高氨氮廢水的不合理排放是河流和海洋水體富營養(yǎng)化的最主要原因之一，其去除工藝已經(jīng)越來越受到行業(yè)重視［1－ 3］。處理高氨氮含量的廢水耗費(fèi)企業(yè)大量環(huán)保成本，因此若能對該工段的操作進(jìn)行優(yōu)化并加以控制，則能降低廢水處理的成本［4］。李國忠［5］對某煤化工企業(yè)蒸氨塔進(jìn)行機(jī)理建模，尋找到進(jìn)水量不同時(shí)最佳的蒸汽消耗。王劍舟［6］ 利用 Aspen Plus 對蒸氨塔進(jìn)行模擬計(jì)算，并對塔板數(shù)、進(jìn)料位置、回流比與進(jìn)料熱狀態(tài)分析比較，發(fā)現(xiàn)進(jìn)料位置靠近塔下端有利。沈連峰等［7］認(rèn)為在實(shí)際操作中，不加堿工藝更為經(jīng)濟(jì)。
本文中主要針對蒸氨塔單元過程的操作進(jìn)行優(yōu)化和控制研究，重點(diǎn)在實(shí)時(shí)優(yōu)化軟件與控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以達(dá)到效益更高且方案可執(zhí)行的目的。目前針對蒸氨塔的研究主要集中單變量，并未有更為深
入的多工況優(yōu)化算法及動(dòng)態(tài)控制，而通過計(jì)算機(jī)應(yīng)用優(yōu)化算法［8－ 10］，可快速在多變量中尋找到最優(yōu)工況及其操作方案，動(dòng)態(tài)控制則能輔助操作人員將優(yōu)化方案應(yīng)用到裝置中去。Aspen Plus、MATLAB、 Aspen Plus Dynamics 等軟件平臺［11－ 13］為優(yōu)化計(jì)算和實(shí)施提供了可能。
1 穩(wěn)態(tài)模擬
1. 1 蒸氨塔單元工藝流程簡述
蒸氨塔的基本操作流程為: 廢氨水經(jīng)預(yù)熱器加熱，補(bǔ)充適量堿液后通過泵打入蒸氨塔，在蒸氨塔中揮發(fā)氨隨著塔板上升在塔頂增濃，同時(shí)塔底廢水中的揮發(fā)氨逐步減少。塔頂冷凝系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高濃度氨水的外送和回流，塔底再沸器則為提餾段的氣液交換提供了上升氣相，同時(shí)排出一部分處理合格的低濃度廢水，送往后續(xù)工段繼續(xù)處理。
1. 2 穩(wěn)態(tài)模型
蒸氨塔的穩(wěn)態(tài)模擬是系統(tǒng)的核心，是模型參數(shù)在線修正和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型的基礎(chǔ)。在本文中，采用Aspen Plus 建立的機(jī)理模型作為優(yōu)化軟件的求解器，以某企業(yè)每小時(shí)處理量 100 t 的蒸氨塔的真實(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了符合裝置實(shí)際的機(jī)理模型。流程如圖 1 所示
蒸氨塔模型中的進(jìn)料數(shù)據(jù)和塔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)完全依據(jù)實(shí)測值和實(shí)際塔體進(jìn)行建立，對比如表 1 和表 2所示。模型中的流程工藝數(shù)據(jù)為機(jī)理模型根據(jù)真實(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算而來，表 3 中可以看出，機(jī)理模型與實(shí)際的相對誤差基本小于 1%，表示模型可以代表裝置的基本運(yùn)行機(jī)理，在該模型上進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算可預(yù)測裝置的優(yōu)化操作。
1. 3 工藝優(yōu)化分析
對于上述已經(jīng)建立好的機(jī)理模型，進(jìn)行多變量分析。通過流程分析和與車間技術(shù)人員溝通，發(fā)現(xiàn)回流比和采出量是影響產(chǎn)品質(zhì)量和收率的關(guān)鍵變
量，因此對不同回流比下采出/ 進(jìn)料比值對裝置產(chǎn)品質(zhì)量和能耗的影響進(jìn)行分析。
1. 3. 1 采出/ 進(jìn)料摩爾比與塔頂液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系
不同回流比下，塔頂液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨采出/ 進(jìn)料
摩爾比的增大而增大，且回流比越大，塔頂液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大。
