《Computers & Chemical Engineering》：Plantwide control design for highly load-flexible Power-to-X processes: A systematic procedure applied to renewable ammonia production
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针对高度负荷灵活（highly load-flexible）的Power-to-X（PtX）过程，提出了一种系统化的全局控制（plantwide control）设计流程。该流程分为三个顺序阶段：定义全负荷范围内的控制目标与约束；设计仅由单回路比例-积分（PI
针对高度负荷灵活（highly load-flexible）的Power-to-X（PtX）过程，提出了一种系统化的全局控制（plantwide control）设计流程。该流程分为三个顺序阶段：定义全负荷范围内的控制目标与约束；设计仅由单回路比例-积分（PI）控制器构成的基础控制系统；仅在验证测试揭示特定需求时引入简单的先进控制元素。流程直接针对负荷灵活性：每个回路在多个操作负荷下进行开环辨识，使过程增益、时间常数和时滞随负荷的变化成为明确的设计输入；控制器整定由这些负荷相关参数通过加权组合（式(6)）或直接采用单一负荷参数导出，为每个回路产生一组固定的PI参数，在全范围内具有可接受性能；交互子系统的操纵变量（MV）与被控变量（CV）配对借助跨负荷聚合的保号几何平均相对增益阵列（RGA）（式(4)）及配对度量（式(5)）辅助完成，避免仅凭单负荷分析选中在某负荷有利而在另一负荷不利的配对。将该流程应用于高保真、压力驱动的可再生氨模型，得到包含15个PI回路的调节层。在10%–100%负荷范围、±3%/min过渡速率下的验证识别出两类不同性质的局限：蒸汽出口温度在降负荷过程中接近水的沸点，存在蒸发不完全风险；进料流股比在反应器入口处偏离氢氮比。前馈-串级控制器（将热交换器稳态能量平衡与快速内层水流量回路结合）和比-串级控制器（作用于带延迟的反应器入口组成测量）解决了上述局限。结果表明，分散式PI层辅以少量简单元素即可满足该工况，但并未取代监督层方法。
研究背景方面，向可再生能源转型旨在降低对化石燃料的依赖并减少温室气体排放，但风、光、水等可再生电源随时间变化显著且通常无法直接储存。Power-to-X（PtX）将可再生电力转化为其他能量载体或化学品，其中X可代表氢、甲烷、甲醇及氨等。当前化工行业通常围绕单一确定操作点连续运行与优化，而可再生能源大规模整合使原料与公用工程的价格和可获得性变得更可变且难以预测，负荷灵活生产因而可能成为必要或具有经济优势。高度负荷灵活过程被定义为频繁跨大负荷范围爬坡的过程，具体为负荷变化至少达到额定产能的一半，且爬坡速率至少为额定负荷的1%/min；PtX过程因对可再生电力需求高且多变，通常属于此类。既有全局控制流程（Luyben等，1997；Skogestad，2004；Konda等，2005）围绕单一稳态构建，其扩展分别处理有界降负荷、离散产品等级切换或监督预测控制，而针对宽负荷范围连续运行的调节层本身设计仍是未解决问题。本文即旨在弥补该空白，提出简单、实用、系统化、基于仿真的指南，用于设计高度负荷灵活过程的调节控制层。
研究人员开展了以下研究：提出三阶段全局控制设计流程，并应用于可再生氨生产装置。氨是全球产量第二大的无机化学品，主要通过Haber–Bosch（HB）过程生产，其生产约占全球温室气体排放的1.3%，排放主要来自以天然气蒸汽重整制氢的原料路线；以可再生电力经电解水制氢的绿氨路线是最可持续的脱碳路径。绿氨与灰氨化学上相同，变化在于氢原料的供应与可获得性，电解槽可跟随可再生电力的变化，因而氢供应本质可变。两种耦合方案：其一以储罐缓冲实现解耦，但足够大的储罐成本高昂且存在安全顾虑；其二使HB过程本身灵活运行，跟随氢供应的快速变化，本文关注后者及其对全局控制系统设计的影响。目前仅有少量绿氨示范项目，多数通过电网补充或电池/氢储存缓冲来规避HB过程的负荷灵活性；氨工艺许可方虽声称其HB设计可在10%–100%额定产能、高达3%/min的爬坡速率下运行，但尚未在大规模工业装置中得到验证。仿真研究方面，Morud与Skogestad（1998）首次建模了灰氨反应器不稳定事件；Araújo与Skogestad（2008）发表了首个氨厂全局控制系统设计，对象为负荷灵活性非常有限的灰氨激冷冷却过程；Cheema与Krewer（2018）及Armijo与Philibert（2020）最早明确讨论可再生氨厂的灵活运行，均指出氨合成段本身的灵活性是管理可再生电力引入变异性的关键瓶颈；Fahr等（2023）首次明确使用"高度负荷灵活"一词描述绝热间接冷却反应器（AICR）设计，证明可稳态运行至额定产能的13%；Rosbo等（2023）确认绝热激冷冷却反应器（AQCR）在负荷灵活运行下的不稳定行为；Kong等（2024）引入非线性模型预测控制（MPC）策略使AQCR系统可快速过渡至50%额定负荷；Rosbo等（2024）表明AICR或内部直接冷却反应器（IDCR）等替代构型本质上比AQCR更稳定且单程转化率更高；Mock等（2023）发表