用于控制氨生产系统的装置和方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN200880015804.1	申请日：	2008.03.10
公开号：	CN101679024A	公开日：	2010.03.24
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):C01B 3/02申请公布日:20100324\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):C01B 3/02申请日:20080310\|\|\|公开
IPC分类号：	C01B3/02; C01B3/52; C01C1/04	主分类号：	C01B3/02
申请人：	霍尼韦尔国际公司
发明人：	M·范维克
地址：	美国新泽西州
优先权：	2007.3.13 US 11/717,250
专利代理机构：	中国专利代理(香港)有限公司	代理人：	朱海煜;徐予红
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内容摘要

提供用于控制氨生产系统(100)的装置、方法和计算机程序。至少一个模型与可操作以生产氨的生产设备(102)关联，其中生产设备(102)包括转化炉段、二氧化碳洗涤段和氨合成反应器段。该生产设备(102)使用至少一个模型控制。至少一个模型与多个可控变量和多个可操纵变量关联。可控变量中的至少一些与转化炉段、二氧化碳洗涤段和/或氨合成反应器段关联。可操纵变量中的至少一些与转化炉段、二氧化碳洗涤段和/或氨合成反应器段关联。

权利要求书

1.  一种装置，包括：
至少一个可操作以存储至少一个模型的存储器(144)，所述至少一个模型与可操作以生产氨的生产设备(102)关联，所述生产设备(102)包括转化炉段、二氧化碳洗涤段和氨合成反应器段；以及
至少一个处理器(142)，其可操作以使用所述至少一个模型控制所述生产设备(102)；
其中所述至少一个模型与多个可控变量和多个可操纵变量关联；
其中所述可控变量中的至少一些与所述转化炉段、所述二氧化碳洗涤段和所述氨合成反应器段中的至少一个关联；以及
其中所述可操纵变量中的至少一些与所述转化炉段、所述二氧化碳洗涤段和所述氨合成反应器段中的至少一个关联。

2.  如权利要求1所述的装置，其中
所述转化炉段包括一段转化炉(116)和二段转化炉(120)；
所述可控变量中的至少一个与下列中的至少一个关联：所述二段转化炉(120)中的甲烷遗漏、可操作以影响所述转化炉段的运转的空气压缩机(110)，和所述一段转化炉(116)的一个或多个加热极限；以及
所述可操纵变量中的至少一个与下列中的至少一个关联：在所述一段转化炉(116)中的天然气给料流量、蒸汽流量或蒸汽比气体比率或蒸汽比碳氢化合物比率、在所述二段转化炉(120)中的空气流量或空气比气体比率，和所述一段转化炉(116)中的甲烷遗漏。

3.  如权利要求2所述的装置，其中所述至少一个处理器(142)可操作以完成下列中的至少一个：
保持所述二段转化炉(120)中的甲烷遗漏在指定的极限之间；
保持所述空气压缩机(110)低于运转极限；以及
保持所述一段转化炉(116)低于所述一个或多个加热极限。

4.  如权利要求1所述的装置，其中
所述可控变量中的至少一个与所述二氧化碳洗涤段(124)中的二氧化碳遗漏关联；以及
所述可操纵变量中的至少一个与所述二氧化碳洗涤段(124)中的废溶液的流速和所述废溶液的温度中的至少一个关联。

5.  如权利要求4所述的装置，其中所述至少一个处理器(142)可操作以保持所述二氧化碳洗涤段(124)中的所述二氧化碳遗漏低于最大极限。

6.  如权利要求1所述的装置，其中
所述可控变量中的至少一个与下列中的至少一个关联：在所述氨合成反应器段中的合成反应器(136)的压力，和在所述氨合成反应器段中的合成气体压缩机(134)；以及
所述可操纵变量中的至少一个与所述合成气体压缩机(134)的吸入压力关联。

7.  如权利要求6所述的装置，其中所述至少一个处理器(142)可操作以完成下列中的至少一个：
保持所述合成反应器(136)的压力低于最大极限；以及
保持所述合成气体压缩机(134)低于运转极限。

8.  一种方法包括：
存储至少一个模型，所述至少一个模型与可操作以生产氨的生产设备(102)关联，所述生产设备(102)包括转化炉段、二氧化碳洗涤段和氨合成反应器段；以及
使用所述至少一个模型控制所述生产设备(102)；
其中所述至少一个模型与多个可控变量和多个可操纵变量关联；
其中所述可控变量中的至少一些与所述转化炉段、所述二氧化碳洗涤段和所述氨合成反应器段中的至少一个关联；以及
其中所述可操纵变量中的至少一些与所述转化炉段、所述二氧化碳洗涤段和所述氨合成反应器段中的至少一个关联。

9.  如权利要求8所述的方法，其中
所述转化炉段包括一段转化炉(116)和二段转化炉(120)；
所述可控变量中的至少一个与下列中的至少一个关联：在所述二段转化炉(120)中的甲烷遗漏、可操作以影响所述转化炉段的运转的空气压缩机(110)，和所述一段转化炉(116)的一个或多个加热极限；以及
所述可操纵变量中的至少一个与下列中的至少一个关联：在所述一段转化炉(116)中的天然气给料流量、蒸汽流量或蒸汽比气体比率或蒸汽比碳氢化合物比率、在所述二段转化炉(120)中的空气流量或空气比气体比率，和在所述一段转化炉(116)中的甲烷遗漏。

