大型合成氨裝置氫氮比先進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王賓（河北滄州大化集團(tuán)公司，河北 滄州 061000）

張洪垠（中國(guó)自動(dòng)化集團(tuán)有限公司，北京 100013）

目前我國(guó)大型合成氨裝置基本都應(yīng)用了DCS，有些廠家由DCS實(shí)現(xiàn)了H2/N2比控制，有些廠家還沒有，但大多數(shù)廠家控制效果和投用效果都不理想，自適應(yīng)能力和抗干擾能力差，調(diào)節(jié)品質(zhì)不良，或只能在工廠負(fù)荷70%～90%的范圍內(nèi)可投用，效果一般。

滄州大化針對(duì)大型合成氨裝置，以DCS為基礎(chǔ)，圍繞工藝裝置的節(jié)能挖潛、降低消耗、減少停車、優(yōu)化控制和操作以及保證長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定生產(chǎn)方面，我們開發(fā)設(shè)計(jì)了H2/N2比節(jié)能型先進(jìn)控制系統(tǒng)，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了安全可靠的聯(lián)鎖報(bào)警和優(yōu)化操作邏輯順序控制策略；利用DCS的操作、顯示、記錄報(bào)表和數(shù)據(jù)管理功能，優(yōu)化和方便了日常的生產(chǎn)監(jiān)視和操作，提高了生產(chǎn)的管理水平，保證了合成氨裝置的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。投運(yùn)后的H2/N2比控制系統(tǒng)，實(shí)踐證明具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力和抗干擾能力，調(diào)節(jié)品質(zhì)與控制特性優(yōu)良，在工廠負(fù)荷50%～105%的范圍內(nèi)，均可投用，效果明顯，達(dá)到了增產(chǎn)、降耗、節(jié)能的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

我們結(jié)合大型合成氨裝置的工藝特點(diǎn)和多年的操作經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)設(shè)計(jì)了一套非常實(shí)用有效的H2/N2比節(jié)能型先進(jìn)控制方案，如圖1所示。

H2/N2控制系統(tǒng)是一套具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力、抗干擾能力和克服大時(shí)滯現(xiàn)象的“前饋-比值-多串級(jí)”調(diào)節(jié)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)以水/碳控制系統(tǒng)的總碳流量FX0204 PV作該系統(tǒng)的前饋信號(hào)，由合成氣的H2/N2調(diào)節(jié)器AIC411、新鮮氣的H2/N2調(diào)節(jié)器AIC410與工藝空氣流量調(diào)節(jié)器FIC003組成多串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)入二段爐103-D的工藝空氣流量進(jìn)行控制，以此來調(diào)節(jié)新鮮氣H2/N2和合成氣H2/N2。

圖1 氫氮比控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

合成氣H2/N2作主調(diào)AIC411；新鮮H2/N2作第一級(jí)副調(diào)AIC410；主調(diào)AIC411的輸出作第一級(jí)副調(diào)AIC410的外給定（SP）；第一級(jí)輻調(diào)AIC410的輸出與總碳流量在FX0414進(jìn)行前饋運(yùn)算，得出所需的空氣流量值，作副調(diào)FIC003的外給定，由空氣流量調(diào)節(jié)器FIC003調(diào)節(jié)閥門FCV3，F(xiàn)IC003的輸出控制進(jìn)入二段爐的空氣流量，達(dá)到最終控制合成氣H2/N2的目的。FX0402進(jìn)行空氣流量穩(wěn)壓補(bǔ)償計(jì)算，并換算成質(zhì)量流量，其PV作FIC003的測(cè)量。

該系統(tǒng)除了上述反饋控制功能外，還配有空/碳（FI0421）操作指導(dǎo)和報(bào)警提醒措施，實(shí)現(xiàn)安全操作，穩(wěn)定運(yùn)行及無擾切換。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理

