先进控制与优化软件应用案例(2){氨合成装置先进控制与在线操作优化}

甲烷含量、热点温度（由于试验期间冷交故障，使得氨冷温度无法考察，但从机理上讲，降低氨冷温度有利于提高氨净值）。具体两次正交试验的结果如下：
Ø 第一次试验结果记录和极差分析(表2)：
因素 H2 (%) T3 (℃) T10 (℃) CH4 (℃) 实验结果
＃1 60.0 470 460 11.0 9.63
＃2 60.0 473 463 13.0 9.19
＃3 60.0 476 466 15.0 8.73
＃4 62.5 470 463 15.0 8.84
＃5 62.5 473 466 11.0 9.41
＃6 62.5 476 460 13.0 9.35
＃7 65.0 470 466 13.0 9.02
＃8 65.0 473 460 15.0 8.91
＃9 65.0 476 463 11.0 9.57
均值1 9.183 9.163 9.297 9.537
均值2 9.200 9.170 9.200 9.187
均值3 9.167 9.217 9.053 8.827
极  差 0.033 0.054 0.244 0.710














根据极差表得到的最优条件是：A2B3C1D1（条件A、B、C、D分别代表循环氢含量，3点温度，10点温度，甲烷含量），也即：
H2：60％ T3：475℃ T10：460℃ CH4：11％
Ø 第二次结果记录和极差分析(表3)：
因素 T3 (℃) T5 (℃) T10 (℃) T13 (℃) 实验结果
实验1 1(470) 1(455) 1(460) 1(463) 11.381
实验2 1(470) 2(460) 2(465) 2(466) 10.974
实验3 1(470) 3(465) 3(470) 3(470) 10.760
实验4 2(475) 1(455) 2(465) 3(470) 11.010
实验5 2(475) 2(460) 3(470) 1(463) 10.541
实验6 2(475) 3(465) 1(460) 2(466) 11.180
实验7 3(480) 1(455) 3(470) 2(466) 11.157
实验8 3(480) 2(460) 1(460) 3(470) 10.860
实验9 3(480) 3(465) 2(465) 1(463) 10.870
均值1 11.038 11.183 11.140 10.931
均值2 10.910 10.792 10.951 11.104
均值3 10.962 10.937 10.819 10.877
极差 0.128 0.391 0.321 0.227

根据极差表得到的最优条件是：A1B1C1D2（条件A、B、C、D分别代表3点温度，5点温度，10点温度，13点温度），也即：
T3：470℃ T5：455℃ T10：460℃ T13：466℃














在热点温度正交试验之后，我进行了对比试验，分别以最优条件和常规条件运行，对比两个时段的氨净值，结果如下(表5)：
正常工况 优化条件
Ave_T3 =472.2514 Ave_T5 =457.0265Ave_T10 =462.2587 Ave_T13 =465.2720Ave_InNH3 =4.6093 Ave_OutNH3 =14.9936Ave_H2 =63.3476 Ave_CH4 =11.7482Ave_P1 =21.6304 Ave_P2 =21.3354Ave_TN =4.1965 HN =4.1079Ave_xunhuanqi =1.2793e+005Ave_buchongqi =1.6910e+004Ave_PureNH3 =10.3843 Ave_T3 =469.5997 Ave_T5 =454.6439Ave_T10 =459.8588 Ave_T12 =465.1425Ave_InNH3 =4.4483 Ave_OutNH3 =15.0621Ave_H2 =63.0212 Ave_CH4 =12.1825Ave_P1 =21.8034 Ave_P2 =21.5020Ave_TN =3.3736 HN =4.1307Ave_xunhuanqi =1.2925e+005Ave_buchongqi =1.6482e+004Ave_PureNH3 =10.6138

图1 对比试验氨净值变化趋势
可以看到，对比试验两个时段工况差别不大，在热点温度优化条件下运行的时段整体氨净值相对于常规运行提高约0.23％。
【结论】
Ø 循环气中甲烷的含量对于氨净值的影响十分明显（在极差分析中，甲烷几乎是温度、H2的两倍），甲烷含量越低，循环气中氢气、氮气等有效气体      成分越多，利于反应进行，氨净值也就越高。
Ø 循环氢下降，氢氮比更接近合适的比例值（3.0），可以看到氨净值也有上升。
Ø 热点温度的影响比预先设想的要小，但是根据针对热点温度优化的对比试验结果，我们还是能够看到在温度最优点工况下，氨净值相对于正常工况提高了0.23%。
Ø 从机理上讲以及投运结果，降低氨冷温度有利于提高氨净值，这也是一个寻优的方向。
Ø 两次正交试验中有关热点温度的最优工作点并不相同，这说明：
A.热点温度存在最优组合，而非一律取工艺指标上限为优；
B.温度最优点在不同工况下是不同的，需要实时在线寻优。