10.  如权利要求8所述的方法，其中：
所述可控变量中的至少一个与在所述二氧化碳洗涤段(124)中的二氧化碳遗漏关联；以及
所述可操纵变量中的至少一个与在所述二氧化碳洗涤段(124)中的废溶液的流速和所述废溶液的温度中的至少一个关联。

11.  如权利要求8所述的方法，其中
所述可控变量中的至少一个与下列中的至少一个关联：在所述氨合成反应器段中的合成反应器(136)压力，和在所述氨合成反应器段中的合成气体压缩机(134)；以及
所述可操纵变量中的至少一个与所述合成气体压缩机(134)的吸入压力关联。

12.  一种计算机程序，其包含在计算机可读介质上并且可操作以被执行，所述计算机程序包括计算机可读程序代码以用于：
存储至少一个模型，所述至少一个模型与可操作以生产氨的生产设备(102)关联，所述生产设备(102)包括转化炉段、二氧化碳洗涤段和氨合成反应器段；以及
使用所述至少一个模型控制所述生产设备(102)；
其中所述至少一个模型与多个可控变量和多个可操纵变量关联；
其中所述可控变量中的至少一些与所述转化炉段、所述二氧化碳洗涤段和所述氨合成反应器段中的至少一个关联；以及
其中所述可操纵变量中的至少一些与所述转化炉段、所述二氧化碳洗涤段和所述氨合成反应器段中的至少一个关联。