圖2 氫氮比控制系統(tǒng)流程圖

① 指示單元， 具有輸入指示、報(bào)警（高報(bào)警HI、低報(bào)警LO、變化率報(bào)警VL、輸入斷線IOP等）功能。

② PID調(diào)節(jié)單元，如：AIC411、AIC410、FIC003調(diào)節(jié)器。

③ 運(yùn)算單元，如對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行的各種算術(shù)運(yùn)算、溫壓補(bǔ)償運(yùn)算等，如前饋運(yùn)算FX0414、溫壓補(bǔ)償運(yùn)算FX0402。

④低選器（均為自動(dòng)），如：FX0424。

⑤一階超前/滯后環(huán)節(jié)，起滯后作用，克服滯后現(xiàn)象，提高自適應(yīng)能力和調(diào)節(jié)質(zhì)量， 如FX0425、FX408、FX0409。

⑥一階滯后單元，起滯后作用，克服擾動(dòng)與滯后現(xiàn)象，提高自適應(yīng)能力和抗干擾能力，如FX0423。

⑦濾波單元，防止信號(hào)急劇變化而影響調(diào)節(jié)質(zhì)量，如總碳濾波儀表FX0427。

工藝空氣管線上的儀表信號(hào)FT3、PT3A、TT3A均要靠硬接線引入DCS，而不使用MODBUS串口通訊。

該控制系統(tǒng)的方塊圖如圖2所示。合成氣的H2和N2組分由在線分析儀把每次分析的結(jié)果送給計(jì)算機(jī)內(nèi)部?jī)x表，然后在FX0407中進(jìn)行除法運(yùn)算，得到合成氣H2/N2，輸出經(jīng)濾波單元FX0409做主調(diào)AIC411的測(cè)量信號(hào)，在AIC411中與給定作比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出作新鮮氣H2/N2調(diào)節(jié)器AIC410的外給定，以調(diào)整新鮮氣的H2/N2來控制合成氣的H2/N2，此回路為H2/N2控制系統(tǒng)的主環(huán)。

在線分析儀把每次分析的新鮮氣H2和N2組分在FX0406中進(jìn)行除法運(yùn)算，得到新鮮氣H2/N2，輸出經(jīng)濾波單元FX0408作AIC410調(diào)節(jié)器的測(cè)量信號(hào)，在AIC410中與給定作比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出到

本系統(tǒng)是以合成塔入口循環(huán)氣H2/N2為主調(diào)（AIC411），以進(jìn)入合成系統(tǒng)新鮮空氣H2/N2為第一級(jí)副調(diào)（AIC410），以加入二段轉(zhuǎn)化爐的空氣流量調(diào)節(jié)器FIC003，以總碳流量FX0204 PV為前饋信號(hào)的“多串級(jí)-前饋-比值”控制系統(tǒng)。

H2/N2控制系統(tǒng)共采用各種功能的DCS內(nèi)部?jī)x表20多塊，其中：前饋運(yùn)算單元FX0414，與總碳流量進(jìn)行前饋運(yùn)算，得出所需的空氣流量。

前饋運(yùn)算單元FX0414輸出作空氣流量調(diào)節(jié)器FIC003的外給定，由于總碳流量FX0204 PV前饋信號(hào)的引入，它可以在原料氣變化時(shí)，相應(yīng)地事先改變加入系統(tǒng)的空氣流量，以補(bǔ)充或減少系統(tǒng)所需的N2量，使控制系統(tǒng)有利于克服系統(tǒng)的大時(shí)滯現(xiàn)象，增強(qiáng)系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。在該系統(tǒng)中設(shè)置了一套超前滯后動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，由一塊滯后單元FX0423，一塊超前滯后單元FX0425后一塊低選器FX0424組成，用來補(bǔ)償因工廠負(fù)荷變化到H2/N2變化，再來改變加入空氣流量時(shí)間上的大時(shí)滯現(xiàn)象和強(qiáng)烈擾動(dòng)。因此，該控制系統(tǒng)的控制特性和調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良，既提高了H2/N2的調(diào)節(jié)品質(zhì)，又使二段爐溫度波動(dòng)很小。FX0425具有一階滯后作用，它與低選器FX0424組合在一起，可以保證當(dāng)總碳流量低選時(shí)，快速減少空氣流量，不致引起進(jìn)入二段爐的空氣量過多造成設(shè)備超溫，而當(dāng)總碳流量增加時(shí)，使進(jìn)入二段爐的空氣量平穩(wěn)地遞增，避免造成系統(tǒng)擾動(dòng)。

