【正文】 持穩(wěn)定的適宜條件。即內(nèi)件中填充催化劑既多，而且又能充分發(fā)揮其活性效能，同時盡量延長其使用壽命。氨合成塔內(nèi)件是氨合成反應的主要場所。 氨合成塔氨合成塔是合成氨裝置的關鍵設備之一。分離出液氨的低溫循環(huán)氣經(jīng)冷凝塔上部熱交換器與來自循環(huán)壓縮機的氣體換熱，被加熱到10～30℃進氨合成塔，從而完成循環(huán)過程。為了降低惰性氣體含量，循環(huán)氣在氨分離后部分放空，大部分循環(huán)氣進循環(huán)壓縮機補充壓力后進慮油器，新鮮原料氣也在此處補入。在中小型氨廠典型流程中，新鮮氣與循環(huán)氣均由往復式壓縮機加壓，設置水冷器與氨冷器兩次冷卻，氨合成反應熱僅用于預熱進塔氣體。這種流程已在各國相繼建廠并投產(chǎn)，它們有在合成塔后設置鍋爐給水加熱器以回收熱能的，也有在合成塔后設置廢熱鍋爐直接生產(chǎn)蒸汽的。因此，新鮮氣在氨冷器之前加入系統(tǒng)，循環(huán)壓縮機設在冷凝分離液氨并除去混合氣中微量含氧雜質之后。我國的大中型和小型合成氨廠的氨合成流程基本屬于這種。合成塔出口氣體先冷卻到一中間程度，其中大部分氨被冷凝下來，在第一氨分離器中分出，氣體隨即流入循環(huán)壓縮機，壓縮至合成所需壓力，與新鮮氣體混合，再進一步冷卻、冷凝余下的氨，在第二氨分離器中分出，同時氣體得到最終的凈化，最后進入合成塔。，從分散調(diào)節(jié)到集中控制以后，又逐步向以控制計算機為中心的中央控制室（對設備或生產(chǎn)過程進行綜合最佳控制）過渡，以實現(xiàn)最優(yōu)的技術經(jīng)濟指標，尋求和維護最優(yōu)工況，獲得最大的產(chǎn)量和最低的生產(chǎn)成本。有的是直接副產(chǎn)蒸汽，也有的是加熱高壓鍋爐給水。由于采用了蒸汽驅動的離心式壓縮機，為將反應熱回收利用，作為合成氨生產(chǎn)所需的動力來源提供了方便的條件。因為按照傳統(tǒng)方法，由于系統(tǒng)的擴大，會招致很大的經(jīng)濟損失。，一方面可以使生產(chǎn)流程簡化，省去了老流程中的濾油設備，并且從根本上排除了油污對催化劑毒害的威脅。由于當前離心式壓縮機制作等原因，世界各國的大型氨廠采用的合成壓力多數(shù)是150～220公斤/厘米2，但是隨著離心式壓縮機的制造和操作水平的不斷提高，合成壓力還有回升至250～300公斤/厘米2的可能。近年來，由于物理化學和化學工程等方面的理論發(fā)展，化工機械加工水平不斷提高，催化劑新品種的涌現(xiàn)，特別是各國對化學肥料的大量需求，因而使得氨合成生產(chǎn)朝向大型化和自動化發(fā)展。在循環(huán)過程中，由于惰性氣體不斷積累，因此要經(jīng)常進行一部分循環(huán)氣的排放，以維持惰性氣體含量在規(guī)定值以下。然后，氣體通過最終凈化，并換熱升溫至操作溫度，送入合成塔內(nèi)的催化劑層，在其中進行氨的合成反應。 第3章 合成氨工藝的介紹 氨合成生產(chǎn)的流程工業(yè)上采用的氨合成工藝流程，雖然各不相同，設備結構和操作條件也各有差別，但是實現(xiàn)氨合成過程的基本步驟則是相同的。副對象或控制閥特性的變化依然會較敏感地影響副回路的穩(wěn)定性。這也就使得串級系統(tǒng)對控制閥和副對象特性的變化具有魯棒性。但由于串級控制系統(tǒng)從對象中引出了一個中間變量構成了回路，因此和單回路控制系統(tǒng)相比它具有自己的特點。 串級控制系統(tǒng)從總體上看，仍然是一個定值控制系統(tǒng)。必須注意的是主回路并不是指將副變量測量變送環(huán)節(jié)前（后）斷開后形成的單回路。副回路：處于串級控制系統(tǒng)內(nèi)部的，由副變量測量變送器，副控制器，控制閥，副對象組成的回路。主控制器:接受的是主變量的偏差，其輸出用來改變副控制器的設定值。副對象:反應了副變量與操縱變量之間的通道特性。圖22 單回路控制系統(tǒng)的框圖主變量:保持其平穩(wěn)是串級控制的主要目標。一個控制器的輸出用來改變另一個控制器的設定值，這樣連接起來的兩個控制器稱作“串級”控制。另外一種可以克服干擾的方法就是串級控制，它通過選擇第二個測量點構成第二個反饋回路來克服干擾。 