说明书

用于控制氨生产系统的装置和方法
技术领域
本公开大体上涉及控制系统并且更加具体地涉及用于控制氨生产系统的装置和方法。
背景技术
氨生产工厂典型地包括设计成转变天然气为氨的复杂设置的设备。时常，天然气用作生产氨的原材料并且用作在生产工厂中的设备的燃料。理想地，氨生产工厂运转使得氨的产量被最大化同时天然气和能量的消耗被最小化。然而，考虑到与这些控制和优化目标关联的很多限制，常规的控制系统典型地不能满足这些控制和优化目标。
发明内容
本公开提供用于控制氨生产系统的装置和方法。
在第一实施例中，装置包括至少一个可操作以存储至少一个模型的存储器。该至少一个模型与可操作以生产氨的生产设备关联。生产设备包括转化炉段、二氧化碳洗涤段和氨合成反应器段。该装置还包括至少一个可操作以使用该至少一个模型控制生产设备的处理器。该至少一个模型与多个可控变量和多个可操纵变量关联。可控变量中的至少一些与转化炉段、二氧化碳洗涤段和氨合成反应器段中的至少一个关联。可操纵变量中的至少一些与转化炉段、二氧化碳洗涤段和氨合成反应器段中的至少一个关联。
在特定实施例中，转化炉段包括一段转化炉(primary reformer)和二段转化炉。同样，可控变量中的至少一个与下列中的至少一个关联：在二段转化炉中的甲烷遗漏(methane slip)、可操作以影响转化炉段运转的空气压缩机和一段转化炉的一个或多个加热极限。另外，可操纵变量中的至少一个与下列中的至少一个关联：在一段转化炉中的天然气给料流量、蒸汽流量或蒸汽比气体比率或蒸汽比碳氢化合物比率、在二段转化炉中的空气流量或空气比气体比率、和在一段转化炉中的甲烷遗漏。
在其他特定的实施例中，可控变量中的至少一个与在二氧化碳洗涤段中的二氧化碳遗漏关联。同样，可操纵变量中的至少一个与在二氧化碳洗涤段中的废溶液的流速和废溶液的温度中的至少一个关联。
在再其他特定的实施例中，可控变量中的至少一个与下列中的至少一个关联：在氨合成反应器段中的合成反应器的压力、和在氨合成反应器段中的合成气体压缩机。同样，可操纵变量中的至少一个与合成气体压缩机的吸入压力关联。
在第二实施例中，方法包括存储至少一个模型，其中该至少一个模型与可操作以生产氨的生产设备关联。生产设备包括转化炉段、二氧化碳洗涤段和氨合成反应器段。该方法还包括使用至少一个模型控制生产设备。该至少一个模型与多个可控变量和多个可操纵变量关联。可控变量中的至少一些与转化炉段、二氧化碳洗涤段和氨合成反应器段中的至少一个关联。可操纵变量中的至少一些与转化炉段、二氧化碳洗涤段和氨合成反应器段中的至少一个关联。
在第三实施例中，计算机程序包含在计算机可读介质上并且可操作以由处理器执行。计算机程序包括用于存储至少一个模型的计算机可读程序代码，该模型与可操作以生产氨的生产设备关联。生产设备包括转化炉段、二氧化碳洗涤段和氨合成反应器段。该计算机程序还包括用于使用至少一个模型控制生产设备的计算机可读程序代码。该至少一个模型与多个可控变量和多个可操纵变量关联。可控变量中的至少一些与转化炉段、二氧化碳洗涤段和氨合成反应器段中的至少一个关联。可操纵变量中的至少一些与转化炉段、二氧化碳洗涤段和氨合成反应器段中的至少一个关联。
其他技术特征从下列图表、说明和权利要求对于本领域内技术人员可是显而易见的。
附图说明
为了更加彻底地理解本公开，现在结合附图来参照下文说明，其中：
图1图示示例氨生产系统；
图2A至2I图示用于控制氨生产系统的示例模型；
图3A至3I图示用于控制氨生产系统的示例用户界面；
图4图示用于控制氨生产系统的示例方法。
具体实施方式
图1图示示例氨生产系统100。在图1中示出的氨生产系统100的实施例仅用于图示。可使用氨生产系统100的其他实施例而不偏离本公开的范围。
在这个示例实施例中，氨生产系统100包括用于处理通过管线104接收的天然气以生产氨的生产设备102。先进过程控制(APC)系统106控制生产设备102以增加或最大化氨的产量同时减少或最小化由生产设备102的燃料或能量(例如由生产设备102用作燃料的天然气)的使用。
如在图1中示出的，生产设备102包括用于处理天然气以生产氨的各种部件。在这个示例实施例中的生产设备102(以简化的形式示出)代表Braun净化器类型的氨生产系统。下列详情代表生产设备102在氨生产系统100中的特别实现。可以使用氨生产系统100的其他实施例。
向生产设备102提供的给料包括天然气、周围空气和水。天然气通过管线104进入。天然气的组成可在甲烷(CH₄)含量上波动，其可以被看作是密度波动。该气体通常可包含大约98％甲烷，但这可以下降到大约95％甲烷。由生产设备102在正常运转期间生产每吨氨消耗的天然气可以是大约689标准立方米(Nm³)的天然气。除其他之外，天然气可以被用作生产氨的原材料。天然气还可以被用作一个或多个燃气涡轮机108的燃料，其可以被用于驱动一个或多个空气压缩机110。天然气还可以用作一段转化炉116的一个或多个燃气燃烧器118的燃料。
在这个特定的实施例中，天然气在燃气加氢器114中去硫。天然气还与蒸汽混合以进给到一段转化炉116中。在一段转化炉116的加热的催化剂管中，甲烷与水反应以产生一氧化碳和氢气(吸热反应CH₄+H₂O<->CO+3H₂)。在一段转化炉116中的燃烧器118的燃烧空气是来自燃气涡轮机108的高温废气，其允许回收燃烧热。这里，燃气燃烧器118可包括加热催化剂管的侧燃烧器和用于产生热(用于蒸汽生产)的辅助燃烧器。
一段转化炉流出物被进给到二段转化炉120，在二段转化炉中它与压缩空气混合。在二段转化炉120中的催化剂床中，甲烷与氧气反应以产生一氧化碳和氢气(放热反应2CH₄+O₂<->2CO+4H₂)。这里使用的空气可是环境空气。
水在一个或多个热交换器112中被蒸发以产生蒸汽，一个或多个热交换器112急冷二段转化炉流出物。该蒸汽在一段转化炉116的对流段中被过热。由预加热处理给料气体、锅炉水和空气(向二段转化炉提供的)而从一段转化炉对流回收更多热。
急冷的二段转化炉流出物被送向高温变换反应器和低温变换反应器(通称为变换反应器122)。在变换反应器122中的催化剂床中，一氧化碳与水反应以产生二氧化碳和氢气(反应CO+H₂O<-->CO₂+H₂)。二氧化碳在二氧化碳洗涤柱124中移除，其中二氧化碳被吸收在含水甲基二乙醇胺(MDEA)溶液中。因为二氧化碳是用于氨合成的催化剂毒物，从洗涤柱124遗漏的任何一氧化碳和二氧化碳在甲烷化反应器126中转变为甲烷(根据放热反应CO+3H₂<-->CH₄+H₂O和CO₂+4H₂<->CH₄+2H₂O)。