(三)、“卡边”操作优化
通过正交试验，我们已经掌握了优化方向，对单调变化的变量，通过 “卡边”操作优化，可以提高氨净值。也就是说，把单调优化变量(甲烷含量、氨冷温度)，尽量向提高氨净值的方向调整(两变量都是减小)，即尽量靠近工艺允许的边界(称“卡边”)，即能提高氨净值。
这里就以2004年9月优化对比试验期间卡边操作为例，分析其优化效果。
我们分别取了9月8日－12日和9月14日－17日的数据进行对比，作为卡边操作优化效果的体现和检验(表8)。

时 段因  素 9月8日－12日正常操作 9月14日－17日卡边操作
平均值 标准差 平均值 标准差
甲烷含量(%) 14.70 0.31 14.39 0.17
循环氢含量(%) 63.25 0.73 62.29 0.74
氨冷温度(℃) -3.31 1.22 -3.10 0.98
3点温度(℃) 471.99 0.58 473.06 0.83
5点温度(℃) 457.11 0.46 458.25 1.60
10点温度(℃) 462.21 0.85 463.59 2.9
13点温度(℃) 467.98 1.16 466.77 2.45
氨净值(%) 10.17 0.13 10.44 0.11
从上表可见：(1).“卡边”操作试验期间甲烷含量和循环氢含量比试验前的正常操作条件分别朝有利于提高氨净值的方向调低0.31%、0.96%，甲烷和氨冷温度的控制精度也要高于平常生产；(2).由于对比试验，常规运行热点温度切为手动控制；(3).四点温度都也都朝有利于提高氨净值的方向升高了1℃左右。
因此，开始对比试验后工艺条“卡边”操作以及控制精度的提升，使得氨净值提高0.27%。
还应考虑到：
正常操作时有温度预测控制，而调到卡边时切到手动控制。如前述，温度预测控制能提升氨净值0.41%，切掉预测控制应降低0.41%，现在反而上升0.27%，因而实际提高应是二者的和0.41%+0.27%=0.68%；
因此，保守的讲：这种卡边操作提高氨净值0.6％。
“
(四)、在线操作优化
经过正交优化分析，合成塔四段四点热点温度存在最优组合，也就是说合理分布于最佳温度曲线附近；循环氢含量在临化现场是偏高的，但是考虑到设备及实际生产的需要，也不能过分降低，故也可通过在线寻优确定其优化设定值。
如果将氨净值（PureNH3）看成因变量，催化剂热点温度（T3、T5、T10、T13）、循环氢含量（H2）看成是自变量，则其关系可以写成如下形式：

氨合成塔在线操作优化的任务可以看成是在满足其它工艺约束条件下（比如催化剂热点温度不超标等），求取函数PureNH3（T3、T5、T10、T13、H2）的极大值的问题。考虑到在氨合成生产的优化中变量与目标函数之间强烈的非线性和非显式关系，我们结合自适应算法的思想，采用动态模型结构和在线辨识方法，根据实时工况，以一定的优化周期采集生产数据建立目标函数与自变量的函数模型，采用最直观有效的梯度法，确定操作条件优化方向，从而实现工艺操作条件的在线优化。这样的优化思路一方面利用过程动态数据，采样时间短，数据点多，辨识能很快收敛，加快了寻优速度，并利用遗忘因子，在工况变化时，也可以很快找到新的优化点，具有自适应的性质；另一方面，滚动优化，辨识与优化循环进行，每一次优化不苛求找到最优工作点，但尽量使现有点改善，抗干扰能力强。
在线操作优化软件自2004年5月就已经开始试投运。

l 优化投运数据整体分析(表9)：
未投运优化数据结果(5月23日8:00－5月29日8:00) 投运优化数据结果(6月1日8:00－6月7日8:00)
Ave_T3 =  472.1910Ave_T5 =  457.2428Ave_T10 =  463.9370Ave_T13 =  465.3679Ave_InNH3 =    4.7778Ave_OutNH3 =   14.5806Ave_H2 =   63.5657Ave_CH4 =   12.9453Ave_P1 =   21.1230Ave_P2 =   20.8140Ave_TN =    2.1314Ave_xunhuanqi =  1.2644e+005Ave_PureNH3 =    9.80HN =    4.8016 Ave_T3 =  472.4521Ave_T5 =  455.6400Ave_T10 =  459.7664Ave_T13 =  463.0099Ave_InNH3 =    3.7479Ave_OutNH3 =   13.7854Ave_H2 =   63.1806Ave_CH4 =   13.6160Ave_P1 =   21.4513Ave_P2 =   21.1361Ave_TN =   -3.4579Ave_xunhuanqi =  1.2930e+005Ave_PureNH3 =   10.04HN =    4.6294
P1: 合成塔进口压力       P2: 合成塔出口压力xunhuanqi: 循环气流量   bochongqi: 七段气流量TN: 氨冷温度             HN: 氢氮比备注：处理时去除5个工作点超标过多的点，各点取平均值
以上是投运前后的原始数据分析。
从该表可以看出，在线优化软件投运后氨净值提升0.24%。
但甲烷含量高于投运前大约0.7％，根据正交优化的结论分析，甲烷是影响氨净值的重要因素，按甲烷变化4%的极差影响氨净值0.7%计，实际在线优化提高氨净值应增加0.123%，考虑下面的曲线会更多：

