何彥行，潘 豐

（江南大學 輕工過程先進控制教育部重點實驗室，無錫 214122）

UniSim軟件是Honeywell的模擬仿真套件，具有強大的流程模擬功能，應用于化工過程的研究開發(fā)與設計、生產操作的控制和優(yōu)化[1]。發(fā)酵自控系統(tǒng)的優(yōu)化主要從變量的測量精度和控制效果2個角度進行考慮，提高變量測量的精度需要不斷開發(fā)適用于生物發(fā)酵過程的新型傳感器和在線檢測技術；發(fā)酵自控系統(tǒng)中以單回路反饋控制環(huán)節(jié)為主，控制器采用傳統(tǒng)的PID控制算法，執(zhí)行器多為調節(jié)閥。因此控制參數及調節(jié)閥口徑選型是否合適直接影響著控制效果?？刂茀档膬?yōu)化依賴于數學模型，發(fā)酵過程中的控制環(huán)節(jié)無法用精確的數學模型來描述，使得參數的優(yōu)化難以實現；調節(jié)閥口徑選型依靠提供的調節(jié)閥前后壓差及所通過的流量來計算，無法在實際系統(tǒng)運行前驗證計算所得調節(jié)閥口徑是否較優(yōu)。

利用UniSim軟件，結合某公司氨基酸發(fā)酵過程的控制要求，通過穩(wěn)態(tài)模擬，對計算所得的調節(jié)閥口徑選型進行驗證并優(yōu)化；動態(tài)仿真發(fā)酵過程，驗證優(yōu)化后的調節(jié)閥口徑選型的正確性；模擬變量調節(jié)過程，修改控制參數，得到較優(yōu)參數。通過利用UniSim軟件，使得控制參數的優(yōu)化不依賴于數學模型，調節(jié)閥口徑選型得到優(yōu)化并且在實際系統(tǒng)運行前得到驗證。

1 控制要求及初選調節(jié)閥

1.1 發(fā)酵控制要求

氨基酸發(fā)酵過程中常見的控制變量有：溫度、壓力、pH、進氣量、溶氧、攪拌速度、底物流加速率，發(fā)酵罐體積大小不同，對上述變量的控制要求也存在一定的差異[2]。75 t氨基酸發(fā)酵罐發(fā)酵工藝如下：溫度是通過向發(fā)酵罐夾套內進冷水來控制；壓力是通過排放罐內的尾氣來控制；底物流加包含流加糖（高粘度液體）、無機鹽、底料（玉米漿）3種，需要對流加速率進行控制；pH是通過向罐內加氣氨來控制，要求在閥門最小壓差情況下最大氣氨流量為24 m3/h；溶氧控制是與轉速或進氣量關聯(lián)；攪拌電機功率為115 kW，選擇功率為132 kW的變頻器進行控制。75t氨基酸發(fā)酵的具體控制要求如表1所示。

表1 75t氨基酸發(fā)酵控制要求Tab.1 Fermentation control requirements of 75 t amino acids

1.2 初選調節(jié)閥

調節(jié)閥由執(zhí)行機構和閥體2部分組成，執(zhí)行機構是調節(jié)閥的推動裝置，閥體是調節(jié)閥的調節(jié)部分[3]。執(zhí)行機構的類型和閥體材料根據工藝流程需要進行選擇，閥體口徑是根據實際的工藝要求進行選擇。

流量系數Cν是選擇調節(jié)閥的主要參數，Cν的大小決定了調節(jié)閥的流通能力，為不同管道中的調節(jié)閥選擇相應的Cν值是保障控制系統(tǒng)正常工作的關鍵步驟[4]。在國內，調節(jié)閥的流量系數一般以Kν值來衡量，Cν和Kν存在如下關系：

根據氨基酸發(fā)酵的工藝要求，需要對進冷水、進氣、排氣、流加糖、無機鹽及補料管道進行調節(jié)閥選型。設計院選擇某調節(jié)閥生產廠商，其不同口徑的Kν值如表2所示。根據表1中的控制要求計算后建議的調節(jié)閥口徑選型如表3所示。