串級控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)是在被控變量和設定值之間產(chǎn)生偏差之后才起作用的，前饋控制可以用來幫助克服干擾的影響。(1)從前饋控制角度，由于增添了反饋控制，降低了對前饋控制模型精度的要求，并能對未選作前饋信號的干擾產(chǎn)生校正作用。這樣既發(fā)揮了前饋控制作用及時的優(yōu)點，又保持了反饋控制能克服多種擾動以及對被控變量進行檢驗的長處，是一種適合過程控制的好方法。因此，如果控制的結果無法消除被控變量的偏差，系統(tǒng)將無法做進一步的校正。如果干擾通道比控制通道的時間常數(shù)小得多，由于干擾對被控對象的影響十分迅速，以致即使前饋控制器的響應時間為零，也無法完全補償干擾的影響，這時使用前饋控制效果不佳。當干擾通道的時間常數(shù)比控制通道的時間常數(shù)大的多時，反饋控制可獲得良好的控制效果，無需再加前饋控制。(2)當主要干擾無法用串級控制系統(tǒng)使其包圍在副回路時，采用前饋控制將會比串級控制獲得更好的效果。下列幾種情況采用前饋控制比較有利。因此構建的前饋控制器只能是近似的，如將純超前環(huán)節(jié)處理為靜態(tài)環(huán)節(jié)，將純微分環(huán)節(jié)處理為超前滯后環(huán)節(jié)。用儀表來實現(xiàn)前饋控制算式時，往往作了近似處理。這樣設計的前饋控制器對于其它干擾是絲毫沒有校正作用的。 實際的工業(yè)對象會存在多個擾動，若都設置前饋通道，勢必增加控制系統(tǒng)投資費用和維護工作量。一種前饋只能補償一種干擾。因此采用前饋控制時，對被控對象的了解必須比采用反饋控制時清楚的多，才能得到比較合適的前饋控制系統(tǒng)。前饋控制器根據(jù)干擾產(chǎn)生的控制作用對被控變量進行影響，而被控變量并不會反過來影響前饋控制器的輸入信號（擾動量）。因此前饋控制對于干擾的克服要比反饋控制及時的多，這也是前饋控制的一個主要優(yōu)點。2. 前饋控制系統(tǒng)的特點前饋控制對于干擾的克服要比反饋控制及時 前饋控制是針對干擾作用進行控制的，當干擾一出現(xiàn)，前饋控制器就根據(jù)檢測到的干擾，按一定控制規(guī)律進行控制。選擇不變性 被控變量往往受到若干個干擾的影響，若系統(tǒng)對其中幾個主要的干擾實現(xiàn)不變性補償，就稱為選擇不變性。穩(wěn)態(tài)不變性 穩(wěn)態(tài)不變性是指系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下被控變量與擾動無關。因此，總是按照工藝上的要求提出一個允許的偏差ε值，依次進行誤差不變性系統(tǒng)的設計。 （217）誤差不變性在工程上具有現(xiàn)實意義。 絕對不變性 所謂絕對不變性是指在擾動的作用下被控變量在整個過渡過程中始終保持不變，即控制過程的動態(tài)和靜態(tài)偏差均為零。當時， （216）即被控變量與擾動無關。對于任何一個系統(tǒng)，總是希望被控變量受擾動的影響越小越好。進入控制系統(tǒng)中的擾動會通過被控對象的內(nèi)部聯(lián)系，使被控變量發(fā)生偏離其設定值得變化。不變性原理或稱擾動補償原理是前饋控制的理論基礎。 前饋控制 1. 前饋控制的基本原理前饋控制的基本原理就是測量進入過程的干擾量（包括外界干擾和設定值變化），并根據(jù)干擾的測量值產(chǎn)生合適的控制作用來改變控制量，使被控變量維持在設定值上。此外，當計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故依然能保持原值。 （215）增量式控制雖然只是在算法上作了一點改進，但卻帶來了不少優(yōu)點：(1)由于計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去除。采用增量式算法時，計算機輸出的控制增量對應的是本次執(zhí)行機構位置(如閥門開度)的增量。 (214)上式稱為增量式PID控制算法[6]。由(212)式根據(jù)遞推得式（213）。