基于UniSim的發(fā)酵自控系統(tǒng)的優(yōu)化與應(yīng)用

何彥行，潘 豐

（江南大學(xué) 輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，無(wú)錫 214122）

UniSim軟件是Honeywell的模擬仿真套件，具有強(qiáng)大的流程模擬功能，應(yīng)用于化工過(guò)程的研究開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)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(cè)量精度和控制效果2個(gè)角度進(jìn)行考慮，提高變量測(cè)量的精度需要不斷開(kāi)發(fā)適用于生物發(fā)酵過(guò)程的新型傳感器和在線檢測(cè)技術(shù)；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(diào)節(jié)閥。因此控制參數(shù)及調(diào)節(jié)閥口徑選型是否合適直接影響著控制效果。控制參數(shù)的優(yōu)化依賴于數(shù)學(xué)模型，發(fā)酵過(guò)程中的控制環(huán)節(jié)無(wú)法用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，使得參數(shù)的優(yōu)化難以實(shí)現(xiàn)；調(diào)節(jié)閥口徑選型依靠提供的調(diào)節(jié)閥前后壓差及所通過(guò)的流量來(lái)計(jì)算，無(wú)法在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行前驗(yàn)證計(jì)算所得調(diào)節(jié)閥口徑是否較優(yōu)。

利用UniSim軟件，結(jié)合某公司氨基酸發(fā)酵過(guò)程的控制要求，通過(guò)穩(wěn)態(tài)模擬，對(duì)計(jì)算所得的調(diào)節(jié)閥口徑選型進(jìn)行驗(yàn)證并優(yōu)化；動(dòng)態(tài)仿真發(fā)酵過(guò)程，驗(yàn)證優(yōu)化后的調(diào)節(jié)閥口徑選型的正確性；模擬變量調(diào)節(jié)過(guò)程，修改控制參數(shù)，得到較優(yōu)參數(shù)。通過(guò)利用UniSim軟件，使得控制參數(shù)的優(yōu)化不依賴于數(shù)學(xué)模型，調(diào)節(jié)閥口徑選型得到優(yōu)化并且在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行前得到驗(yàn)證。

1 控制要求及初選調(diào)節(jié)閥

1.1 發(fā)酵控制要求

氨基酸發(fā)酵過(guò)程中常見(jiàn)的控制變量有：溫度、壓力、pH、進(jìn)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(duì)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(guò)向發(fā)酵罐夾套內(nèi)進(jìn)冷水來(lái)控制；壓力是通過(guò)排放罐內(nèi)的尾氣來(lái)控制；底物流加包含流加糖（高粘度液體）、無(wú)機(jī)鹽、底料（玉米漿）3種，需要對(duì)流加速率進(jìn)行控制；pH是通過(guò)向罐內(nèi)加氣氨來(lái)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(zhuǎn)速或進(jìn)氣量關(guān)聯(lián)；攪拌電機(jī)功率為115 kW，選擇功率為132 kW的變頻器進(jìn)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(diào)節(jié)閥

調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥體2部分組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的推動(dòng)裝置，閥體是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)部分[3]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型和閥體材料根據(jù)工藝流程需要進(jìn)行選擇，閥體口徑是根據(jù)實(shí)際的工藝要求進(jìn)行選擇。

流量系數(shù)Cν是選擇調(diào)節(jié)閥的主要參數(shù)，Cν的大小決定了調(diào)節(jié)閥的流通能力，為不同管道中的調(diào)節(jié)閥選擇相應(yīng)的Cν值是保障控制系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵步驟[4]。在國(guó)內(nèi)，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)一般以Kν值來(lái)衡量，Cν和Kν存在如下關(guān)系：

根據(jù)氨基酸發(fā)酵的工藝要求，需要對(duì)進(jìn)冷水、進(jìn)氣、排氣、流加糖、無(wú)機(jī)鹽及補(bǔ)料管道進(jìn)行調(diào)節(jié)閥選型。設(shè)計(jì)院選擇某調(diào)節(jié)閥生產(chǎn)廠商，其不同口徑的Kν值如表2所示。根據(jù)表1中的控制要求計(jì)算后建議的調(diào)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(shè)計(jì)院建議口徑Tab.3 Diameter suggested by design institute

因控制要求的流量調(diào)節(jié)范圍較寬，如調(diào)節(jié)閥口徑偏大，則小流量時(shí)閥門開(kāi)度會(huì)偏小，導(dǎo)致調(diào)節(jié)不穩(wěn)；反之調(diào)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(huì)直接影響控制效果，因此，需要對(duì)設(shè)計(jì)院提供調(diào)節(jié)閥口徑進(jìn)行驗(yàn)證。

