合成氨清洁生产监控系统设计与实现

薛美盛 彭 锋

(中国科学技术大学信息科学技术学院，安徽 合肥 230026)

0 引言

清洁生产发源于20世纪70年代欧美发达国家［1］。它注重污染物产生环节，采用不同于以往单一注重排放结果的方法，为解决世界范围内环境问题提供了新的思路。作为一套系统而完整的可持续发展战略，清洁生产已被社会各界所认可和接受［2］。2002年6月29日全国人大第二十八次会议通过了《中华人民共和国清洁生产促进法》，标志着我国清洁生产推进进入到一个崭新的时期［3］。

传统的流域环境监控和企业排污监控手段都是在末端治理的指导思想下研究建立的［4－10］。文献［4］探讨了环境在线监测系统的框架;文献［5］～［7］研究了不同流域水环境监测系统;文献［8］～［10］研究了大型化工企业污水处理监控系统设计。环境信息学产生于信息科学技术大发展的时期［11］，环境信息系统包括监测与控制系统、计算评估与分析系统、规划与决策支持系统等［12］。本文受文献［11］和［12］的启发，依托国家环保部水专项子课题和示范企业，设计和开发了清洁生产监控系统，解决了企业清洁生产的信息瓶颈，并在此基础上研究实现了合成氨企业清洁生产的在线评估考核。

1 合成氨清洁生产

1.1 合成氨工艺流程

合成氨的生产工序主要包括造气、脱硫、一氧化碳变换、脱碳、精制、压缩与合成。目前，我国采用的合成氨生产工艺主要有无烟煤固定床间歇气化制氨、水煤浆加压气化制氨、天然气蒸汽转化(连续加压)制氨和天然气常压间歇制氨等［13］。

沙颍河流域某合成氨示范企业原料气以山西晋城中、小型块煤(无烟煤)为原料，以空气和过热蒸汽为气化剂，采用间歇式固定层气化法生产。全厂共有2600 mm煤气发生炉10台。该合成氨企业采用湿式氧化法，采用碱性栲胶与V2O5的混合溶液进行脱硫。一氧化碳变换采用水蒸气法，二氧化碳采用碳酸丙烯酯物理吸收，同时吸收硫化氢和有机硫化物等，最后采用铜氨液洗涤法精制原料气。

1.2 两水闭路循环系统

合成氨企业的两水闭路循环系统包括清循环系统和浊循环系统。清循环系统将合成、压缩、碳化、变换以及精制等工段排放的设备间接冷却水，经统一收集后，采用冷却降温+加药水至稳定+过滤处理后循环利用。浊循环系统指将造气、脱硫工段排放的半水煤气洗涤废水，采用混凝沉淀+过滤+冷却降温等措施后循环使用［14］。

合成氨清洁生产示范企业通过引进两水闭路循环技术，这在很大程度上提高了污水回用率、水循环利用率和氨回收利用率，减少了污染物的排放。

1.3 合成氨清洁生产评估

合成氨企业清洁生产评估考核分为资源与能耗、生产技术、污染物产生、资源综合利用和环境管理等五个子系统。这些子系统又分为若干个子项。这些子系统和子项指标的高低将直接反映企业环境管理、资源能耗、污染物产生和排放等方面的水平。合成氨清洁生产评价指标如图1所示。

2 监控系统设计与实现

2.1 InTouch系统简介

InTouch广泛应用于包括食品加工、半导体、石油与天然气、汽车、化工、制药、纸浆和造纸、交通等在内的全球众多纵向市场。通过使用InTouch，不仅可以创建性能强劲、功能齐全的应用程序，而且还可以充分利用Microsoft Windows的各项主要功能，包括 ActiveX控件、OLE、图形及联网等。

InTouch包含三个主要程序，分别为InTouch应用程序管理器、Window Maker和 WindowViewer。Window Maker是一种开发环境，其使用面向对象的图形来创建富于动感的触控式显示窗口。Window Viewer则是一种运行环境，用于显示在 Window Maker中创建的图形窗口。InTouch使用Microsoft动态数据交换(dynamic data exchange，DDE)、FastDDE、NetDDE和Wonderware SuiteLink协议与其他的Windows程序、Wonderware I/O服务器以及同现实世界进行通信的第三方I/O服务器程序进行通信。

2.2 监控系统设计

针对合成氨企业生产工艺和两水闭路循环系统，提出的清洁生产监控系统如图2所示。

通过收集合成氨企业现有的DCS过程实时工况数据，并整合企业资源、产品数据和环境监测数据，构建起合成氨清洁生产监控网络和考核平台。合成氨清洁生产监控系统主要实现以下几方面的功能:用户安全控制、可靠数据通信、数据组织管理、报表生成和管理、实时和历史数据浏览，以及支持更高一级应用系统的数据整合。

2.3 系统实现

采用一台高性能计算机作为服务器，安装正版Windows Server 2003操作系统、Net Framework 1.1组件和 Visual C++6.0，并安装 SQL Server 2005 和 IIS。采用支持多种软硬件通信协议并提供友好人机界面的InTouch9.5作为监控系统上位机。清洁生产监控系统的主要功能界面如图3所示。

图3 系统主要功能界面Fig.3 Main functions interface of the system

清洁生产监控系统各部分功能及画面介绍如下。

①起始画面设计，主要是给出整个合成氨厂的全貌，另外设计系统主流程的登陆按扭，以便进入主流程和菜单画面。

②主流程动态画面设计，工艺主流程动态画面是按照合成氨厂各工段和设备的实际位置设计的整体画面。该画面可直观地显示整个合成氨厂污水产生和处理的流程。

③单元流程动态画面设计，单元流程画面可以使相关人员更清楚地观看到子单元的信息，包括生产过程的造气、脱硫、变换、脱碳、精制和氨合成过程以及污水处理过程中的各个子系统。