1. 3. 2 采出/ 進(jìn)料摩爾比與塔頂冷凝負(fù)荷的關(guān)系
不同回流比下，塔頂冷凝負(fù)荷隨采出/ 進(jìn)料摩爾比的增大而增大，且回流比越大，塔頂冷凝負(fù)荷越大。
1. 3. 3 采出/ 進(jìn)料摩爾比與塔底熱負(fù)荷的關(guān)系
不同回流比下，塔底熱負(fù)荷隨采出/ 進(jìn)料摩爾比的增大而增大，且回流比越大，塔底熱負(fù)荷越大。
1. 3. 4 采出/ 進(jìn)料摩爾比與塔底廢水中氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系
不同回流比下，塔底廢水中氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨采出/進(jìn)料摩爾比的增大而減小，且回流比越大，塔底廢水中氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小。
根據(jù)以上分析，可以看出在回流比一定時(shí)，出量增大，塔頂液氨產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增后減，這是因?yàn)樵诓沙隽勘容^小的階段時(shí)，增加采出量能使輕組分更好地抽出，而過了一定的量后輕組分會被后續(xù)的重組分稀釋，造成純度下降。另外，隨著采出量增
加，冷凝負(fù)荷逐漸增大( 冷凝負(fù)荷為負(fù)值) ，塔底熱負(fù)荷逐漸增大，塔底廢水中氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小。
而在相同的采出量下，回流比越大，塔頂液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高、冷凝負(fù)荷越大，塔底熱負(fù)荷越大，廢水氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小。可見在該裝置中，產(chǎn)品質(zhì)量的提升需增加部分能耗。
2 實(shí)時(shí)優(yōu)化軟件的開發(fā)
2. 1 實(shí)時(shí)優(yōu)化功能
對于蒸氨塔而言，優(yōu)化即保證最大的液氨采出量，且液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)合格，同時(shí)也能達(dá)到廢水中氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小。該優(yōu)化軟件在運(yùn)行時(shí)會實(shí)時(shí)讀取與裝置相關(guān)的進(jìn)料、產(chǎn)品、公用工程的價(jià)格等，然后由優(yōu)化模型尋優(yōu)求解出最優(yōu)解，并將優(yōu)化方案傳遞給操作人員，最終實(shí)現(xiàn)蒸氨塔系統(tǒng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化。
2. 2 優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
優(yōu)化軟件及系統(tǒng)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和控制系統(tǒng)是直接關(guān)聯(lián)的，上層直接接到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，從中讀取來自裝置的生產(chǎn)操作數(shù)據(jù)，形成完整的閉環(huán)。系統(tǒng)執(zhí)行順序如下。
( 1) 讀取 DCS 數(shù)據(jù)和原料分析數(shù)據(jù)并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中。
( 2) 優(yōu)化軟件讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)建立機(jī)理模型，使蒸氨塔機(jī)理模型與實(shí)際讀取的各數(shù)據(jù)之差的平方和最小。
( 3) 獲取當(dāng)前產(chǎn)品和公用工程的價(jià)格，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的操作方案。
max 利潤= 塔頂產(chǎn)品流量× 對應(yīng)純度下塔頂產(chǎn)品價(jià)格－ 塔底產(chǎn)品流量× 對應(yīng)純度下塔底廢水處理費(fèi)用－ 冷卻水和蒸汽費(fèi)用－ 原料流量× 原料折算價(jià)格。