2 初選調(diào)節(jié)閥口徑驗(yàn)證及優(yōu)化

2.1 初選調(diào)節(jié)閥口徑驗(yàn)證

從模擬環(huán)境來(lái)看，UniSim主要分為穩(wěn)態(tài)流程模擬和動(dòng)態(tài)流程模擬[5-6]，穩(wěn)態(tài)模擬可以對(duì)初選調(diào)節(jié)閥驗(yàn)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(jù)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(shè)計(jì)如圖1所示的調(diào)節(jié)閥組。其中，block in和block out是主管道手動(dòng)閥，control是調(diào)節(jié)閥，bypass是旁路手動(dòng)閥。對(duì)調(diào)節(jié)閥參數(shù)做如下的定義：調(diào)節(jié)閥流量特性（value operating characteristics）選擇線性特性（linear）；調(diào)節(jié)閥口徑選擇條件（sizing conditions）為通用型（current）。

圖1 調(diào)節(jié)閥組Fig.1 Regulating valve set

以進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥口徑驗(yàn)證為例，控制要求為在調(diào)節(jié)閥前后壓差為120 kPa、調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為100%時(shí)，最大進(jìn)氣量為2700Nm3/h，標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的密度為1.29 kg/Nm3，可知進(jìn)氣量的質(zhì)量流量為3483 kg/h。將前后壓差（delta P）設(shè)定為120 kPa；調(diào)節(jié)閥開(kāi)度（value opening）設(shè)定為100%；根據(jù)設(shè)計(jì)院建議的調(diào)節(jié)閥口徑，Cν值設(shè)定為205.4，此時(shí)的最大進(jìn)氣量的質(zhì)量流量（flow rate）為 5579 kg/h，遠(yuǎn)大于 3483 kg/h，可知設(shè)計(jì)院建議的調(diào)節(jié)閥口徑偏大，需要對(duì)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥口徑重新選型優(yōu)化。

2.2 調(diào)節(jié)閥口徑選型優(yōu)化

按照表2來(lái)修改Cν值，當(dāng)調(diào)節(jié)閥Cν值為128.4，調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)進(jìn)氣量為3487 kg/h，滿足進(jìn)氣的測(cè)量要求，如圖2所示。

圖2 調(diào)節(jié)閥選型Fig.2 Regulating valve selection

由以上可知，進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥口徑應(yīng)選擇DN80較為合適。

對(duì)設(shè)計(jì)院建議的其它初選調(diào)節(jié)閥口徑進(jìn)行如上驗(yàn)證，若口徑不合適需重新選型優(yōu)化。利用UniSim軟件對(duì)調(diào)節(jié)閥口徑選型優(yōu)化后結(jié)果如表4所示。

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

由表3和表4對(duì)比可知，設(shè)計(jì)院建議的調(diào)節(jié)閥口徑偏大。3種流加的底物所要求的流量測(cè)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(diào)節(jié)閥口徑的選型要比無(wú)機(jī)鹽、補(bǔ)料的調(diào)節(jié)閥口徑大一檔。

3 動(dòng)態(tài)仿真模擬

在組分及物性包定義完成后即可進(jìn)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(shù)定義。組態(tài)正確的情況下可轉(zhuǎn)換到動(dòng)態(tài)仿真模擬環(huán)境，驗(yàn)證優(yōu)化后調(diào)節(jié)閥口徑選型的正確性，模擬變量調(diào)節(jié)過(guò)程，得到較優(yōu)的控制參數(shù)。

3.1 優(yōu)化后調(diào)節(jié)閥口徑驗(yàn)證

調(diào)節(jié)閥口徑是否合適直接影響到對(duì)被控變量的控制效果，口徑過(guò)小，當(dāng)系統(tǒng)受到較大擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)閥可能運(yùn)行到全開(kāi)時(shí)的飽和非線性工作狀態(tài)，使系統(tǒng)處于暫時(shí)失控狀態(tài)；口徑過(guò)大，調(diào)節(jié)閥經(jīng)常處于小開(kāi)度狀態(tài)，對(duì)閥芯和閥座損害較大[8]。一般認(rèn)為，當(dāng)被控變量在控制范圍內(nèi)變化時(shí)，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度應(yīng)該在10%～90%之間變化，這樣所選的調(diào)節(jié)閥才是較優(yōu)的[9]。