了首个基于AICR系统的绿氨厂全局控制策略，但依赖较简化的过程与控制模型且仅考虑50%/h的慢爬坡；Fahr等（2025）将AICR模型扩展至全厂模型，证明10%–110%额定产能、高达3%/min的动态负荷灵活性，但未提供系统化设计指南；Rosbo等（2026）更新基于MATLAB的过程模型并模拟10%–120%、高达3%/min的负荷范围，遵循Skogestad自优化控制流程，对压缩与反应器子系统使用带静态解耦元素的PI控制器；Fahr等（2025）与Rosbo等（2026）将HB回路压力控制确定为中心设计与运行理念，并首次讨论其应主动控制还是在低负荷下"浮动"；Li等（2026）开发了面向控制的回路压力与反应器床层温度合成模型，采用带串级与比值控制等先进元素的PID控制；Fahr等（2026）将动态HB模型与调度层集成，用非线性模型的线性近似进行设计与调度决策，比较恒压与低负荷降压运行，采用前馈控制最小化反应器温度波动以减少设备疲劳；Bagheri等（2025）与Cabral和Pourkargar（2026）近期重新审视氨合成的MPC。综观这些研究可见：尽管多次尝试为可再生氨过程设计可行的调节控制层，但尚无一致应用的系统化设计指南，稳定可行的设计通常通过大量人工试错获得；多数研究仅关注整体过程的一个或少数部分，如反应器系统内温度控制或HB回路压力控制，而非整体全局控制系统；许多研究依赖简化的自定义过程模型而非在成熟流程模拟器中实现的完整严格设备模型；反复识别的主要困难涉及进料压缩、回路压力控制和反应器床层温度控制。因此，面向高度负荷灵活过程（如Power-to-Ammonia，PtA）的结构化、系统化全局控制系统设计指南在文献中仍然缺失。
结论方面，本文提出了用于设计高度负荷灵活化工过程调节控制层的系统化、基于仿真的流程，分为三个顺序阶段：定义全负荷范围内的控制目标与约束；设计仅由单回路PI控制器构成的基础控制系统；仅在验证测试揭示特定需求时添加简单的先进控制元素。全流程仅使用操作人员与工程师易于理解和维护的控制结构。流程中有三个要素直接针对负荷灵活性：每个回路在多个操作负荷下而非单一设计点进行开环辨识，使过程增益、时间常数和时滞随负荷的变化成为明确的设计输入；控制器整定由这些负荷相关参数通过加权组合（式(6)）或直接采用单一负荷参数导出，为每个回路产生一组固定的PI参数，在全范围内具有可接受性能；交互子系统的MV-CV配对借助跨负荷聚合的保号几何平均RGA（式(4)）及配对度量（式(5)）辅助完成，防止仅凭单负荷分析选中在某负荷有利而在另一负荷不利的配对。将该流程应用于高保真、压力驱动的可再生氨模型，得到由15个PI回路构成的调节层。在10%–100%负荷范围、±3%/min过渡下的验证识别出两类不同性质的局限：其一是基础系统无法充分控制的回路，即蒸汽出口温度在降负荷过程中接近水的沸点，存在蒸发不完全风险；其二是被控变量需要修正的回路，即严格控制的进料流股比在反应器入口处偏离氢氮比。前馈-串级控制器（将热交换器稳态能量平衡与快速内层水流量回路结合）和比-串级控制器（作用于带延迟的反应器入口组成测量）解决了上述两项局限，使蒸汽温度始终高于沸点并实现反应器入口组成控制。此外，第一反应器床层出口温度在升负荷过程中短暂超限，通过降低入口温度设定值解决，无需额外控制元素。这些结果弥补了全局控制文献中的空白：既有全局控制流程虽收敛于分散式PI调节层，但围绕单一稳态构建，其扩展分别处理有界降负荷、离散产品切换或监督控制；本文则扩展调节层设计流程本身以实现宽负荷范围连续运行。研究表明，分散式PI层辅以少量简单元素即可满足该工况，但这并不取代监督方法，后者仍需要在其下方有可工作的调节层。该流程在设计上具有通用性，但仅在单一过程上演示，所得配对、整定与先进控制元素为该装置特有；预计可迁移至其他PtX路线，因其设计决策不依赖具体过程，但在更多过程上的测试仍属未来工作。范围另有两方面限制：流程按设计仅处理调节层；验证采用确定性分段线性负荷曲线、无测量噪声，除负荷变化外未考虑其他扰动，这些留待后续研究。当前设计中的限制性回路是回路压力，其在快速过渡期间略微偏离设定值；该偏差源于进料流量与回路压力之间的固有交互作用而非整定不足，调节层无需监督作用即可处理，监督层也难以轻易消除；其对于具体装置是否可接受须从机械角度评估，超出本文范围。负荷相关压力运行仍是优化层有前景的方向；结合低负荷下较低氢氮比或调整反应器床层入口温度等策略，指明了本文所设计调节层如何通过其上的经济优化层加以扩展。在具体案例之外，该流程为负荷灵活PtX过程的调节控制提出四项设计原则：第一，设计对象是负荷包络而非单一操作点，配对须在全范围筛选、整定须在极端负荷验证；第二，由于上游可再生供应决定负荷，其作为调度扰动进入设计，这固定了库存回路的方向并消除了传统流程中的吞吐量配置决策；第三，负荷范围划分为活动约束区域，调节层可通过结构处理区域间切换，本文即通过仅在低负荷激活的防喘振控制器实现；第四，复杂性是被升级而非被预设，控制系统首先完全由简单PI回路构建，先进元素仅在验证表明基础系统无法满足目标时引入；当负荷变化进入过程与其效应被测量之间存在传输延迟时，先进控制元素可显著帮助，本文两个元素均属此类。总体而言，这些原则表明负荷灵活调节控制与其说关乎更先进的控制器，不如说关乎为整个负荷包络设计简单的控制器。