在DCS內(nèi)部，F(xiàn)X0402中進(jìn)行溫壓補(bǔ)償運(yùn)算，得出進(jìn)入二段爐的實(shí)際空氣質(zhì)量流量，F(xiàn)X0402的輸出一路去FX0421與原料天總碳流量FX0204.PV進(jìn)行除法計(jì)算，得出空/碳比，由FI0421完成指示和報(bào)警；另一路去FIC003作測(cè)量，進(jìn)行空氣流量控制。第一調(diào)節(jié)通道由“氫/氮比控制--空氣流量調(diào)節(jié)器FIC003”通過改變空氣流量來調(diào)整新鮮氣H2/N2，嚴(yán)格控制合成氣的H2/N2，達(dá)到提高合成效率，最大限度地利用原料氣，提高裝置的生產(chǎn)能力。

3 系統(tǒng)的安全措施

從整個(gè)裝置的生產(chǎn)關(guān)聯(lián)性方面，設(shè)置了停車與事故處理程序，當(dāng)原料氣中斷、水/碳聯(lián)鎖、空氣壓縮機(jī)停車、引風(fēng)機(jī)停車及輔鍋滅火時(shí)，這些程序自動(dòng)取代了操作人員需要進(jìn)行的大量操作和緊急事故處理，減少停車時(shí)特別緊急停車時(shí)的擾動(dòng)和失誤，從而大大提高了操作的安全性和可靠性。

3.1 空氣中斷聯(lián)鎖保護(hù)由DCS內(nèi)部邏輯順序控制完成

條件：空氣流量PV（FI0003）≤7.0 t/h;

空氣流量PV（LFA110）≤7.0 t/h；

聯(lián)鎖投運(yùn)PV（NSW）=1。

當(dāng)以上條件如圖3所示，同時(shí)成立時(shí)，則有如下動(dòng)作：

(1) FIC003自動(dòng)變成手動(dòng)，并使進(jìn)入二段爐的空氣閥門全關(guān)，MV=0%；

(2) AIC411和AIC410自動(dòng)變成手動(dòng)；

(3) 向二段爐注蒸汽量增到最大，使調(diào)節(jié)閥MIC025全開，MV=100%；

(4) 空氣壓縮機(jī)調(diào)節(jié)器PIC048打手動(dòng)；

(5) 出現(xiàn)聲響、變色、閃光報(bào)警信息和操作指導(dǎo)信息。

3.2 一次儀表的安全保護(hù)

對(duì)空氣流量變送器等重要的一次儀表采用“雙因素”方式，組成“與門”，目的提高控制系統(tǒng)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，避免因儀表故障造成誤動(dòng)作或誤停車。

增加對(duì)一次儀表的故障和錯(cuò)誤信息的判斷識(shí)別及相應(yīng)的動(dòng)作保護(hù)措施，如輸入開路、輸出開路、測(cè)量變化率大、偏差值過大、輸入信號(hào)越限等現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)切除串級(jí)或自動(dòng)狀態(tài)。

增加各儀表的報(bào)警功能和自動(dòng)操作功能，各指示調(diào)節(jié)儀表均具有異常聲響報(bào)警、顏色變化、信息閃動(dòng)提醒等功能，工藝異常時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)工藝要求，自動(dòng)完成開閥關(guān)閥、設(shè)定合理工藝參數(shù)等操作，并顯示漢字化的操作指導(dǎo)信息，提醒操作人員。

