小氮肥氨合成装置先进控制与优化研究与应用
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摘要
作为化工领域的支柱行业以及能源消耗大户，合成氨生产的先进控制与优化研究将是未来几年化工过程优化的研究重点。但是我国在这一领域一直较为薄弱，特别是作为主力军的小氮肥行业，虽然生产优化的愿望愈来愈强烈，但因为其特定的复杂生产条件和流程，这方面工作基本处于空白。本文正是着眼于于此，立足于实际生产，将先进控制与优化理论同过程工业实际情况相结合，通过对“小氮肥氨合成装置先进控制与优化”的深入研究和探索，首次在该领域成功实现了在线操作优化，同时为后续研究工作奠定了坚实有力的基础。
小氮肥合成氨生产因其特殊的生产条件和装备特点，形成了“原料、设备工艺的差异壁垒”、“影响因素繁杂”、“生产系统的时变性”、“装置局部故障频繁”等难以克服的问题，正因如此，在对目前该领域先进控制与优化工作的调研中发现，国外先进技术由于原料、设备、成本等原因无法采用，国内相关研究则均以仿真研究为主，缺乏可操作性和长期稳定性，总体来说，目前该领域先进控制与优化工作存在以下瓶颈问题：1．缺乏实际可操作性；2．无法长期稳定运行；3．鲁棒性差；4．重要指标控制精度差；5．数据通讯解决不力。
本文主要工作即针对以上问题，在仔细分析了合成氨生产的复杂性，并对相关工艺流程原理深入研究的基础上，首次成功实现小氮肥氨合成装置的在线操作优化。本文的主要工作和创新之处包括：
1．在国内小氮肥领域首次成功实现了合成氨生产在线优化，实地投运表明在线操作优化软件全面达到指标：自动控制投运率达95％以上；在线优化的投运使得氨合成塔氨净值比投运前提高了0.4％，获得显著的经济效益。
2．针对小氮肥合成氨生产工艺流程复杂、影响因素繁多，优化难以实施的现状，首次提出优化“分解”方案。抽取单调变化变量进行“卡边”操作；采用广义预测控制实现氨合成塔热点温度优化调节；对少量时变变量实现自适应在线操作优化，有效提高氨合成塔合成效率，降低了能耗，取得了满意的优化效果。
3．提出基于模式识别优化监督级的自适应在线优化方法，融合了自适应方法的局部搜索能力与模式识别方法的全局搜索能力，在保证算法收敛速度的前提
As the major important industry and the one of large energy consumption in the field of chemical engineering industry, the research on the advanced control and optimization of the production of synthetic ammonia will be the focus in the future years. But in China, especially in the field of small-scale nitrogen fertilizer, although the desire for production optimization is increasingly stronger, nothing effective for this is done because of its complicated conditions and special flows. This dissertation is just focusing on this topic. Based on the actual production process, we combine the optimization theory and the real situation in process industry. Through the study and exploration on "Advanced Control and Optimization for the Small-Scale Ammonia Synthesis Plant", the on-line operating optimization was completed successfully for the first time. And it is the solid foundation of the future work in this field.
Because of the special working conditions and the characters of the equipments, the synthetic ammonia production in small-scale plants has the following problems: "Difference of the raw material and the equipments"、" Miscellaneity of the influencing factors"、" Time-variation for the production system"、"Frequent fault of the equipment". For these problems we have taken the investigation on the advanced control and optimization in this field. The results show that the overseas advanced technologies can not be applied to domestic system because of the above reasons. And the most domestic research about this is based on simulation; it can't work stably and last longtime. In brief, we found that there are 5 problems as choke point in this field: 1.Lacking maneuverability; 2.Not working stably and for a long time; 3.Bad robust performance; 4.Low precision of the control of the key factor; 5.Problems of the communication.
The major work is focusing on the above problems. By analyzing the complicacy of synthetic ammonia in details, we take a deeply study on the process flow and principle of the synthetic ammonia. At last the on-line optimization of the ammonia synthesis system is realized for the first time. The following is the major work and innovation:
1. It is the first time to realize on-line optimization of ammonia synthesis in the field of domestic small-scale nitrogen fertilizer successfully. The actual results show
小氮肥合成氨生产因其特殊的生产条件和装备特点，形成了“原料、设备工艺的差异壁垒”、“影响因素繁杂”、“生产系统的时变性”、“装置局部故障频繁”等难以克服的问题，正因如此，在对目前该领域先进控制与优化工作的调研中发现，国外先进技术由于原料、设备、成本等原因无法采用，国内相关研究则均以仿真研究为主，缺乏可操作性和长期稳定性，总体来说，目前该领域先进控制与优化工作存在以下瓶颈问题：1．缺乏实际可操作性；2．无法长期稳定运行；3．鲁棒性差；4．重要指标控制精度差；5．数据通讯解决不力。
本文主要工作即针对以上问题，在仔细分析了合成氨生产的复杂性，并对相关工艺流程原理深入研究的基础上，首次成功实现小氮肥氨合成装置的在线操作优化。本文的主要工作和创新之处包括：
1．在国内小氮肥领域首次成功实现了合成氨生产在线优化，实地投运表明在线操作优化软件全面达到指标：自动控制投运率达95％以上；在线优化的投运使得氨合成塔氨净值比投运前提高了0.4％，获得显著的经济效益。
2．针对小氮肥合成氨生产工艺流程复杂、影响因素繁多，优化难以实施的现状，首次提出优化“分解”方案。抽取单调变化变量进行“卡边”操作；采用广义预测控制实现氨合成塔热点温度优化调节；对少量时变变量实现自适应在线操作优化，有效提高氨合成塔合成效率，降低了能耗，取得了满意的优化效果。
3．提出基于模式识别优化监督级的自适应在线优化方法，融合了自适应方法的局部搜索能力与模式识别方法的全局搜索能力，在保证算法收敛速度的前提
As the major important industry and the one of large energy consumption in the field of chemical engineering industry, the research on the advanced control and optimization of the production of synthetic ammonia will be the focus in the future years. But in China, especially in the field of small-scale nitrogen fertilizer, although the desire for production optimization is increasingly stronger, nothing effective for this is done because of its complicated conditions and special flows. This dissertation is just focusing on this topic. Based on the actual production process, we combine the optimization theory and the real situation in process industry. Through the study and exploration on "Advanced Control and Optimization for the Small-Scale Ammonia Synthesis Plant", the on-line operating optimization was completed successfully for the first time. And it is the solid foundation of the future work in this field.
Because of the special working conditions and the characters of the equipments, the synthetic ammonia production in small-scale plants has the following problems: "Difference of the raw material and the equipments"、" Miscellaneity of the influencing factors"、" Time-variation for the production system"、"Frequent fault of the equipment". For these problems we have taken the investigation on the advanced control and optimization in this field. The results show that the overseas advanced technologies can not be applied to domestic system because of the above reasons. And the most domestic research about this is based on simulation; it can't work stably and last longtime. In brief, we found that there are 5 problems as choke point in this field: 1.Lacking maneuverability; 2.Not working stably and for a long time; 3.Bad robust performance; 4.Low precision of the control of the key factor; 5.Problems of the communication.
The major work is focusing on the above problems. By analyzing the complicacy of synthetic ammonia in details, we take a deeply study on the process flow and principle of the synthetic ammonia. At last the on-line optimization of the ammonia synthesis system is realized for the first time. The following is the major work and innovation:
1. It is the first time to realize on-line optimization of ammonia synthesis in the field of domestic small-scale nitrogen fertilizer successfully. The actual results show
引文
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