水在一个或多个干燥器128中移除，并且所得的气被进给到一个或多个净化器130。在净化器130中，大多数或所有甲烷和大部分任何氖和氩微量通过与液氮接触而被洗去。净化器流出物是由氮(来自环境空气)和氢形成的合成气体。氮比氢的比率可由在净化器130中的液氮回流控制。在净化器130中移除的气体可以在一段转化炉116中用作燃料气体。
合成气体由合成气体压缩机134压缩，合成气体压缩机134由在单个轴上的多个蒸汽涡轮机132驱动。在两个合成反应器136中，合成气体在催化剂床上被转变为氨(根据反应N₂+3H₂<->2NH₃)。合成反应器氨流出物被锅炉水冷却，产生高压蒸汽。反应器流出物可以进一步被过程流物冷却以回收热，并且氨在氨压缩机140驱动的氨制冷系统138中被冷凝。剩余的气体再循环到合成气体压缩机134。小的吹扫流可以用于防止并且控制例如氩等的惰性气体的积累。这个吹扫气体可以被送回净化器给料使得没有损耗氢。这意味着例如氩等的惰性气体的唯一出去的路线是通过净化器废气到一段转化炉燃料气体。净化器废气的甲烷含量可以通过注入小流量的新鲜天然气来控制。
过热的高压蒸汽驱动蒸汽涡轮机132，其驱动合成气体压缩机134。在特定实施例中，一个蒸汽涡轮机(HD1表示)可以减小蒸汽压力到中压并且控制这个压力，其中中压蒸汽与生产设备102一起使用。另一个蒸汽涡轮机(HD2表示)可以减小压力到低压并且输送该蒸汽到低压蒸汽集汽管(header)，并且这个涡轮机可以控制高压蒸汽压力。合成气体压缩机134的速度可由相同轴上采用来自低压蒸汽集汽管的蒸汽供给的第三涡轮机(ND表示)控制。第三涡轮机的背压可由蒸汽冷凝器控制。中压蒸汽在一段转化炉116中用作反应物，并且过剩蒸汽被输送到低压集汽管。
如上文指出的，APC系统106可控制生产设备102以增加或最大化氨的产量同时减少或最小化由生产设备102的燃料或能量的使用。APC系统106可以例如通过减小关键控制参数的变化性和设置适当的控制目标使其更接近它们的极限而增加或最大化氨产量。这可以采用最大化生产量同时考虑系统100的规格和生产的产品(氨)的规格的内建优化器完成。APC系统106可以通过优化受到某些约束的任何剩余的自由度而减少或最小化天然气或能量消耗。剩余自由度的优化可使用最大化工厂利润的经济目标函数完成。在特定的实施例中，APC系统106控制一段转化炉116、二段转化炉120、洗涤柱124和合成反应器136以增加或最大化氨产量并且减少或最小化天然气或能量消耗。
APC系统106代表任何用于控制生产设备102的硬件、软件、固件或其的组合。APC系统106可以例如包括一个或多个处理器142和一个或多个存储由处理器142使用或生成的数据和指令(例如系统100的模型)的存储器144。作为特定的示例，APC系统106可以代表使用支持多变量预估约束和优化控制的鲁棒多变量预估控制技术(RMPCT)实现的控制器，其可以实现为软件包146。软件包146可以例如在来自HONEYWELL INTERNATIONAL INC.的TPS APPNODE上以十五秒的频率在WINDOWS 2000操作系统中执行。APC系统106可以包括用于控制生产设备102的不同方面的各种控制器。
接着是关于由APC系统106提供的操作和控制的附加详情。这些详情仅代表APC系统106的可能的实现。它们被简单地提供作为APC系统106怎样可以控制生产设备102的示例。
一般而言，系统100与各种“过程变量”关联，各种“过程变量”代表系统100的各种方面(例如流速、压力或容量等)。APC系统106可通过尝试保持“可控的”的过程变量在或接近期望值或在期望的运转范围内而运转。APC系统106通过改动一个或多个“可操纵的”过程变量(例如阀的开口或涡轮机的速度等)而尝试保持可控变量。“干扰”变量代表影响可控变量的过程变量，其中当改动可操纵的变量时干扰变量可以由APC系统106考虑但通常干扰变量不可以由APC系统106控制(例如环境温度等)。通过控制某些可控变量，APC系统106可减小可控变量的变化性并且设置可控变量更接近它们的极限，从而增加或最大化氨产量。
为了减少或最小化天然气或能量消耗，APC系统106可以用最大化工厂利润的线性规划(LP)经济学或二次规划(QP)经济学配置。这两个不同的经济优化方法使用最小化策略，并且二次优化还可以使用理想安静值(或期望的稳定状态值)。目标函数的一般形式可以是：最小化J=Σibi×CVi+Σiai2(CVi-CV0i)2+Σjbj×MVj+Σjaj2(MVj-MV0j)2,]]>其中：
b_i代表第i个可控变量的线性系数；
b_j代表第j个可操纵变量的线性系数；
a_i代表第i个可控变量的二次系数；
a_j代表第j个可操纵变量的二次系数；
CV_i代表第i个可控变量的实际安静值；
CV_0i代表第i个可控变量的期望安静值；
MV_j代表第j个可操纵变量的实际安静值；以及
MV_0j代表第j个可操纵变量的期望安静值。
如这里示出的，优化可涉及大量过程变量，其每个能够被包含进入线性或二次优化目标。APC系统106可以使用这个优化来优化可控变量(一旦氨产量被增加或最大化)以减少燃料/能量消耗。
这些代表关于APC系统106怎样可以增加或最大化氨产量并且减少或最小化燃料/能量消耗的一般方法。下列代表这些操作怎样可以由APC系统106执行的附加详情。再次，这些详情仅描述示例操作。在下列论述中，描述生产设备102的各种操作，接着是关于某些过程变量怎样可以由APC系统106控制的说明。
在一段转化炉116的对流段中，水可被喷洒到过热蒸汽中以控制温度在大约450℃。主控制器可控制蒸汽温度，并且水注入流控制器可起从动装置的作用。如果更多的燃料气体被送入在一段转化炉116中的辅助燃气燃烧器118，蒸汽温度控制器可注入更多的水以保持温度，其产生更高压的蒸汽。
向二段转化炉120的空气流量可由操纵燃气涡轮机速度控制器设定点的空气流量控制器测量和控制。空气/气体比率控制器可以用于向空气流量控制器发送设定点。类似地，蒸汽/气体比率控制器可操纵蒸汽到一段转化炉流量控制器设定点。
为了最大化氨产量，APC系统106可支持单个鲁棒多变量预估控制(RMPCT)策略。APC系统106可同时解决全部控制问题并且可以十五秒的频率执行。
APC系统106的设计可以如下。由APC系统106使用的可控变量在表格1中列出。“关键”栏指示在APC系统106中设置为关键的可控变量。