這種算法的缺點是，由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關，計算時要對進行累加，計算機運算的工作量大。 (212)式中：、—分別為比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)；—采樣周期；—采樣序號，k=0，1，2，…；—第k次采樣時刻的計算機輸出值；—第k次采樣時刻輸入的偏差值；—第(k一1)次采樣時刻輸入的偏差值。離散后的數(shù)字PID算法可表示為式（211）。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此式（29）中的積分和微分不能直接使用，需要進行離散化處理。4. 數(shù)字PID控制由于計算機技術的發(fā)展，數(shù)字PID控制器的應用也越來越廣泛，將逐漸的取代傳統(tǒng)的模擬PID控制器。式(29)也常寫成(210)的形式。PID調(diào)節(jié)器的微分方程數(shù)學模型如式（29）所示。直到目前為止，PID調(diào)節(jié)仍然是應用最廣泛的基本控制方式。在自動控制的發(fā)展過程中，PID調(diào)節(jié)是歷史最悠久的、控制性能最強的基本調(diào)節(jié)方式。因此存在高頻噪聲的地方不宜用微分，除非先將信號進行濾波。不過微分作用在高頻下有較大的振幅比。 （28）式中， 通常取～。 （27）由于理想的微分作用在物理上是不能實現(xiàn)的，所以一般用超前滯后單元來產(chǎn)生近似的微分作用。因此微分作用不單獨使用，總是與比例或比例積分作用同時使用。 （26）式中，是微分時間。3. 比例積分微分（PID）控制作用微分控制作用是通過誤差的變化率來預報誤差信號的未來變化趨勢。因此為了維持原有的穩(wěn)定性，控制器的增益應該降低。 （25）可見，比例積分作用可看成是一個積分環(huán)節(jié)和一個超前環(huán)節(jié)的組合，它的靜態(tài)增益是無窮大，因而能夠消除余差。比例積分控制的算式如式（24）所示。因此通常是將積分作用和比例作用一起使用。雖然積分作用能夠有效消除系統(tǒng)余差，但積分控制器很少單獨使用。如果偏差為零，則積分控制器的輸出不變。 （23）式中，為積分時間。例如，對于一些儲罐的液位，只希望保持儲罐中的液位不會溢出且不會干涸，因此只需要將液位控制在一定的上下限之間即可，這時采用純比例控制器將是一個不錯的選擇。因此在實際使用中常采用帶有積分作用的控制器。參數(shù)的整定，就是對這兩項指標在作權衡。比例控制器增益調(diào)整的基本矛盾：穩(wěn)定程度與控制精度的矛盾。比例控制器的傳遞函數(shù)表達式為式（22）所示。1. 比例控制作用比例控制器的輸出與偏差成比例，其關系如式（21）所示。圖21單回路控制系統(tǒng)原理圖反饋控制器的作用是將測量信號與設定值相比產(chǎn)生偏差信號，并按照一定的運算規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，用來操縱末端執(zhí)行元件。由于目前我國中小型合成氨廠的實際生產(chǎn)中還采用的是手動的人工操作，勞動強度大且溫度控制效果不好，常常不可避免會引起一些事故，為解決諸如此類的問題，急需研究并應用一種有效的溫度控制策略。2. 課題的主要任務氨合成塔的溫度自動控制系統(tǒng)的基本任務是在滿足生產(chǎn)工藝的溫度要求前提下，實現(xiàn)原料氣的最大利用、合成氨最理想產(chǎn)量的目的。通過閱讀大量有關文獻，結合自己在大學期間所學的基本知識，基本掌握了氨合成塔溫度控制系統(tǒng)。 課題來源及主要任務1. 課題來源在化工廠參觀實習后，掌握了合成氨工藝流程和設備的相關知識。采用冷凍的方法將已合成的氨分離,然后在未反應的混合氣中補充一定量的新鮮氣進行循環(huán),繼續(xù)反應。合成工段是合成氨生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié),精制后的氮、氫混合氣在高溫、高壓并有催化劑的條件下在合成塔中進行氨合成反應。