( 4) 在裝置處理能力范圍內(nèi)，求得目標(biāo)函數(shù)的最大值，并顯示出可執(zhí)行的工藝方案。
2. 3 優(yōu)化方案的實(shí)現(xiàn)
優(yōu)化方案從具體實(shí)施到裝置產(chǎn)生效果，還需要技術(shù)人員或其他控制程序結(jié)合自身操作經(jīng)驗(yàn)和方案提供的各變量調(diào)整方向，將裝置調(diào)整至最優(yōu)狀態(tài)。
蒸氨塔在線優(yōu)化控制的目標(biāo)是塔底液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)標(biāo)的前提下，再沸器熱負(fù)荷最小，產(chǎn)品采出量最大，即經(jīng)濟(jì)效益最佳�？刂葡到y(tǒng)是在線優(yōu)化系統(tǒng)的下層，在系統(tǒng)中的作用是通過接收來自優(yōu)化系統(tǒng)的操作變量和被控變量優(yōu)化值，從而控制裝置以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。
2. 4 優(yōu)化系統(tǒng)及結(jié)果討論
本文中基于 MATLAB 開發(fā)了一套可用于蒸氨塔的優(yōu)化系統(tǒng)，程序的打開界面如圖 2 所示。該系統(tǒng)程序自動(dòng)與 DCS 和 LIMS 數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)鏈接，操作人員只需點(diǎn)擊優(yōu)化計(jì)算按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算出當(dāng)前工況下的優(yōu)化操作方案。蒸氨塔在線優(yōu)化控制的目標(biāo)是塔底液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)標(biāo)的前提下，再沸器熱負(fù)荷最小，產(chǎn)品采出量最大，即經(jīng)濟(jì)效益最佳�？刂葡到y(tǒng)是在線優(yōu)化系統(tǒng)的下層，在系統(tǒng)中的作用是通過接收來自優(yōu)化系統(tǒng)的操作變量和被控變量優(yōu)化值，從而控制裝置以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。
2. 4 優(yōu)化系統(tǒng)及結(jié)果討論
本文中基于 MATLAB 開發(fā)了一套可用于蒸氨塔的優(yōu)化系統(tǒng)，程序的打開界面如圖 2 所示。該系統(tǒng)程序自動(dòng)與 DCS 和 LIMS 數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)鏈接，操作人員只需點(diǎn)擊優(yōu)化計(jì)算按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算出當(dāng)前工況下的優(yōu)化操作方案。
為測試優(yōu)化軟件的優(yōu)化功能，分別以本文中采集到的該企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化計(jì)算完畢后方案展示在界面中如圖 3 所示。對于當(dāng)前工況，系統(tǒng)計(jì)算出需將塔頂溫降低 2℃ ，將回流溫度降低 2℃ ，將回流量降低 1. 1 t / h，再沸器蒸汽量提高 1. 1 t / h，能在產(chǎn)品合格前提下增加液氨產(chǎn)量1 t / h。
在實(shí)際生產(chǎn)中，操作人員應(yīng)對進(jìn)料組成和流量的變化時(shí)，往往需要根據(jù)分析結(jié)果在 8 h 左右的時(shí)間將裝置控到產(chǎn)品合格的水平上，而在優(yōu)化軟件的輔助下，1 h 左右即可達(dá)到目標(biāo)。
2. 5 優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)效益
以目前該企業(yè)裝置平均進(jìn)料量 100 t / h 計(jì)算，全年有 20% 左右工況與本文中工況類似，存在較大的優(yōu)化空間，操作人員在優(yōu)化軟件的輔助下操作裝置，全年平均每小時(shí)能增產(chǎn) 0. 2 t 的液氨，同時(shí)增加 1 t / h 的蒸汽消耗和其他能耗，以當(dāng)前液氨價(jià)格 3 500 元/ t 計(jì)，該項(xiàng)技術(shù)每年能為企業(yè)帶來約
500 萬元經(jīng)濟(jì)效益。
3 動(dòng)態(tài)模擬
