，要求實現減少能源消耗，提高生產質量。

目錄

案例背景介紹

1、 引言

隨着科學技術的飛速發展，世界各國對工業生產提出了不同的戰略，比如德國的工業4.0，中國的兩化融合、《中國製造2025》[1]，這些戰略促使工業各個領域進行重大變化。促使流程工業朝着大型化、高集成度和高效化等方向發展，要求實現減少能源消耗，提高生產質量。這就導致了生產單元、裝置乃至流程中所涉及的系統、過程控制對象，更加複雜、強耦合和更多約束條件，更多的目標優化，而且不斷提高對工業生產過程的安全、高效、優質、低耗等方面的要求，以追求着更大的經濟效益和社會效益，對控制技術水平與性能的要求也越來越高。因此，以單迴路PID控制和串級控制策略為代表的常規控制策略已面臨着多方面的挑戰，必須採用新的控制策略與技術來適應複雜工業過程多目標優化、多層次協調和多變量控制等要求。需要先進過程控制APC（Advanced Process Control）和實時優化RTO（Real-TimeOptimization），通過動態優化來解決複雜控制的難題，同時，提供更加優化的穩態運行設定值、優化運行工況，實現工廠的利潤最大化和成本最小化，已經成為自動化領域一個重要的研究課題和新的發展方向。

在優化控制軟件開發上，國外先進控制軟件出現於20世紀70年代末，經過幾十年的發展，已經形成了一個強大的流程工業應用軟件產業。目前，國外先進控制軟件的主流供應商及其產品包括：AspenTech公司的DMCplus和Apollo（非線性預測控制軟件）、Invensys公司的Connoisseur、Rockwell公司的ProcessPerfecter（非線性預測控制軟件）、Honeywell公司的Profit系列產品以及Yokogawa公司代理的Shell SMOC產品等。

國內先進控制軟件的研發起步晚，始於20世紀90年代中期，在國家科技攻關項目的支持下，清華大學、浙江大學、上海交通大學、石油大學（北京）、中國科技大學、北京化工大學等高校的科研團隊分別針對煉油、石化和化工等行業的具體生產裝置研發了專用先進控制軟件並取得了成功應用[4]。國內的許多自動化企業也研究和開發了一系列的優化控制軟件包，經過20多年的飛速發展，已迎頭趕上，與國外的先進控制軟件差距越來越小，甚至一些團隊開發的先進控制軟件的性能已經達到世界先進水平。例如，和利時集團開發的HOLLiAS-APC Suit軟件包[7]已成功應用於化工，電力、水泥等行業，為客戶提高了裝置運行效率，減少了能源消耗，提高了產品品質。

在化工領域，氨是重要的無機化工產品之一，它可以應用於軍事、農業等很多領域，尤其是現代農業領域，氨是生產尿素等化肥的主要原料，因此氨的工業生產，也是決定一個國家經濟發展的一個重要因素。合成氨工藝裝置是一種典型的化工裝置，具有複雜過程工業所具備的一切特點[2]。而且在實際生產中，許多採用單純的PID控制迴路無法實現對被控對象良好的控制，這是導致能源及原料消耗大、氨的純度低等現象的重要原因。而接下來，將介紹和利時開發的HOLLiAS-APC Suit優化控制軟件包用於合成氨部分重點控制迴路的優化方案。

2、 合成氨工藝說明

這裡的合成氨工藝裝置[3]是國內某廠的實際生產工藝流程，主要原料是天然氣，然後通過壓縮、脫硫、一段轉化、二段轉化、高低溫變換、脫碳、甲烷化、壓縮、合成等工序，得到氨，其主要流程如圖1所示。

合成氨的純度受反應爐溫度、合成氣比例、催化劑等因素的影響。在其他因素穩定的條件下，保持反應爐溫度在一定範圍內（430℃~450℃），可獲得滿意的氨純度。開工加熱爐（R1801）的溫度受氨氣、氮氣混合氣體溫度、合成氨反應程度的影響。開始反應時，需要提高加熱爐的床入溫度，以促進反應的進行。氨合成是放熱反應，隨着反應的進行，需要降低床入溫度以保持加熱爐溫度在合理區間。進入開工加熱爐的氨氮混合氣體分為三個支路：兩路頂部進氣和一路底部進氣。頂部的床入溫度調節閥（TV_1814）通過壓縮機的作用調節合成氣體的溫度， 閥門開度越小，進入開工加熱爐的合成氣溫度越高。底部進口合成氣手動調節閥（HV_1802）開度越大，進入開工加熱爐的合成氣溫度越高。頂部進口合成氣手動調節閥（HV_1803）開度越小，進入開工加熱爐的合成氣溫度越高。其裝置圖如圖2所示。

案例實施與應用情況

3、 和利時HOLLiAS-APCSuit優化控制軟件介紹

和利時（HollySys）始創於1993年，是中國領先的自動化與信息技術解決方案提供商。經過這20多年的發展，在自動化領域積累了深厚的技術基礎與豐富的現場經驗。而隨着國家工業控制軟件國產化戰略的提出，和利時公司開發了一系列適合於過程自動化等領域的工業控制產品軟件，並擁有實現產業化的豐富經驗，提高了公司業務在國內市場占有率，而且已將業務拓展至國外，公司產值在逐漸增加。和利時基於現場豐富的項目經驗以及實際需求，增加和利時工控軟件的附加值及服務，以及打破國外產品的壟斷，替代進口，開發了具有自主產權的優化控制系統軟件包HOLLiAS-APC Suit。圖3所示是和利時優化控制軟件包中HAPC軟件的運行架構。