利用UniSim流程模擬軟件對(duì)表4中優(yōu)化后調(diào)節(jié)閥口徑選型是否合適進(jìn)行驗(yàn)證。在發(fā)酵控制系統(tǒng)中，進(jìn)氣量和壓力是相互關(guān)聯(lián)的2個(gè)量，任意一個(gè)量的變化都會(huì)影響進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥及排氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度的變化，因此以進(jìn)氣控制和壓力（排氣）控制為例進(jìn)行驗(yàn)證，構(gòu)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(jié)合75 t氨基酸發(fā)酵控制要求，壓力控制在150 kPa（絕壓），進(jìn)氣量控制范圍為 300～2300 Nm3/h，當(dāng)進(jìn)氣量為 2300 Nm3/h（2967 kg/h）時(shí)，進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度為78.55%，排氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為79.48%。當(dāng)進(jìn)氣量為300 Nm3/h（387 kg/h）時(shí)，進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度10.25%，罐壓力為150 kPa，排氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為10.37%。

由以上可知，當(dāng)發(fā)酵罐壓力控制在150 kPa時(shí)，在最大進(jìn)氣量和最小進(jìn)氣量控制情況下，進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥和排氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度在10%～90%之間，可以驗(yàn)證調(diào)節(jié)閥口徑選型較優(yōu)。對(duì)表4中其它調(diào)節(jié)閥口徑逐一驗(yàn)證，可知通過(guò)UniSim所選的調(diào)節(jié)閥口徑較優(yōu)。

3.2 控制參數(shù)優(yōu)化

UniSim流程模擬軟件中自帶PID控制器，控制器參數(shù)需要初始化定義。如圖4所示，以進(jìn)氣控制器為例，PV選擇為進(jìn)氣流股中的進(jìn)氣質(zhì)量流量，設(shè)置PV量程范圍；OP選擇為進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度；作用方向?yàn)榉醋饔茫豢刂品绞綖樽詣?dòng)模式。參數(shù)設(shè)定界面中Current Tuning選項(xiàng)中為控制參數(shù)，其中Ti和 Td的單位都為“min”。

圖4 參數(shù)設(shè)定Fig.4 Parameter setting

如圖3流程，動(dòng)態(tài)仿真發(fā)酵過(guò)程中進(jìn)氣及排氣環(huán)節(jié)，改變進(jìn)氣流量，通過(guò)觀察控制效果來(lái)驗(yàn)證當(dāng)前所采用的控制參數(shù)是否較優(yōu)。根據(jù)表1中的控制要求，經(jīng)過(guò)反復(fù)的模擬仿真，得到一組較優(yōu)的控制參數(shù)：P=0.1，I=0.117，D=0.018， 如圖 4 中 Current Tuning選項(xiàng)所示。

圖5為進(jìn)氣量設(shè)定值由1200 Nm3/h改變?yōu)?300 Nm3/h時(shí)，“經(jīng)驗(yàn)”參數(shù)與優(yōu)化后參數(shù)仿真調(diào)節(jié)過(guò)程，數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間為3 s，由圖可知，優(yōu)化后的參數(shù)控制過(guò)程超調(diào)更小，調(diào)節(jié)時(shí)間更短，當(dāng)設(shè)定值改變以后的第5個(gè)采樣測(cè)量值穩(wěn)定下來(lái)。

圖5 仿真調(diào)節(jié)過(guò)程Fig.5 Regulating process of simulation

圖6為實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)氣量設(shè)定值由1200 Nm3/h改變?yōu)?300 Nm3/h時(shí)的調(diào)節(jié)過(guò)程，數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間為3 s，由圖可知，當(dāng)設(shè)定值改變以后的第5個(gè)采樣測(cè)量值穩(wěn)定下來(lái)，調(diào)節(jié)時(shí)間為15 s，穩(wěn)態(tài)誤差小于±2%，滿足控制要求。

圖6 實(shí)際調(diào)節(jié)過(guò)程Fig.6 Regulating process of real

4 結(jié)語(yǔ)

利用UniSim流程模擬軟件對(duì)發(fā)酵自控系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥口徑選型和控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得調(diào)節(jié)閥口徑選型不再依賴于理論計(jì)算，控制參數(shù)的優(yōu)化不再依賴于數(shù)學(xué)模型。動(dòng)態(tài)仿真模擬可在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行前驗(yàn)證調(diào)節(jié)閥口徑及控制參數(shù)是否較優(yōu)，增加了系統(tǒng)可靠性，大大地縮短了實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間。通過(guò)UniSim所選的調(diào)節(jié)閥及優(yōu)化所得的控制參數(shù)已應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行表明，調(diào)節(jié)閥口徑選型及控制參數(shù)滿足系統(tǒng)控制要求，實(shí)現(xiàn)了氨基酸發(fā)酵過(guò)程的穩(wěn)定控制。

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