④报警设计，本监控对关键排污指标按照《合成氨工业水污染物排放标准》设定报警级别和报警限，并对报警采用事件日志的方式进行详细记录［16］。

⑤趋势设计，趋势曲线用来显示各监测变量的变化趋势，为相关人员提供一种跟踪工厂污水排放物的直观显示。通过应用程序设计，现场工程师不仅可以看到实时的变化趋势和相当长一段时间的历史趋势，而且可以定位显示时间轴上任意点的值。趋势显示主要包括废水总量、新鲜水用量、氨氮、化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)、pH 值、总氮、总磷以及能耗指标等。如果工厂提供检测设备，还应该包括硫化物、氰化物、固体悬浮物等指标。

⑥清洁生产评估指标，企业清洁生产评估指标画面通过文本框字符串描述和清洁生产在线评估隶属度结果显示，并保存记录企业清洁生产状况。

⑦用户管理，InTouch提供了一套完备的用户管理和权限设置机制，只需为每个操作员配置用户名、口令和访问级别。操作员打开Window Viewer程序，输入其用户名与口令登陆后，即可进入应用程序运行显示系统。

3 清洁生产在线评估

3.1 模糊分层评估算法

模糊数学分层评价方法要求首先建立模糊数学综合评价的模式，再将复杂的评价问题演变为一个较简便的模糊变换［17］。

设 X 为评价因素集，即 X={x1，x2，...，xn}，Y 为评价水平等级决策级，即 Y={y1，y2，...，yn}。对于任意 xi∈X、yj∈Y，rij表示 xi在 yj上的特征指标;对于每个 xi，得到的一组(ri1，ri2，...，rin)是 xi关于 Y 的特征指标，其中 i=1，2，3...，m。再以这几组指标作为行，组成(m×n)的矩阵R=(rij)m×n，就可得出X到Y的模糊关系矩阵，其中rij=1。

用 X 上的模糊集 K=(k1，k2，...，km)表示权重分配，用A表示决策集上各种决策的隶属度系数(一般用最大隶属度原则选择对应最大的作为评价结果)，a=1。则有式(2)成立，其中j

3.2 在线评估算法实现

InTouch监控软件作为一个实时的人机界面实用程序生成器，可以产生在管理级别上的监控和数据采集程序，而且具有开发周期短、可生成复杂友好的交互式图形界面以及组态灵活的优点。系统所需的复杂的模糊数学评估功能模块可以用Matlab实现。Matlab以其优秀的数值计算和卓越的数据可视化能力，为用户带来了简洁的开发环境。采用该语言进行复杂算法的设计效率很高，并且还提供大量的标准算法库。此外，Matlab还是一个开放的系统，允许用户从其他程序直接调用 Matlab［18］。

Matlab与InTouch应用程序也可以用动态数据交换进行通信。而应用Matlab提供的Runtime Engine可以定制一个Matlab小环境，用作计算引擎，使用户程序进程与独立的Matlab进程进行通信，用户程序也可通过引擎API函数操纵Matlab完成所需的功能以及与Matalb之间的数据传递。

评估考核系统利用Matlab编制模糊分层评估模块，并由用 VC编制的应用程序调用，完成 VC与Matlab的混合编程。监控系统服务器采用InTouch实现人机界面和数据采集，显示所需的数据通过动态数据交换方式从VC程序中得到。

系统软件架构图如图4所示。

图4 监控评估系统软件架构图Fig.4 Software framework of monitoring and assessment system

3.3 评估结果

通过对沙颍河某氮肥示范企业的各清洁生产要素(控制层)进行的调研和评价，确定其清洁生产子系统评价要素的权重分配如下。

根据厂方提供的资料，在系统人机界面手动输入量化的企业资源能耗统计数据、工艺等级和环境管理现状等级，并自动采集生产过程工况数据和污染物排放检测数据，周期计算和显示清洁生产子系统各要素和母系统的隶属度判断表。以下是该示范企业五个子系统各因素1个月内的平均评估隶属度判断结果。

根据Bi=KCiCi，可得到子系统隶属度评估结果如下。

根据上述结果，进一步构建母系统模糊评价矩阵为:

根据A=KB，得到母系统A的总体评价结果为:

根据隶属度最大原则，得到母系统A清洁生产水平、各子系统中的资源综合利用率和环境管理规范指标清洁生产水平均较好。这得益于该企业引进的两水闭路循环系统，很大程度上提高了该企业的水循环利用率和氨回收利用率。此外，也说明该企业有较完善的环境管理体系，但企业资源和能源利用率以及清洁生产水平略低，而且在该系统中以综合能耗和土地使用率较为突出。这是影响全厂进行清洁生产的主要原因之一，所以该厂进行清洁生产提升应首先从提高资源和能源利用率着手，着重考虑综合能耗和土地使用率。

4 结束语

本文针对目前国内包括合成氨企业在内的化工企业清洁生产评估信息瓶颈的问题，研究构建了一套基于InTouch的合成氨企业清洁生产监控系统，实现了合成氨企业资源能耗、生产设备技术及工况、原料产品、污染物排放和环境管理五个子系统的信息整合，解决了企业清洁生产的信息瓶颈。在此基础上，研究实现了基于Matlab与InTouch混合编程的合成氨企业清洁生产在线评估考核示范系统。系统采用模糊分层评估算法评估考核了合成氨企业整厂母系统和不同层次子系统清洁生产现状，给出了在线清洁生产水平的模糊隶属度判断，评估结果验证了系统的可行性和有效性。

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