可控变量名称关键的 CH₄遗漏二段转化炉(过程变量) CV1 CO₂遗漏处理气体(过程变量) CV2 计算的变量：进口导向叶片燃气涡轮机&排气温度燃气涡轮机差(压缩机极限) CV3 压力安全阀(过程变量) CV4 C Delta压力空气组合(过程变量) CV5 烟道气闸(一段转化炉加热极限)(输出变量) CV6 C HP蒸汽急冷阀位置(高的选择)(一段转化炉加热极限) (输出变量) CV7 ND涡轮机阀位置(合成气体压缩机极限) CV8 C HD2涡轮机阀位置(合成气体压缩机极限) CV9 C 合成反应器压力(过程变量) CV10 C 天然气流量控制器输出(输出变量) CV11 蒸汽流量控制器输出(输出变量) CV12 空气流量控制器输出(输出变量) CV13 CO₂洗涤底层控制器输出(输出变量) CV14

表格1
这些可控变量中的每个可以具有验证极限，例如当每个可控变量对高值、低值、变化率和冻结值验证时。表格2示出下列可控变量中的每个：绝对高的和低的极限、变化率极限、冻结容限和时间。可控变量可标为坏的(如果它的极限中的一个被超出)。同样，如果可控变量在冻结时间窗口期间变化少于冻结容限，它可代表冻结值并且可标为坏的。
名称说明高低 ROC/ exec 冻结容差冻结分钟 CV1 CH₄遗漏二段转化炉 2 1 0.25 0.0001 5 CV2 CO₂遗漏处理气体 2000 -1 2000 - - CV3 进口导向叶片燃气涡轮机& 排气温度燃气涡轮机差 100 -1 5 0.001 5 CV4 压力安全阀 32 20 10 0.0005 5 CV5 Delta压力空气组合 2.5 0.25 2.5 0.0005 5 CV10 合成反应器压力 210 100 100 0.0001 5 CV8 ND涡轮机阀位置 280 0 280 0 5 CV9 HD2涡轮机阀位置 280 0 280 0 5

表格2
这里，ROC/exec指每执行的变化率。为了确定ROC/minute(每分钟的变化率)，将在表格2中的值乘以四(因为执行时间是15秒)。同样，CO₂遗漏可不具有冻结探测，因为它可以长时间段地被“冻结”在零而没有任何关联的仪器故障。
由APC系统106使用以控制这些可控变量的可操纵变量在表格3中列出。在这个示例中，没有可操纵变量在APC系统106中被设置为关键的，尽管可操纵变量中的各个可以是关键的。
可操纵变量名称天然气给料流速 MV1 一段转化炉蒸汽比气体比率或蒸汽比碳氢化合物(S/H) 摩尔比率 MV2

二段转化炉空气比气体(A/G)标准体积比率 MV3 一段转化炉甲烷遗漏 MV4 向辅助燃烧器的燃料气体流速 MV5 向洗涤柱的废溶液流速 MV6 半废溶液流速 MV7 向洗涤柱的废溶液的温度 MV8 合成气体压缩机吸入压力 MV9

表格3
在可控变量的控制期间被APC系统106看作干扰变量的过程变量在表格4中列出。
干扰变量名称环境温度 DV1 天然气组成 DV2 废溶液PV温度 DV3

表格4
废溶液PV温度可以是外部干扰的代表，例如环境温度或洒水冷却器。环境温度它自己可以被用于在燃气涡轮机108上的空气温度-密度效应的前馈。它可以是或可以不是有用的以使用天然气组合物作为前馈，并且如果期望的话这个干扰变量可以被包括其中以供使用。
通过使用这些可操纵变量和干扰变量控制可控变量，APC系统106可在系统100中更加有效地管理生产设备102，帮助增加或最大化系统100中的氨产量。例如，APC系统106可使用关联指定的可控变量与指定的可操纵或干扰变量的各种模型以控制生产设备102。
如上文指出的，APC系统106可减小关键控制参数的变化性和设置适当的控制目标使其更接近它们的极限，同时通过优化受到某些约束的任何剩余的自由度而减少或最小化燃料/能量消耗。这可采用在APC系统106中的内建优化器完成。表格5标识在最小化目标函数中可具有不等于零的线性规划(LP)系数的变量。
变量名称 LP系数目标 MV：天然气流量 MV1 -20 最大化 CV：CO₂遗漏 CV2 0.1 最小化 MV：废溶液 MV6 -0.1 最大化