表2 不同口徑的值Tab.2 The Kν value of different diameter

表3 設計院建議口徑Tab.3 Diameter suggested by design institute

因控制要求的流量調節(jié)范圍較寬，如調節(jié)閥口徑偏大，則小流量時閥門開度會偏小，導致調節(jié)不穩(wěn)；反之調節(jié)閥口徑偏小，則不能滿足大流量的要求，口徑偏小或偏大會直接影響控制效果，因此，需要對設計院提供調節(jié)閥口徑進行驗證。

2 初選調節(jié)閥口徑驗證及優(yōu)化

2.1 初選調節(jié)閥口徑驗證

從模擬環(huán)境來看，UniSim主要分為穩(wěn)態(tài)流程模擬和動態(tài)流程模擬[5-6]，穩(wěn)態(tài)模擬可以對初選調節(jié)閥驗證及優(yōu)化。建立所需要的模擬環(huán)境：添加組分、選擇物性包及組態(tài)流程。

根據氨基酸發(fā)酵工藝添加所需要的組分，在物性包的選擇中，選擇理想的NRTL方程，適用于多組分氣液平衡體系和液液分層體系[7]。

在穩(wěn)態(tài)模擬環(huán)境下，設計如圖1所示的調節(jié)閥組。其中，block in和block out是主管道手動閥，control是調節(jié)閥，bypass是旁路手動閥。對調節(jié)閥參數做如下的定義：調節(jié)閥流量特性（value operating characteristics）選擇線性特性（linear）；調節(jié)閥口徑選擇條件（sizing conditions）為通用型（current）。

圖1 調節(jié)閥組Fig.1 Regulating valve set

以進氣調節(jié)閥口徑驗證為例，控制要求為在調節(jié)閥前后壓差為120 kPa、調節(jié)閥開度為100%時，最大進氣量為2700Nm3/h，標準狀況下空氣的密度為1.29 kg/Nm3，可知進氣量的質量流量為3483 kg/h。將前后壓差（delta P）設定為120 kPa；調節(jié)閥開度（value opening）設定為100%；根據設計院建議的調節(jié)閥口徑，Cν值設定為205.4，此時的最大進氣量的質量流量（flow rate）為 5579 kg/h，遠大于 3483 kg/h，可知設計院建議的調節(jié)閥口徑偏大，需要對進氣調節(jié)閥口徑重新選型優(yōu)化。

2.2 調節(jié)閥口徑選型優(yōu)化

按照表2來修改Cν值，當調節(jié)閥Cν值為128.4，調節(jié)閥全開時進氣量為3487 kg/h，滿足進氣的測量要求，如圖2所示。

圖2 調節(jié)閥選型Fig.2 Regulating valve selection

由以上可知，進氣調節(jié)閥口徑應選擇DN80較為合適。

對設計院建議的其它初選調節(jié)閥口徑進行如上驗證，若口徑不合適需重新選型優(yōu)化。利用UniSim軟件對調節(jié)閥口徑選型優(yōu)化后結果如表4所示。

表4 優(yōu)化后調節(jié)閥口徑Tab.4 Optimized regulating valve diameter

由表3和表4對比可知，設計院建議的調節(jié)閥口徑偏大。3種流加的底物所要求的流量測量范圍是相同的，因流加糖為高粘度液體，在相同的壓差下流速較慢，調節(jié)閥口徑的選型要比無機鹽、補料的調節(jié)閥口徑大一檔。

3 動態(tài)仿真模擬

在組分及物性包定義完成后即可進行流程組態(tài)。在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下，完成所需要的流程搭建及參數定義。組態(tài)正確的情況下可轉換到動態(tài)仿真模擬環(huán)境，驗證優(yōu)化后調節(jié)閥口徑選型的正確性，模擬變量調節(jié)過程，得到較優(yōu)的控制參數。

3.1 優(yōu)化后調節(jié)閥口徑驗證

調節(jié)閥口徑是否合適直接影響到對被控變量的控制效果，口徑過小，當系統(tǒng)受到較大擾動時，調節(jié)閥可能運行到全開時的飽和非線性工作狀態(tài)，使系統(tǒng)處于暫時失控狀態(tài)；口徑過大，調節(jié)閥經常處于小開度狀態(tài)，對閥芯和閥座損害較大[8]。一般認為，當被控變量在控制范圍內變化時，調節(jié)閥的開度應該在10%～90%之間變化，這樣所選的調節(jié)閥才是較優(yōu)的[9]。

