CN105786055A - 硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制系统及控制方法 - Google Patents

硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制系统及控制方法，系统将氧化炉的实时温度与设定温度值比较，温度控制器输出需要的氨气流量，通过氨气控制阀来调节进入氧化炉的氨气，为保证空气按照设定的比值输入，将氨气和空气的流量比值作为空气回路的反馈，与氨空比基本设定值比较，通过变频风机调节空气的输入量，当系统受到扰动使氧化炉温度发生偏差时，改变氨空比值能够快速调节氧化炉温度，智能动态氨空比修正单元根据温度偏差及温度偏差的变化输出氨空比的修正值，氨空比修正值和氨空比基本设定值叠加形成氨空比动态设定值，氨气流量和空气流量的实时比值与氨空比动态设定值进行比较，通过比值控制器，使空气在新的氨空比值下保持稳定。

Description

硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及硝酸生产过程中的自动控制技术，具体涉及一种硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制系统及控制方法。
背景技术
硝酸在国民经济发展中具有重要的地位，保持硝酸生产氧化炉反应温度的稳定是控制系统稳定的关键。传统的硝酸生产过程：空气经过滤预热处理后进入氧化炉，保持输入量不变；液态氨经过气化预热后到氧化炉与空气均匀混合；混合气体在氧化炉中的铂催化剂作用下发生放热反应，温度的控制是通过改变输入氨气的流量实现。
其缺点很明显，保持反应温度的稳定只能通过改变氨气流量的输入值，当温度达到要求时，实际氨气的输入量和空气流量比值往往处在安全生产范围以外，氨空比值和温度不能很好的配合，给生产带来隐患。如何在氨气空气流量比值处于安全范围内的条件下保持反应温度的稳定成为控制的要点。
发明内容
本发明首先提供一种硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制系统，在改变氨气输入的同时对氨空比值进行动态修正，得到新的氨空比，从而改变空气的输入量，通过同时改变氨气和空气的输入流量来调节氧化炉的反应温度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制系统，其关键在于包括：
温度测量变送器，用于获取氧化炉实时温度；
温度控制器，用于根据氧化炉实时温度与预设温度的偏差确定氨气流量；
NH3流量测量变送器，用于获取氨气输送管道中氨气流量；
流量控制器，根据温度控制器确定的氨气流量与氨气输送管道中的氨气流量之间的偏差控制NH3控制阀的开度；
NH3控制阀，安装在氨气输送管道中；
空气流量测量变送器，用于获取空气输送管道中空气流量；
除法器，用于根据氨气输送管道中氨气流量和空气输送管道中空气流量计算混合器中的氨空比；
比值控制器，用于根据混合器中的氨空比与预设氨空比之间的偏差确定变频器的频率，并通过控制电机风机机组的高压变频器来改变空气输送管道中的空气流量。
进一步地，该系统还设置有智能动态氨空比修正单元，该智能动态氨空比修正单元根据氧化炉实时温度与预设温度的偏差确定氨空比修正值，所述预设氨空比是由氨空比基本设定值与所述氨空比修正值所构成的动态值。
再进一步，所述智能动态氨空比修正单元采用模糊控制或基于神经网络原理的智能动态氨空比修正单元。
作为优选，所述温度控制器、流量控制器以及比值控制器均采用PID控制器。
本发明还可以表述为一种硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制方法，主要包括以下步骤：
S1：获取氧化炉实时温度T'；
S2：根据氧化炉实时温度T'与预设温度T的偏差e1确定氨气流量F；
S3：获取氨气输送管道中氨气流量F'；