2004年6月10日－2004年6月12日 2004年6月16日－2004年6月24日


注：上述曲线，一般第一个和最后一个点数据量较小（只有不到一百左右），有效性较差。
上面的曲线是对2004年6月中下旬的运行数据分析结果，按氨净值高低排序，然后对应做出甲烷含量变化曲线。可以看到，两者具有明显的反向特性，甲烷含量降低可以显著的提高氨净值，CH4平均上升1％时，氨净值下降1％－1.5％不等，这一点在其他时段的生产数据分析中也有体现。
因此，考虑到上述在线优化投运阶段甲烷含量高于投运前0.7％，可以推测，在甲烷含量、压力等工况一定的情况下，在线操作优化相对于常规操作应该提高氨净值0.3％。

(五)、结论
(一)、优化试验结论
1. 热点温度预测控制能够明显提高温度控制精度，从而提升氨净值；通过对比试验，预测控制的投运提高氨净值0.4％；
2. 正交优化明确了甲烷含量等主要影响因素，并给出了单调变化的优化方向；两次正交试验结果表明，热点温度存在最优组合，并且在不同工况下是不同的，需要实时寻优；
3. 对比试验表明，甲烷含量、氨冷温度等因素的卡边操作提高氨净值0.6％；
4. 热点温度、循环氢含量在线寻优，提升氨净值0.3％。
三个部分优化效果的综合，在装置平稳正常运行条件下，提高氨净值1.0％以上(1.3%)。
考虑到装置常规生产中的正常波动以及装置经常有一些异常情况、工况不够稳定，长时间稳定投运本优化软件，能保证提高氨净值0.7－0.8％。厂里应努力提高设备的完好率，随着异常情况和不稳定工况的减少，氨净值会逐步提高到1%。
(二)、装置的优化运行
项目验收不是目的，装置的优化运行、提高经济效益才是我们的最终目标，为此建议：
1、投运四点温度预测控制软件。可以保证提高氨净值0.4%以上；
2、投运在线优化软件，通过热点温度、循环氢含量的在线寻优，提升氨净值0.3％；
上述两项是手工操作无法实现的，为了保证软件的投运，应写入车间的操作规程，软件故障与装置故障一样，必须随时处理，不得不用或故障不报。
3、实施“卡边”操作。这项工作是手工操作可以实现的，而且操作人员极易掌握：只要知道方向，随时都可以调，例如甲烷含量、氨冷温度都是单调变化的，只要朝着降低甲烷含量、氨冷温度的方向调，即可增加氨净值。
不过，能“卡边”又不违反工艺边界要求的关键是稳定，因此工况稳定、参数稳定是“卡边”操作的基础。为了达到这一目标，应从两个方面努力：
(1)、加强管理，提高操作水平。
靠厂方操作、运行人员手操可以实现提高氨净值0.6%。
因此，厂方应加强管理，要求操作人员随时朝有利方向，“卡边”操作。由于达到“卡边”操作会给厂里带来不小的经济效益，在奖金方面也应有所体现，即达到和达不到这个新水平有适当的奖、惩措施。
实际上，“卡边”操作值也是随着装置、工艺条件的不同而不同的，因此在我们的在线操作优化软件中也提供了每步“卡边”操作的方向和参考值，由厂方操作人员来实现。
(2)、通过装置的技术改造，进一步稳定甲烷含量、氨冷温度等重要参数，为“卡边”操作创造更大的空间。









在这方面我们还是可能有所作为的，如上图所示：当参数波动较大时，“卡边”操作受到方差的限制，只能停留在较低水平，而先进控制使参数稳定(方差减小)，则“卡边”可靠到一个新水平。如果工艺、装置上想些办法，加上我们的先进控制，能使甲烷含量与氨冷温度进一步稳定，则氨净值可以进一步提高。