多變量預(yù)測控制技術(shù)在煤化工企業(yè)的應(yīng)用

張蕊紅

（晉煤集團技術(shù)研究院，山西 晉城 048006）

1 多變量預(yù)測控制技術(shù)概述

1.1 先進控制技術(shù)的發(fā)展

國外先進控制軟件首先出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代末。經(jīng)過多年的發(fā)展，于20世紀(jì)90年代初進入中國市場。目前，國外先進控制軟件的主流供應(yīng)商及其產(chǎn)品包括：AspenTech公司的DMCplus和Apollo（非線性預(yù)測控制軟件），Honeywell公司的Profit系列產(chǎn)品，Invensys公司的Connoisseur，Rockwell公司的Process Perfecter（非線性預(yù)測控制軟件）；ABB代理的STAR，橫河代理的SMOC，F(xiàn)OXBORO的Connoisseur。國外先進控制軟件已在上千家大型石化、化工、煉油、冶金等企業(yè)獲得成功應(yīng)用，并取得巨額利潤［1-3］。

目前，國內(nèi)以石油化工行業(yè)為代表的各大企業(yè)紛紛啟用先進控制技術(shù)。先進控制技術(shù)憑借改善過程動態(tài)控制的性能減少過程變量的波動幅度，使生產(chǎn)裝置在接近其約束邊界的條件下運行（卡邊操作），并在石油化工、電力等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。大量工業(yè)裝置在已有DCS的基礎(chǔ)上配備了先進控制系統(tǒng)，大規(guī)模的模型預(yù)估控制和用于優(yōu)化的非線性預(yù)估控制技術(shù)得到極大完善［4-5］。

1.2 多變量預(yù)測控制技術(shù)控制系統(tǒng)［6-7］

多變量控制器能夠從整個裝置的角度出發(fā)，充分考慮到多個變量之間的相互影響和生產(chǎn)過程存在的各種約束條件，計算出全局的解決方案，通過調(diào)節(jié)多個相關(guān)的操作變量，使裝置處于最優(yōu)的操作點，從而獲得最大的經(jīng)濟效益。

先進控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)學(xué)模型建立、先進控制策略和工程實施4個階段。

1.2.1 數(shù)據(jù)的采集與處理

由于現(xiàn)場工業(yè)環(huán)境嘈雜，采集到的數(shù)據(jù)必須進行處理。比如，對采集到的數(shù)據(jù)進行過失誤差的檢測與識別、過程數(shù)據(jù)的有效性檢驗等。同時，利用可測數(shù)據(jù)和現(xiàn)有適合模型，實時計算不可測量的變量。

1.2.2 數(shù)學(xué)模型的建立

獲取對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是實施先進控制的基礎(chǔ)。在復(fù)雜工業(yè)過程中，利用強有力的辨識軟件剔除過失虛假數(shù)據(jù)，把分段有效數(shù)據(jù)有機地組合起來，最終獲得實際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下現(xiàn)場裝置試驗的數(shù)據(jù)以及多輸入、多輸出（MIMO）動態(tài)數(shù)學(xué)模型。

1.2.3 先進的控制策略

控制策略是先進控制的核心。近年來，針對復(fù)雜控制過程的不確定性（環(huán)境結(jié)構(gòu)和參數(shù)的未知性、時變性、隨機性、突變性）、非線性、變量間的關(guān)聯(lián)性以及信息的不完全性和大純滯后性等，一批對模型要求不高、在線計算方便、對過程和環(huán)境的不確定性有一定適應(yīng)能力的控制策略和方法得到了引用、改進和發(fā)展。主要控制策略有：模型預(yù)測控制、推斷控制、協(xié)調(diào)控制、質(zhì)量卡邊控制、統(tǒng)計過程控制。

1.2.4 先進控制技術(shù)的實施

先進控制在實施時需要解決許多具體的工程問題，包括：1）合理地選擇被控區(qū)域。2）正確整定基本PID控制回路和先進控制系統(tǒng)。整定基本回路是為實施先進控制奠定基礎(chǔ)，而整定先進控制則是為在動態(tài)響應(yīng)與魯棒性之間作出權(quán)衡。3）合理限制控制變量的變化量和變化率，保證控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性和對不確定因素的魯棒性。4）建立良好的先進控制人機界面，確保在最常用的流程圖畫面上得到先進控制的信息，便于投用、維護和操作。

2 多變量預(yù)測控制技術(shù)在合成氨系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、處理及模型建立