S4：根据步骤S2确定的氨气流量F与步骤S3所获取的氨气流量F'之间的偏差e2控制氨气输送管道中NH3控制阀的开度；
S5：获取空气输送管道中空气流量；
S6：根据氨气输送管道中氨气流量和空气输送管道中空气流量计算混合器中的氨空比K'；
S7：根据混合器中的氨空比K'与预设氨空比K之间的偏差e3确定变频器的频率，并通过控制电机风机机组的高压变频器来改变空气输送管道中的空气流量。
进一步地，S7中所述预设氨空比K是由氨空比基本设定值K1与氨空比修正值Δk所构成的动态值，所述氨空比修正值Δk是由智能动态氨空比修正单元根据氧化炉实时温度T'与预设温度T的偏差e1确定的。
再进一步地，所述智能动态氨空比修正单元采用模糊控制或基于神经网络原理的智能动态氨空比修正单元。
作为优选，S2中采用温度控制器确定氨气流量；S4中采用流量控制器控制氨气输送管道中NH3控制阀的开度，S7中采用比值控制器确定变频器的频率，并通过控制电机风机机组的高压变频器来改变空气输送管道中的空气流量，所述温度控制器、流量控制器以及比值控制器均采用PID控制器。
与现有技术相比，本发明具有的技术效果或优点是：
(1)引入智能动态氨空比设定单元，通过对温度偏差的分析，计算出最符合生产的氨空比修正值，实现了氨空比的自动设置，使温度控制性能更快更好；
(2)氨气和空气对象由单闭环控制，具有自我稳定调节的功能，在受到通道干扰时能够削弱通道干扰的影响，使系统稳定；
(3)保证两大参数在合理范围内，生产温度达到工艺要求且氨空比处在工艺允许的可调节范围内，保证了生产效率和工艺安全。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图；
图2是模糊控制器的基本功能结构。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明的工作原理和显著效果作进一步说明。
如图1所示，一种硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制系统，包括：
温度测量变送器，通常与硝酸生产氧化炉连接，用于获取氧化炉实时温度T'；
温度控制器，通常采用PID控制器，用于根据氧化炉实时温度T'与预设温度T的偏差e1确定氨气流量F，输入的是氧化炉实时温度T'与预设温度T之间的偏差e1，输出的是氨气流量F；
NH3流量测量变送器，通常与氨气输送管道相连，用于获取氨气输送管道中氨气流量F'；
流量控制器，通常采用PID控制器，根据温度控制器确定的氨气流量F与氨气输送管道中的氨气流量F'之间的偏差e2控制NH3控制阀的开度；
NH3控制阀，安装在氨气输送管道中；
空气流量测量变送器，通常与空气输送管道相连，用于获取空气输送管道中空气流量；
除法器，用于根据氨气输送管道中氨气流量和空气输送管道中空气流量计算混合器中的氨空比K'；
比值控制器，通常也采用PID控制器，用于根据混合器中的氨空比K'与预设氨空比K之间的偏差e3确定变频器的频率，并通过控制电机风机机组的高压变频器来改变空气输送管道中的空气流量。
预设氨空比K可以人为预先设置一个定值，而为了更好的适应氧化炉的温度变化，本实施例设置有智能动态氨空比修正单元，该智能动态氨空比修正单元根据氧化炉实时温度与预设温度的偏差确定氨空比修正值，所述预设氨空比是由氨空比基本设定值与所述氨空比修正值所构成的动态值。
基于上述的控制系统，本例中还提供一种硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制方法，包括以下步骤：
S1：获取氧化炉实时温度T'；
S2：采用温度控制器确定氨气流量，根据氧化炉实时温度T'与预设温度T的偏差e1确定氨气流量F；
S3：获取氨气输送管道中氨气流量F'；
S4：采用流量控制器，根据步骤S2确定的氨气流量F与步骤S3所获取的氨气流量F'之间的偏差e2控制氨气输送管道中NH3控制阀的开度；
S5：获取空气输送管道中空气流量；