該系統(tǒng)對(duì)一次儀表均要設(shè)置正常工藝操作上下限報(bào)警值（HI、LO）、變化率報(bào)警值VL、輸入斷線報(bào)警值IOP，對(duì)PID調(diào)節(jié)器均要設(shè)置偏差報(bào)警值DV，目的是對(duì)一次儀表和主要調(diào)節(jié)器的故障和錯(cuò)誤信息進(jìn)行判斷、識(shí)別，采取相應(yīng)的安全保護(hù)措施，如輸入開路、測(cè)量變化率大、輸入信號(hào)越限、偏差報(bào)警等現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)切除串級(jí)或自動(dòng)狀態(tài)，并報(bào)警提醒操作人員。

(1) 當(dāng)FT3、PT003A、TIOO3A之一輸入斷線IOP時(shí)， FIC00打手動(dòng)MAN。

(2) 當(dāng)FT3、PI003A、TI003A之一HI，或LO、或VL報(bào)警時(shí)，F(xiàn)IC003打手動(dòng)MAN。

(3) 當(dāng)FIC003偏差±DV報(bào)警時(shí)，F(xiàn)IC003打手動(dòng)MAN。

(4) 當(dāng)AIC410、AIC411之一偏差±DV報(bào)警時(shí)，或當(dāng)DCS中AR5_2、AR5_3、AR3_1、 AR3_2之一HI或LO、或VL報(bào)警時(shí)，F(xiàn)IC003由串級(jí)CAS轉(zhuǎn)換成自動(dòng)AUT。

(5) 當(dāng)AIC410或AIC411測(cè)量值PV小于2.6或大于3.3時(shí)，F(xiàn)IC003由串級(jí)CAS轉(zhuǎn)換成自動(dòng)AUT。

(6) 當(dāng)FIC003不在串級(jí)CAS時(shí)，AIC410的輸出OP自動(dòng)跟蹤FIC003內(nèi)給定SP。

(7) 當(dāng)AIC410不在串級(jí)CAS時(shí)，AIC411的輸出OP自動(dòng)跟蹤AIC410內(nèi)給定SP。

(8) AIC411、AIC410、FIC003在手動(dòng)MAN時(shí)，相應(yīng)的調(diào)節(jié)器自動(dòng)跟蹤：

(9) 當(dāng)FIC003不在CAS時(shí)，AIC410、AIC411均打手動(dòng)MAN；

(10) 當(dāng)FIC003在CAS時(shí)，AIC410變?yōu)锳UT；當(dāng)AIC410在CAS時(shí)，AIC411變?yōu)锳UT。

(11) OOP輸出斷線報(bào)警時(shí)，相應(yīng)的調(diào)節(jié)器自動(dòng)打手動(dòng)MAN。

3.3 溫壓補(bǔ)償

在DCS內(nèi)部，空氣流量測(cè)量進(jìn)行了溫壓補(bǔ)償校正，空氣流量溫壓補(bǔ)償為了避免儀表故障導(dǎo)致流量測(cè)量錯(cuò)誤，采取了間斷性溫壓補(bǔ)償方式，即：當(dāng)參與校正的溫度、壓力測(cè)量值正常時(shí)，5秒鐘一刷新；異常（HI、或LO、或VL、或IOP）時(shí)，保持上一周期的數(shù)據(jù)，停止數(shù)據(jù)采集，流量校正采用前一次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，當(dāng)該儀表正常后，又恢復(fù)5秒鐘采集一次。采用此方法進(jìn)行校正的目的是防止參與的儀表失靈造成整個(gè)控制系統(tǒng)誤動(dòng)作而造成事故。

4 系統(tǒng)投運(yùn)與操作

利用DCS系統(tǒng)的邏輯順序控制功能，經(jīng)過專門處理，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜控制的無平衡、無擾動(dòng)一次投運(yùn)，操作起來既簡(jiǎn)單又方便。