表格5
CO₂遗漏变量可具有两个约束之间的值(例如150-300ppm)。同样，尽管示为最大化天然气流量和废溶液，这也可导致小的能量节省。类似地，表格6标识在最小化目标函数中可具有不等于零的二次规划(QP)系数的并且可以被优化到示例期望值的变量。
变量名称 QP系数期望值 CV：二段转化炉甲烷遗漏 CV1 0.1 1.5 MV：合成气体压缩机吸入压力 MV9 0.01 22.2

表格6
通过用这个信息最小化上文示出的目标函数，APC系统106可在系统100中更加有效地管理生产设备102，帮助减少或最小化系统100中的燃料/能量消耗。
在一些实施例中，APC系统106可使用MV1-MV4控制CV1、CV3、CV6和CV7。APC系统106可使用下列控制目标运转：保持CV1在指定的极限之间，保持CV3低于压缩机的运转极限，并且保持CV6和CV7低于它们的加热极限。一旦这些控制目标被完成，下列优化目标可以被实现：最大化在工厂的所有段中受到限制的工厂生产量，保持CV1处于最优目标以最小化天然气消耗，并且保持MV4尽可能接近最优目标以最小化天然气消耗。
类似地，APC系统106可使用MV6和可选地MV8控制CV2。APC系统106可使用下列控制目标运转：保持CV2低于它的最大极限。一旦这个控制目标被完成，下列优化目标可以被实现：最小化CV2到下限，并且最小化受到CV2限制的MV6以节能。
另外，APC系统106可使用MV9控制CV8-CV10。APC系统106可使用下列控制目标运转：保持CV10低于它的最大极限，并且保持CV8和CV9低于它们的运转极限。一旦这些控制目标被完成，下列优化目标可以被实现：保持MV9尽可能接近最优目标。
如上文指出的，在生产设备102的控制期间可以使用计算的变量。例如，CV3的值可以计算如下：CV3＝-2.1*燃气涡轮机进口导向叶片位置+燃气涡轮机排气温度差+172.3。
使用上文在各种表格中限定的可控的、可操纵的和干扰变量，氨生产系统100的模型可以被建立。这些模型可以例如使用涉及各种生产设备102的分步测试数据而产生。表格7标识可控的、可操纵的和干扰变量中的各个之间的示例模型关系。在表格7中，“+”表项指示正增益，“-”表项指示负增益，并且空白表项指示没有模型(没
MV/DV CV MV1 MV2 MV3 MV4 MV5 MV6 MV7 MV8 MV9 DV1 DV2 DV3 CV1 - - + CV2 + + - - + + CV3 - - - CV4 + + + CV5 + + - + CV6 + + + CV7 + - - + + CV8 + - - - CV9 + - + - + CV10 + + + CV11 + + + CV12 + + + CV13 + + + + CV14 + +