S6：根据氨气输送管道中氨气流量和空气输送管道中空气流量计算混合器中的氨空比K'；
S7：采用比值控制器，根据混合器中的氨空比K'与预设氨空比K之间的偏差e3确定变频器的频率，并通过控制电机风机机组的高压变频器来改变空气输送管道中的空气流量。
具体实施过程中，S7中所述预设氨空比K是由氨空比基本设定值K1与氨空比修正值Δk所构成的动态值，所述氨空比修正值Δk是由智能动态氨空比修正单元根据氧化炉实时温度T'与预设温度T的偏差e1确定的。
针对智能动态氨空比修正单元而言，可以采用模糊控制或基于神经网络原理的智能控制算法进行控制，本实施例主要介绍模糊控制器。
如图2所示为模糊控制器的结构图，由规则库、模糊化、推理机和反模糊化4个功能模块组成。模糊控制单元先将输入信息模糊化，然后经过模糊推理规则，给出模糊输出，然后经过反模糊化输出操作变量。
温度偏差e和温度偏差变化ec作为模糊控制器的输入，氨空比修正值Δk为输出；在e的论域上定义语言变量“误差E”，在ec的论域上定义语言变量“误差的变化EC”；在输出量Δk的论域上定义语言变量“输出量ΔK”。结合语言变量的语言值描述，选7个值与语言值对应。E、EC、ΔK用离散点表示论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。
语言变量确定后，根据人们习惯选择较多的词汇描述语言变量，这样可以使制定控制规则变得方便。将语言变量E、EC、ΔK用七个语言值描述：负大(NB)负中(NM)负小(NS)零(ZO)正小(PS)正中(PM)正大(PB)。选择的语言值越多，制定规则会变得灵活。但规则越细致，编写程序的难度也就增大了，占用的内存容量比较多；反之，选择语言值过少，会使控制规则简单，控制效果也就变差。
硝酸生产氧化炉的温度变化受氨空比的变化影响较大，当温度偏离设定值较大时，选择灵敏度高的隶属度函数，这样能加快响应速度，使实时温度能够更快接近稳定值；当温度差偏离设定值较小时，选择灵敏度低的隶属度函数，使温度缓慢变化接近稳定值。
模糊控制器通过引入量化因子Ke、Kec、KΔk来实现实际的连续域到有限整数离散域的转换。
模糊规则的设计直接关系到模糊控制器的控制效果。根据实际生产的经验，当e为NB且ec也为NB时，即误差为负大且有增大的趋势，实测温度高于设定值且有继续增大的趋势。为尽快消除已有的负大误差并且一直误差的变大，所以控制器输出的给定比值应该取负大，即Δk为NB。当e为ZO且ec为PS时，即误差为零且有增大的趋势，实测温度等于设定值但有继续减小的趋势，此时应该稍微增加比值，所以控制器输出的给定比值应该取正小，即Δk为PS。分析各种情况得出如下的模糊规则列表：
表1模糊控制规则
模糊推理方法采用Mamdani法，模糊推理的结果是模糊值，不能直接作为被控对象的控制量，需要通过反模糊化转换成为一个可以被执行机构所实现的精确量。反模糊化的方法很多，重心法是最为合理的方法，本文将采用重心法来反模糊化，模糊控制器通过在线数据，得出的氨空比值实时修正值Δk，则氨空比值的动态设定值K＝K1+Δk。
实施过程中，预设温度T的设定值为860℃，控制要求偏差在2％以内；氨空比基本设定值K1取10％，氨空比修正值Δk的范围是(-1％,1％)，温度控制器、流量控制器以及比值控制器均采用PID控制器，以温度控制器为例，输出的氨气流量F与温度偏差e1之间的关系为：计算其他参数的原理相同，只是针对不同计算对象，其PID参数Kp、Ki、Kd需要根据相关规则现场调试而定。
基于上述方式进行控制，先将氧化炉的实时温度与设定温度值比较，温度控制器输出需要的氨气流量，通过氨气阀门来调节进入氧化炉的氨气。为保证空气按照设定的比值输入，将氨气和空气的流量比值作为空气回路的反馈，与氨空比基本设定值K1比较，通过变频风机调节空气的输入量。