4.1 投運(yùn)步驟

(1) 首先檢查各儀表指示均正常；

(2) 把空氣流量FIC003調(diào)整到正常值，投自動(dòng)；

(3) 確認(rèn)在線氣相色譜儀分析正常，F(xiàn)IC003投串級(jí)，AIC410投自動(dòng)，穩(wěn)定后投串級(jí)；

(4) 合成氣H2/N2調(diào)節(jié)器AIC411投自動(dòng)，給出H2/N2最終控制指標(biāo)，SV=2.8；

(5) 空氣中斷連鎖保護(hù)系統(tǒng)投運(yùn)。

4.2 系統(tǒng)切除

系統(tǒng)的切換十分簡(jiǎn)單，有自動(dòng)切除和人為切除兩種方式，不論哪一種方式，都視具體情況先切除哪一個(gè)和切除到哪一級(jí)，操作十分靈活方便，可以一次到位。AIC411為主級(jí)，AIC410為第一副級(jí)，F(xiàn)IC003為第二副級(jí)。由于該系統(tǒng)設(shè)置了許多操作、投運(yùn)與切除方面的安全保證措施，異常狀況時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)系統(tǒng)完成一系列的操作和切換。如自動(dòng)脫除串級(jí)，自動(dòng)開閥關(guān)閥，自動(dòng)設(shè)定值等。而且各主要儀表均具有跟蹤、變化率限幅、高低限報(bào)警、偏差報(bào)警、儀表故障診斷報(bào)警和工藝操作范圍限制提醒等功能，依此配有一些安全邏輯順序控制操作與切換，并配有操作指導(dǎo)信息和聲響、變色、閃光報(bào)警，所以，對(duì)操作人員來說，既簡(jiǎn)單方便，又安全可靠。

4.3 系統(tǒng)操作

(1) 由于異常狀況時(shí)，邏輯順序控制（SEQ）會(huì)自動(dòng)切除串級(jí)，一旦AIC410和FIC003自動(dòng)切除串級(jí)，需查明情況再投運(yùn)。

(2) 經(jīng)常檢查空氣壓縮機(jī)101-J的出口壓力PI0048和二段爐各點(diǎn)溫度。

(3) 注意空/碳FI0415指示變化與報(bào)警信息，進(jìn)一步判斷加入的空氣流量是否進(jìn)入一段爐的原料氣相一致。

5 系統(tǒng)投運(yùn)效果

合成回路氫氮比控制是大型合成氨裝置提高氨產(chǎn)量、降低能耗的關(guān)鍵一環(huán)。該設(shè)計(jì)方案投運(yùn)幾年來，氫氮比先進(jìn)節(jié)能控制系統(tǒng)能根據(jù)工廠負(fù)荷的波動(dòng)，能夠克服大時(shí)滯現(xiàn)象，具有很好的自適應(yīng)能力和抗干擾能力，調(diào)節(jié)品質(zhì)和控制特性優(yōu)良，并具有可靠的安全保護(hù)措施，操作簡(jiǎn)單、方便。既保證了氫氮比調(diào)節(jié)質(zhì)量，又使二段爐溫度波動(dòng)小。當(dāng)總碳流量降低時(shí)，快速減少空氣量，不致引起進(jìn)入二段爐的空氣過多造成設(shè)備超溫，而當(dāng)總碳流量增加時(shí)，使進(jìn)入二段爐的空氣量平穩(wěn)地遞增，避免造成系統(tǒng)波動(dòng)。該系統(tǒng)實(shí)際投運(yùn)驗(yàn)證，技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)標(biāo)：①工廠負(fù)荷正?？刂浦笜?biāo)≤±1.0%；②氫氮比正?？刂浦笜?biāo)≤±0.1，取得很好的經(jīng)濟(jì)效果。

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