合成氨生产氢氮比控制系统的应用研究韩志刚蒋爱平汪国强(黑龙江大学电子工程学院哈尔滨150080中国)（jap62@sohu.com）摘要本文给出了合成氨生产中氢氮比的一种控制方案。几乎所有的合成氨装置对氢氮比的控制都存在一定的问题。氢氮比系统是一个超大时滞系统，大时滞系统的控制问题是过程控制中的难题,超大时滞系统的控制更为困难。本文给出了解决这一难题的途经,其基本方法是无模型控制方法加前馈。实践的成功证明了这一途经的正确性。关键词氢氮比；大时滞系统；干扰；无模型控制方法中图分类号TP273APPLICATIONSTUDYONCONTROLSYSTEMOFH-NRATIOINTHEPRODUCTIONOFSYNTHETICAMMONIAHanZhigangJiangAipingWangguoqiang(FacultyofElectronicEngineeringHeilongjiangUniv.Harbin150080)AbstractAcontrolschemeofH-Nratiointheproductionofsyntheticammoniaispresentedinthispaper.SomeproblemsofcontrollingtheH-Nratioexistinalmostalldevicesofsyntheticammoniaproduction.ThesystemofH-Nratioisavery-large-scale-timedelaysystem.Itisadifficultproblemtocontrolalarge-scale-timedelaysysteminthefieldofcontrolprocessandmuchmoredifficulttocontrolavery-large-scale-timedelaysystem.Inthispaper,onemethodtoresolvethistoughproblemisobtainedbyModel-FreeControlMethod(MFC)withapre-feed.Thepracticeshowsthatthismethodworkswell.KeywordH-NRatio;Large-TimeDelaySystem;Disturbing;Model-FreeControlMethod(MFC)1.引言(Introduction)合成氨生产中氢氮比值是一个重要的参数，几乎所有的合成氨装置对这个参数的控制都存在一定的问题。大庆石化公司化肥厂合成氨装置有其特殊性但更重要的是其共性。该装置的生产原料是空气和油田原料气。氮来自于空气，氢来自于油田原料气。空气和油田原料气在造气工段经过一系列加工净化处理后再进入合成塔,合成反应后生成氨气。上述过程十分复杂，氢氮合成环节是一个复杂的难控环节。对这一环节实现闭环稳定控制，其经济效益十分明显，是当前合成氨生产急需解决的问题。这一环节难控的原因如下：a.纯滞后时间大。从造气工段到合成工段间隔时间需20-25分钟，因为通道长，更加大了这个系统的时滞，初步估计这一系统纯滞后时间为30分钟左右，而氢和氮合成过程是一个化学变化过程，这就决定了该系统的时间常数T不会太大，从而使得远大于1，如所周知,对于>0.6的系统，PID调节器就已经不能很好的控制了，对于>1的系统就更无能为力了，所以即使自动控制设备是很好的DCS，这个环节的自动闭环稳定控制仍不能实现。b.无自衡性和蓄存性。合成塔以三比一的关系消耗氢气和氮气，如果补充气不是以三比1一补充，将有氢或氮的积累。这就是对象的无自衡性。已经积累的氢或氮将存于循环气中不会自行消失，这就是蓄存性。要消除已积累的氢或氮气，必须有一股与原积累方向相反的氢气或氮气去补充。c.扰动因素多。归纳起来主要有：原料油田气系统来的变换气流量、氢含量、氮气纯度、以及为降低系统压力和惰性气体含量的弛放气流量等。还有许多不可测的干扰因素。生产实际表明，氢氮比是该装置中最难控制的一个变量。利用常规PID组成的控制系统因适应能力差，满足不了这一变量的控制要求。多年来，这个生产装置的氢氮比控制都是通过人工调节的，氢氮比控制在2.8~3.2为合格。用手动控制，在装置稳定时可以收到满意的效果，但装置情况有变化，例如有大的干扰发生或处理量发生变化等，手动控制不能及时跟踪，这就使得装置在一段时期内不能稳定，必然影响产品的产量和质量。.某些厂的合格率仅为43％左右，严重影响合成氨的产量。上述分析可见，氢氮比环节之所以成为一个难控环节的原因有二：一是装置特性的原因即它是复杂的大时滞环节；二是DCS的所用的控制算法的原因，即在DCS中使用的算法基本是PID，而PID对于大时滞强干扰环节的控制能力很差。第一个原因是客观存在，工艺和装置不能做任何改变。所以要解决氢氮比的控制问题，只能从从第二个原因入手，即要用较好的控制方法对这个环节进行控制。为此人们在理论和实践上都进行了大量的研究工作。试用了许多方法，但效...