采用冷凍的方法將已合成的氨分離,然后在未反應的混合氣中補充一定量的新鮮氣進行循環(huán),繼續(xù)反應。合成工段是合成氨生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié),精制后的氮、氫混合氣在高溫、高壓并有催化劑的條件下在合成塔中進行氨合成反應。在此過程中，研究開發(fā)了許多工業(yè)技術，促進了氮肥生產(chǎn)的發(fā)展和技術水平的提高[5]。目前有小型合成氨裝置700多套，生產(chǎn)能力約為3000萬t/a,其下游產(chǎn)品原來主要是硝酸氫銨，現(xiàn)有112套經(jīng)過改造生產(chǎn)尿素。目前合成氨總生產(chǎn)能力為4500萬t/a左右，氮肥工業(yè)已基本滿足了國內(nèi)需求，在與國際接軌后，具備與國際合成氨產(chǎn)品競爭力，今后發(fā)展重點是調(diào)整原料和產(chǎn)品結構，進一步改善經(jīng)濟性。由此可見，我國在節(jié)能方面存在著很大的潛力。近幾年來，我國在節(jié)能方面雖然已取得很大的成績，但能源的供應矛盾依然十分尖銳。所以，如何在工業(yè)過程具有復雜特性的情況下，找到合理、有效的控制方式解決過程控制的難題，是非常重要的。在變量間的關聯(lián)比較緊密的情況下，不能簡單地將系統(tǒng)分為若干個單變量系統(tǒng)進行分析和設計，否則不但得不滿意的控制效果，甚至得不到穩(wěn)定的控制過程。幾乎在所有的工業(yè)過程中，都包含了較多的過程變量，而且這些變量之間又常以各種形式相互關聯(lián)著，任何一個變量的變化往往可能引起其他的變量發(fā)生變化，使系統(tǒng)的控制難以達到滿意的指標。從50年代末以來，在時滯控制方面先后出現(xiàn)了基于模型的方法(如Smith預估控制、最優(yōu)控制、滑模變結構控制等)和無模型的方法兩大類，然而對于時滯系統(tǒng)的模型不確定性和干擾的不可知性，非參數(shù)模型顯得更為有效，開發(fā)與設計出各種智能控制方法或以不同的方式結合在一起，將是解決工業(yè)大時滯過程的有效途徑[4]。時滯的存在給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來了不利的影響，調(diào)節(jié)作用的不及時會導致調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)品質變差，甚至出現(xiàn)發(fā)散振蕩。(3)過程的時滯特性。但是對于存在嚴重非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，采用線性化的處理方法常會產(chǎn)生很大的偏差，甚至會得出完全相反的結論。嚴格地說，所有的工業(yè)過程都存在非線性，只是非線性的程度不同而己。這兩種不確定性普遍存在于工業(yè)過程中，使得很多對象難以建模。在傳統(tǒng)的控制理論中，過程控制系統(tǒng)的設計、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定都是以被控過程的數(shù)學模型為依據(jù)的，其建模的方法通常有機理建模和實驗建模兩種。如何以經(jīng)濟、有效的方式提高過程控制的質量，有著很重要的現(xiàn)實意義。正如Zadeh教授指出的：“當一個系統(tǒng)復雜性增大時，人們能使它精確化的能力將降低，當達到一定的閾值時，復雜性和精確性將互相排斥”即“不相容原理”。由于工業(yè)對象本身所固有的慣性、時間滯后特性及其動力學特性的內(nèi)部不確定性和外部環(huán)境擾動的不確定性，使很多過程控制問題復雜化，且隨著工業(yè)和現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，生產(chǎn)工藝變得日益復雜，人們對工業(yè)過程總體性能，如控制精度、響應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性及適應能力的要求也不斷提高。 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