当系统受到扰动使氧化炉温度发生偏差时，改变氨空比值能够快速调节氧化炉温度，将氧化炉温度偏差作为智能动态氨空比修正单元的输入，智能动态氨空比修正单元根据温度偏差及温度偏差的变化输出氨空比的修正值Δk，氨空比修正值Δk和氨空比基本设定值K1叠加形成氨空比动态设定值K，K＝K1+Δk，氨气流量和空气流量的实时比值与氨空比动态设定值K进行比较，通过比值控制器，使空气在新的氨空比值下保持稳定，这样，炉温在动态氨空比设定值下可以保持稳定。
最后应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制系统，其特征在于包括：
温度测量变送器，用于获取氧化炉实时温度；
温度控制器，用于根据氧化炉实时温度与预设温度的偏差确定氨气流量；
NH3流量测量变送器，用于获取氨气输送管道中氨气流量；
流量控制器，根据温度控制器确定的氨气流量与氨气输送管道中的氨气流量之间的偏差控制NH3控制阀的开度；
NH3控制阀，安装在氨气输送管道中；
空气流量测量变送器，用于获取空气输送管道中空气流量；
除法器，用于根据氨气输送管道中氨气流量和空气输送管道中空气流量计算混合器中的氨空比；
比值控制器，用于根据混合器中的氨空比与预设氨空比之间的偏差确定变频器的频率，并通过控制电机风机机组的高压变频器来改变空气输送管道中的空气流量。
2.根据权利要求1所述的硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制系统，其特征在于，还设置有智能动态氨空比修正单元，该智能动态氨空比修正单元根据氧化炉实时温度与预设温度的偏差确定氨空比修正值，所述预设氨空比是由氨空比基本设定值与所述氨空比修正值所构成的动态值。
3.根据权利要求2所述的硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制系统，其特征在于，所述智能动态氨空比修正单元采用模糊控制或基于神经网络原理的智能动态氨空比修正单元。
4.根据权利要求1或2或3所述的硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制系统，其特征在于，所述温度控制器、流量控制器以及比值控制器均采用PID控制器。
5.一种硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：获取氧化炉实时温度T'；
S2：根据氧化炉实时温度T'与预设温度T的偏差e1确定氨气流量F；
S3：获取氨气输送管道中氨气流量F'；
S4：根据步骤S2确定的氨气流量F与步骤S3所获取的氨气流量F'之间的偏差e2控制氨气输送管道中NH3控制阀的开度；
S5：获取空气输送管道中空气流量；
S6：根据氨气输送管道中氨气流量和空气输送管道中空气流量计算混合器中的氨空比K'；
S7：根据混合器中的氨空比K'与预设氨空比K之间的偏差e3确定变频器的频率，并通过控制电机风机机组的高压变频器来改变空气输送管道中的空气流量。
6.根据权利要求5所述的硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制方法，其特征在于：S7中所述预设氨空比K是由氨空比基本设定值K1与氨空比修正值Δk所构成的动态值，所述氨空比修正值Δk是由智能动态氨空比修正单元根据氧化炉实时温度T'与预设温度T的偏差e1确定的。
7.根据权利要求6所述的硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制方法，其特征在于：所述智能动态氨空比修正单元采用模糊控制或基于神经网络原理的智能动态氨空比修正单元。
8.根据权利要求5、6或7所述的硝酸生产氧化炉中氨空比自动设定值控制方法，其特征在于：S2中采用温度控制器确定氨气流量；S4中采用流量控制器控制氨气输送管道中NH3控制阀的开度，S7中采用比值控制器确定变频器的频率，并通过控制电机风机机组的高压变频器来改变空气输送管道中的空气流量，所述温度控制器、流量控制器以及比值控制器均采用PID控制器。
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