利用UniSim流程模擬軟件對表4中優(yōu)化后調節(jié)閥口徑選型是否合適進行驗證。在發(fā)酵控制系統(tǒng)中，進氣量和壓力是相互關聯(lián)的2個量，任意一個量的變化都會影響進氣調節(jié)閥及排氣調節(jié)閥的開度的變化，因此以進氣控制和壓力（排氣）控制為例進行驗證，構建如圖3所示的模擬流程。

圖3 發(fā)酵流程模擬Fig.3 Fermentation process simulation

結合75 t氨基酸發(fā)酵控制要求，壓力控制在150 kPa（絕壓），進氣量控制范圍為 300～2300 Nm3/h，當進氣量為 2300 Nm3/h（2967 kg/h）時，進氣調節(jié)閥的開度為78.55%，排氣調節(jié)閥開度為79.48%。當進氣量為300 Nm3/h（387 kg/h）時，進氣調節(jié)閥開度10.25%，罐壓力為150 kPa，排氣調節(jié)閥開度為10.37%。

由以上可知，當發(fā)酵罐壓力控制在150 kPa時，在最大進氣量和最小進氣量控制情況下，進氣調節(jié)閥和排氣調節(jié)閥開度在10%～90%之間，可以驗證調節(jié)閥口徑選型較優(yōu)。對表4中其它調節(jié)閥口徑逐一驗證，可知通過UniSim所選的調節(jié)閥口徑較優(yōu)。

3.2 控制參數優(yōu)化

UniSim流程模擬軟件中自帶PID控制器，控制器參數需要初始化定義。如圖4所示，以進氣控制器為例，PV選擇為進氣流股中的進氣質量流量，設置PV量程范圍；OP選擇為進氣調節(jié)閥的開度；作用方向為反作用；控制方式為自動模式。參數設定界面中Current Tuning選項中為控制參數，其中Ti和 Td的單位都為“min”。

圖4 參數設定Fig.4 Parameter setting

如圖3流程，動態(tài)仿真發(fā)酵過程中進氣及排氣環(huán)節(jié)，改變進氣流量，通過觀察控制效果來驗證當前所采用的控制參數是否較優(yōu)。根據表1中的控制要求，經過反復的模擬仿真，得到一組較優(yōu)的控制參數：P=0.1，I=0.117，D=0.018， 如圖 4 中 Current Tuning選項所示。

圖5為進氣量設定值由1200 Nm3/h改變?yōu)?300 Nm3/h時，“經驗”參數與優(yōu)化后參數仿真調節(jié)過程，數據的采樣時間為3 s，由圖可知，優(yōu)化后的參數控制過程超調更小，調節(jié)時間更短，當設定值改變以后的第5個采樣測量值穩(wěn)定下來。

圖5 仿真調節(jié)過程Fig.5 Regulating process of simulation

圖6為實際系統(tǒng)運行時，進氣量設定值由1200 Nm3/h改變?yōu)?300 Nm3/h時的調節(jié)過程，數據的采樣時間為3 s，由圖可知，當設定值改變以后的第5個采樣測量值穩(wěn)定下來，調節(jié)時間為15 s，穩(wěn)態(tài)誤差小于±2%，滿足控制要求。

圖6 實際調節(jié)過程Fig.6 Regulating process of real

4 結語

利用UniSim流程模擬軟件對發(fā)酵自控系統(tǒng)中調節(jié)閥口徑選型和控制參數進行優(yōu)化，使得調節(jié)閥口徑選型不再依賴于理論計算，控制參數的優(yōu)化不再依賴于數學模型。動態(tài)仿真模擬可在實際系統(tǒng)運行前驗證調節(jié)閥口徑及控制參數是否較優(yōu)，增加了系統(tǒng)可靠性，大大地縮短了實際系統(tǒng)的調試時間。通過UniSim所選的調節(jié)閥及優(yōu)化所得的控制參數已應用到實際系統(tǒng)，系統(tǒng)運行表明，調節(jié)閥口徑選型及控制參數滿足系統(tǒng)控制要求，實現了氨基酸發(fā)酵過程的穩(wěn)定控制。

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