小氮肥氨合成装置先进控制与优化研究与应用

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1、中固科学技术大学博士学位论文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

2、件和装备特点，形成了“原料、设各工艺的差异壁垒”、“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、没备、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

3、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]．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．针对小氮肥台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

4、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中删科学技术大学博士学位沧文摘要下，改善了优化性能，并成功的应用于氨合成塔操作条件在线优化。4．在研究影响氨合成反应效率的因素时，针对因素个数过多、各因素间存在耦合等特点，首次提出“两步逐级正交优化”的方案，既减少了整体试验次数，避免对正常生产的过多影响，又可以层次分明、直观有效的体现了各因素的影响力和优化潜力。5．针对合成氨生产异常及设备故障对优化结果的影响，提出一种

5、有效的异常判断策略——基于模式识别的合成氨生产统计过程控制，通过基于“越类量”的统计过程分析，实现生产异常的判断；并基于“缺失数据”的处理思想，完成异常数据的最终处理，完成一次成功的创新尝试。6．采用广义预测控制算法，针对多段绝热冷激式四段氨合成塔催化剂床层热点温度控制这样一个多回路、多变量的复杂系统，通过阶梯式广义预测控制与前馈控制的结合，较好地解决了回路间的耦合问题，使氨合成塔催化剂床层热点温度实现了自动控制，控制精度显著改善，极大地提高了氨合成塔的操作水平。7．基于中间件OPC技术完成在线优化软件的通讯功能，并最终完成产品软

6、件包LHOPT，该软件包含氨净值在线操作优化、热点温度预测控制、异常数据判断处理、OPC数据通讯等功能，具有较强的可扩展性和普适性。综上所述，本文在小氮肥氨合成装置先进控制与优化领域，立足于生产实际，着眼于优化算法的完善，通过剥整体问题详细深入的研究，从经典方法的改进入手，提出针对性和操作性更强的优化方法或方案，逐一解决了目前该领域所存在的难点问题，在国内首次实现了小氮月巴氨合成装置的在线操作优化，获得了令人满意的效果，充分体现了本文工作的研究意义及实用有效性。关键词合成氨；优化分解；逐级正交优化；卡边操作；在线优化；氨合成塔：氨

7、净值：广义预测控制；自适应稳态优化；模式识别；监督级；统计过程控制；中间件0PC技术；经济效益分析JJI中用科学技术大学博士学位论文ABSTRACTAsthemajorimportantindustryandtheoneoflargeenergyconsumptioninthefieldofchemicalengineeringindustry，theresearchOiltheadvancedcontrolandoptimizationoftheproductionofsyntheticammoniawillbethefocus

8、inthefutureyears．ButinChina，especiallyinthefieldofsmall—scalenitrogenfertilizer,althoughthedesireforproductionoptimizationis