表格7
有关系)被使用。
限定可控的、可操纵的和干扰变量中的各个之间的示例关系的实际模型在图2A至2I中示出。在这些图中，空白表项代表无转移函数，意味在APC系统106中没有模型使用。使用在图2A至2I中示出的意味在APC系统106中没有模型使用。使用在图2A至2I中示出的模型，APC系统106可以有效地增加或最大化氨产量同时减少或最小化燃料/能量消耗。例如，在图2A至2I中示出的模型可允许APC系统106确定如何对可操纵变量做出调节以帮助可控变量达到期望的运转值或范围同时减小变化性并且设置可控变量的目标更接近它们的极限。
图3A至3I图示可以由APC系统106使用或支持的示例用户界面300。用户界面300可例如允许用户调谐APC系统106或执行各种其他的功能。在这个示例中，用户界面300包括控制按钮302，其允许用户调用各种关系到APC系统106的高级功能。在这个示例中，控制按钮302允许用户将APC系统106置于开、关或预热(warm)状态。控制按钮302还允许用户查看应用程序菜单、设置各种高级选项和查看状态消息或报告。
当APC系统106使用适当的控制按钮302激活时，功能按钮304可以用于由用户调用特定的功能或向用户显示特定的信息。该信息可以例如在用户界面300的显示区域306中显示。如在图3A中示出的，“CV优化”按钮304的选择允许用户查看和配置优化器，因为它关系到可控变量。对于每个可控变量，显示区域306包括数字标引和标签名称。显示区域306还包括LP和QP系数值和期望的QP系数值，其可以用于设置可控变量的适当的经济目标。显示区域306还包括代表优化软极限的delta软下值和上值和代表可控变量可以超过它的软极限多远以允许优化的误差容限。用户可以检查与可控变量关联的数据并且对这个数据做出如期望的修改。
如在图3B中示出的，“MV优化”按钮304的选择允许用户查看和配置优化器，因为它关系到可操纵变量。对于每个可操纵变量，显示区域306包括数字标引、标签名称、LP和QP系数值、期望的QP系数值和delta软下值和上值。用户可以检查与可操纵变量关联的数据并且对这个数据做出如期望的修改。
如在图3C中示出的，“CV控制”按钮304的选择允许用户查看和做出调谐变化用于控制可控变量。对于每个可控变量，显示区域306包括数字标引和标签名称。性能比标识控制器将可控变量推回它的设定点或远离极限违反有多困难。闭环响应间隔标识用于将可控变量推回它的设定点或远离极限违反的响应时间。低的和高的“EU放弃(Give Up)”值标识可控变量的优先级，当APC系统106不能保持所有可控变量在它们的设定点或远离它们的极限时可以使用该优先级。数据块(block)的数量标识在闭环响应间隔期间APC系统106对可控变量做出预测的次数。前馈(FF)比反馈(FB)的性能比标识APC系统106抵制干扰变量干扰有多激烈。状态估计用于控制爬坡速率(ramp rate)和偏移的矫正。
如在图3D中示出的，“MV控制”按钮304的选择允许用户查看和做出调谐变化用于控制可操纵变量。对于每个可操纵变量，显示区域306包括数字标引和标签名称。数据块的数量标识在一段时间期间APC系统106计算可操纵变量的移动的次数。最大下移和上移值代表在每个执行时可以对可操纵变量做出的最大变化。权重代表与相对于其他可操纵变量移动一个可操纵变量关联的处罚。预测回(PB)或设定点追踪(SPTR)比率标识APC系统106调节设定点以寻址可操纵变量终结(windup)有多快。
如在图3E中示出的，“CV过程”按钮304的选择允许用户查看和对可控变量做出变化。对于每个可控变量，显示区域306包括数字标引、标签名称，和爬坡下限和爬坡上限，其控制活动极限爬坡或变化以满足新的值有多快。坏的读取值的数量标识对于可控变量是可接受的坏值的数量。PV值补偿比率标识可以从输入信号扣除的矫正信号的量，其在可控变量自然地波动的情况下是有用的。Track极限值可以用于防止当可控变量被初始化时APC系统106对可操纵变量做出变化。关键值指示可控变量是否是关键的，并且更新频率指示可控变量是否每执行时更新至少一次。
如在图3F中示出的，“MV过程”按钮304的选择允许用户查看和对可操纵变量做出变化。对于每个可操纵变量，显示区域306包括数字标引、标签名称，爬坡下限和爬坡上限和关键值。Track极限值控制当在初始化期间可操纵变量在它的极限之外时APC系统106是否尝试移动可操纵变量。手动值指示当可操纵变量对于控制是不可用时可操纵变量是否下降或用作前馈值。
如在图3G中示出的，“CV高级调谐”按钮304的选择允许用户查看和做出高级调谐变化用于控制可控变量。对于每个可控变量，显示区域306包括数字标引、标签名称和闭环响应间隔。如果可控变量涉及积分器的使用，积分器平衡因数可以被指定，并且当不可行性出现时保持积分器值设置该行为。平衡目标标识用于在间隔中优化的稳态水平线。漏斗类型标识用于控制动态漂移的漏斗形状，并且去耦合比率值可以与某些漏斗类型结合使用。
如在图3H中示出的，“控制器详情”按钮302的选择向用户呈现关于APC系统106(控制器)的总体信息。这可以包括与由APC系统106使用以控制生产设备102的模型关联的信息。它还可以包括关于与模型和控制器的当前性能关联的变量的高级信息。
如在图3I中示出的，可以提供工具包以支持上文描述的RMPCT功能性。RMPCT工具包可以例如在相同的APP NODE上采用来自HONEYWELL INTERNATIONAL INC.的PROFIT CONTROLLER软件实现和配置。工具包可包含各种功能，例如用于如上文关于表格2描述的可控变量验证目的的功能等。ROC/exec、冻结容限和冻结分钟可以在这里被配置。这些功能在这个示例中用AsynCV01至ASynCV10(异步可控变量验证)表示。
由工具包支持的其他功能可以包括用于自动化涉及下降或用作前馈值(当可操纵变量如上文描述的对于控制是不可用时)的可操纵变量的动作的功能。这些功能在这个示例中用FF_OFF_MAN1至FF_OFF_MAN9表示。这些功能的一些特别示例如下。假设APC系统106是开的，其中一些可操纵变量设置到OPR(操作的手动模式)并且状态设置到FFWD(前馈)，并且这些可操纵变量的下行控制器处于AUTO(自动)模式。
-如果操作者改变下行控制器(对于特定的可操纵变量)的模式从自动到手动，工具包设置那个特定的可操纵变量的前馈标志到关。这意味控制器不使用这个可操纵变量(可操纵变量具有SERV的状态，意味已经失去通信)。