通過OPC通訊方式對合成氨3個工段的運行數(shù)據(jù)進行采集并處理匯總，整理出有效數(shù)據(jù)；在此基礎(chǔ)上，建立各個工段的動態(tài)數(shù)據(jù)模型。

2.2 各工段的優(yōu)化策略

的床層熱點溫度被穩(wěn)定地控制在最優(yōu)溫度，且波動的幅度不超過1℃。

2）汽氣比的優(yōu)化

汽氣比的調(diào)整是工業(yè)變化反應(yīng)中最主要的調(diào)節(jié)手段。增加水蒸氣的用量，可以提高CO的平衡變換率，從而降低CO殘余含量，加速變化反應(yīng)的進行。但是，水蒸氣的用量是變換過程中最主要的消耗指標(biāo)，盡量減少其用量對節(jié)能降耗有著重要的意義。

利用多變量預(yù)測控制器，建立汽氣比與變換爐床層溫度及出口CO含量的模型矩陣，在穩(wěn)定控制各變換爐床層溫度的基礎(chǔ)上，盡量減少過熱蒸汽的用量，將出口CO含量控制在允許的范圍內(nèi)，從而達到節(jié)能降耗的目的。

2.2.3 合成工段的優(yōu)化

該工段的優(yōu)化主要是針對合成塔溫度優(yōu)化。合成塔溫度主要包括一床、二床和三床的觸媒熱點溫度。主要的調(diào)節(jié)手段有一床入口溫度、二床入口溫度和三床入口溫度，且相互影響。利用多變量預(yù)測控制器，建立3個入口溫度和3個床層熱點溫度的模型矩陣，使位于前面的入口溫度或床層溫度被控制在最優(yōu)溫度，且波動的幅度不超過1℃。

2.2.1 造氣工段的優(yōu)化

1）造氣爐的優(yōu)化

針對不同的煤質(zhì)及時調(diào)整循環(huán)時間及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)、加煤時間和爐條機轉(zhuǎn)速等參數(shù)，將爐況穩(wěn)定在最優(yōu)狀態(tài)下。

2）氫氮比的優(yōu)化

目前，造氣工段的氫氮比調(diào)整普遍存在著時間滯后、調(diào)整不及時等情況，從而造成合成塔入口的氫氮比波動較大。采用多變量預(yù)測控制技術(shù)，把合成塔入口氣體的氫氮比作為被控目標(biāo)，通過調(diào)節(jié)造氣工段的吹風(fēng)時間，把合成塔的氫氮體積比穩(wěn)定地控制在最優(yōu)的2.8～2.9區(qū)間內(nèi)。

2.2.2 變換工段的優(yōu)化

1）變換溫度的優(yōu)化

溫度是變換工段最重要的工藝條件。變換工段的主要控制目標(biāo)包括變換爐的一段、二段和三段的床層熱點溫度。主要的調(diào)節(jié)手段有預(yù)變增濕爐入口溫度、變換爐二段入口溫度和變換爐三段入口溫度，這些溫度的調(diào)整會相互影響。

利用多變量預(yù)測控制器建立上述3個溫度對變換爐一段、二段和三段的床層熱點溫度的模型矩陣，使得位于前面的入口溫度或床層溫度發(fā)生變化時后面的入口溫度會及時作出相應(yīng)的調(diào)整，以保證后面

3 經(jīng)濟效益估算

將多變量預(yù)測控制技術(shù)應(yīng)用于合成氨系統(tǒng)后，可降低系統(tǒng)能耗3%左右。若氨的能耗為1.3t煤每噸氨，裝置的生產(chǎn)能力為30萬t/a，煤的價格為400元/t，則每年可帶來的經(jīng)濟效益為468萬元。如將該技術(shù)在煤化工企業(yè)中逐漸推廣應(yīng)用，將帶來巨大經(jīng)濟效益。

［1］ 李少遠.工業(yè)過程系統(tǒng)的預(yù)測控制［J］.控制工程，2010（4）：407-415.

［2］ 宋麗，郭軼瓊，陳云璞.先進控制技術(shù)在石油化工工業(yè)中的應(yīng)用［J］.化學(xué)工程與裝備，2009（5）：116.

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［4］ 蔣敏偉.過程控制中提高DCS應(yīng)用水平的途徑［J］.自動化儀表，1998（10）：1-5.

［5］ 張慶武.模塊多變量廣義預(yù)測控制及應(yīng)用［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006：20-28.

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［7］ 丁曉亮.多變量廣義預(yù)測控制的研究與應(yīng)用［D］.北京：北京化工大學(xué).