對于真實(shí)工況匹配的模型進(jìn)行傳統(tǒng)的 PID 控制研究，以便于探索該蒸氨塔實(shí)際操作的可控性。
3. 1 溫度靈敏板的選取
在搭建溫度控制結(jié)構(gòu)之前首先要進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，選擇適宜的溫度控制點(diǎn)。
分別針對蒸氨塔模型作相應(yīng)的溫度分布曲線圖、溫差圖如圖 4 所示。
可以看出，蒸氨塔第 2 塊板和第 3 塊板以及第
3 塊板和第 4 塊板之間的溫差較大，根據(jù)斜率判據(jù)［13］，初步選擇蒸氨塔的第 3 塊塔板作為溫度靈敏板�？紤]傳統(tǒng)的單塔控制時(shí)，首先選用一個(gè)溫度控制點(diǎn)，若控制效果不佳再考慮新的控溫點(diǎn)。本文中擬通過控制再沸器的負(fù)荷來控制蒸氨塔的第 3 塊板的溫度。
圖 4 蒸氨塔溫度、溫差分布曲線及再沸器熱負(fù)荷
變化±0. 1%各塔板溫度的靈敏度曲線
對穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果添加合適的泵和閥門，泵和閥門的壓降取 300 kPa。由穩(wěn)態(tài)模型可計(jì)算出塔徑為
2. 2 m。根據(jù)式( 1) 計(jì)算相應(yīng)的塔釜液槽及塔頂回流罐寬度 D，動(dòng)態(tài)模擬所需要的另一個(gè)尺寸 H ( 高度) 約等于 2D。
V = ( πD2 / 4) ( 2D) ( 1)
3. 2 溫度控制結(jié)構(gòu)的搭建
將計(jì)算完畢的完整穩(wěn)態(tài)模型從 Aspen Plus 導(dǎo)入 Aspen Plus Dynamics 中，運(yùn)行初始化后，根據(jù)選定的溫度控制點(diǎn)搭建控制結(jié)構(gòu)CS1，主要包括基礎(chǔ)的液位控制、壓力控制以及溫度控制以保證產(chǎn)品純度。具體結(jié)構(gòu)如下: ①蒸氨塔釜液相采出量控制塔釜液位( 正作用) ; ② 再沸器負(fù)荷控制第 3 塊板的溫度
( 反作用) ; ③通過冷凝器負(fù)荷來控制塔頂壓力( 反作用) ; ④通過頂部產(chǎn)品采出量來控制回流罐液位
( 正作用) 。
液位控制器的增益為 2，積分時(shí)間為 9 999; 流量控制器的增益為 0. 5，積分時(shí)間為 0. 3。因溫度控制滯后時(shí)間較長，故需要在溫度控制器的輸入信號端插入時(shí)間為 1 min 的死區(qū)時(shí)間元件，繼而初始化運(yùn)行。在 Aspen Plus Dynamics 中的結(jié)構(gòu)以及控制器面板如圖 5 所示。
動(dòng)態(tài)模型穩(wěn)定運(yùn)行 0. 5 h 后，對體系中的進(jìn)料量±20%的擾動(dòng)，并對進(jìn)料組成± 10% 的擾動(dòng)，記錄產(chǎn)品純度、塔板溫度等參數(shù)的響應(yīng)曲線，如圖 6、圖 7所示。
以上動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線為塔底液氨濃度不大于 100 mg / L 時(shí)各變量的動(dòng)態(tài)情況，可以看出余差和超調(diào)量都微乎其微。靈敏板的溫度可回歸至設(shè)定值，且調(diào)節(jié)時(shí)間控制在 2 h 之內(nèi)。故而在進(jìn)料量和組成的擾動(dòng)下，控制效果較為穩(wěn)定。
4 總結(jié)
通過對蒸氨塔裝置建立穩(wěn)態(tài)模型、編寫優(yōu)化計(jì)算程序、分析控制結(jié)構(gòu)等工作，得到了一套適用于蒸氨塔的優(yōu)化系統(tǒng)和控制結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用某企業(yè)的真實(shí)工況下進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算出在進(jìn)料量 100 t / h，液氨產(chǎn)量 15. 75 t / h 的工況下，將液氨產(chǎn)量提升至
16. 72 t / h，回流量減小至 22. 34，同時(shí)保證液氨產(chǎn)品質(zhì)量合格且塔底液氨濃度不大于 100 mg / L。針對該工況搭建 PID 控制結(jié)構(gòu) CS1，通過測試發(fā)現(xiàn)，在保證產(chǎn)品合格時(shí)，進(jìn)料發(fā)生擾動(dòng)均可達(dá)標(biāo)，且調(diào)節(jié)時(shí)間控制在 2 h 之內(nèi)，CS1 控制效果良好。
作者：王 輝，夏世斌，姚蓓蕾