-如果操作者将下行控制器(对于特定的可操纵变量)从手动模式带回自动模式，那个可操纵变量的前馈标志被设置到开，并且控制器使用这个可操纵变量(它的状态是FFWD)。
-对于实现比率控制器的可操纵变量(例如MV2&MV3)，如果属于相同的可操纵变量的两个下面的下行控制器中的任一个被从自动模式带到手动模式，上文的推理持续有效，反之亦然。
-对于上文备选的是，默认行为对可操纵变量可具有相等的FFWD状态而不管下行控制器是处于自动或是手动模式。
附加操作也可以出现在APC系统106中。例如，如果可操纵变量的下行控制器的模式从级联变到自动，APC系统106可关闭它自己作为默认行为。同样，APC系统106可向LCN消息摘要和日志以及向RMPCT日志摘要发送消息。另外，管理员权限可以在APC系统106中推行，例如当仅“管理员”可以改变权限或访问“选项”按钮302时。示例访问权限可以对于操作者和工程师限定如下：
SS初始化的RMPCT预热按钮              OPER1
CV和MV操作者极限爬坡速率             ENGR
CV和MV期望的OPT目标值                ENGR
MV前馈/服务开关                      ENGR
CV工程高/低的难度极限                ENGR
MV工程高/低的难度极限                ENGR
在特定的实施例中，APC系统106可以使用来自HONEYWELLINTERNATIONAL INC.的PROFIT CONTROLLER在运行WINDOWS2000的APP NODE上实现。为显示APC信息，可以在控制室中的GUS STATIONS上使用PROFIT VIEWER，或可以使用标准PROFITCONTROLLER原生窗口显示。PROFIT VIEWER也可以在成为适当的TPS域的一部分的标准计算装置上使用。安装有PROFIT VIEWER的计算机可以使用OPC与APP NODE通信。
尽管图1图示氨生产系统100的一个示例，可以对图1做出各种改变。例如，其他或附加生产设备102可以以任何适合的配置或设置使用以生产氨。尽管2A至2I图示用于控制氨生产系统的示例模型，任何其他或附加的模型可以使用以控制在氨生产系统100或其他系统中的生产设备。尽管3A至3I图示用于控制氨生产系统的用户界面的示例，可以使用任何其他的或附加的用户界面。同样，在3A至3I中示出的用户界面300的设置和内容仅用于图示。
图4图示用于控制氨生产系统的示例方法400。在图4中示出的方法400的实施例仅用于图示。可以使用方法400的其他实施例而不偏离本公开的范围。同样，为了容易说明，方法400关于控制氨生产系统100的APC系统106描述。方法400可以由任何装置或系统使用以控制任何适合的氨生产系统。
氨工厂的运转数据在步骤402被分析。这可以包括例如APC系统106接收标识某些可控的、可操纵的和干扰变量在氨生产系统100的正常运转期间如何表现的数据。这还可以包括APC系统106接收与氨生产系统100的测试关联的分步测试数据。数据可以存储在数据库或其他储存库中。
氨工厂的模型在步骤404产生。这可以包括例如基于在步骤402收集的数据对之前的模型做出调节。这还可以包括基于在步骤402收集的数据产生新的模型。
对氨工厂的运转的调节在步骤406做出。这可以包括例如APC系统106使用新的模型调节生产设备102。作为特定的示例，模型可以用于使用MV1-MV4控制CV1、CV3、CV6和CV7，使用MV6和可选地MV8控制CV2，和使用MV9控制CV8-CV10。
一个或多个控制目标和优化目标在步骤408实现。这可以包括例如使用指定的多个MV控制指定的多个CV同时考虑某些控制目标和优化目标。除其他之外，这些目标可帮助增加在氨生产系统100中的氨产量同时减少在氨生产系统100中的燃料/能量消耗。
尽管图4图示用于控制氨生产系统的方法400的一个示例，可对图4做出各种改变。例如，尽管示为一系列步骤，在图4中各种步骤可以重叠。同样，在图4中的各种步骤可以重复，例如当步骤406-408按例程执行并且步骤402-404以较长间隔重复时。另外，步骤402-404可以由一个装置执行以产生或修改系统100的模型，并且步骤406-408可以由另一个装置(例如控制器等)使用系统100的模型执行。
在一些实施例中，上文描述的各种功能由计算机程序实现或支持，计算机程序由计算机可读程序代码形成并且包含在计算机可读介质中。短语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。短语“计算机可读介质”包括任何类型的能够由计算机访问的介质，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、压缩盘(CD)、数字视频盘(DVD)或任何其他类型的存储器。
阐释本专利文件中通篇使用的某些单词和短语的定义可以是有利的。术语“耦合”和它的派生物指两个或多个元件之间的任何直接或间接通信，不管那些元件是否彼此物理接触。术语“应用程序”和“程序”指一个或多个计算机程序、软件组件、指令集、规程、函数、对象、类、实例、相关数据或其的适合以合适的计算机代码(包括源代码、目标代码或可执行代码)中实现的一部分。术语“发送”、“接收”和“通信”以及其的派生物包括直接和间接通信。术语“包括”和“包含”以及其的派生物意思是包括而没有限制。术语“或”是包括的，意思是和/或。短语“与...关联的”和“与其关联的”以及其的派生物可意思是包括、被包括在内、与互相连接、包含、被包含在内、连接到或与连接、耦合到或与耦合、可与通信、与合作、交错、并列、接近于、束缚于或与...束缚、具有、具有性质或其类似的。术语“控制器”意思是任何装置、系统，或控制至少一个操作的它的部分。控制器可以硬件、固件、软件或其的至少两个的某个组合实现。与任何特定的控制器关联的功能性可是集中的或分布的，不管本地地或远程地。
尽管本公开已经描述某些实施例和通常关联的方法，这些实施例和方法的改动和置换将对本领域内那些技术人员是明显的。因此，示例实施例的以上说明不限定或约束本公开。其他的改变、替换或改动也是可能的而不偏离本公开的精神和范围(如由下列权利要求限定的)。