合成氨工藝儀表選型及DCS自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王亞建

(陽煤豐喜泉稷能源有限公司，山西 稷山 043200)

引 言

近年來，我國合成氨行業(yè)得到飛速發(fā)展，通過合成工藝所制備的氨占我國氨總共使用量的80%左右。而且，隨著合成氨工藝的不斷改進(jìn)與優(yōu)化，目前可應(yīng)用于合成氨的原料包括有潔凈煤、石油天然氣以及含有一定量硫、灰等雜質(zhì)特殊煤種。因此，基于煙煤、褐煤以及含雜質(zhì)的煤合成氨不僅解決了我國對(duì)氨的需求，還提高了對(duì)低質(zhì)量煤種的利用率[1]。本文著重針對(duì)某化工廠合成氨的工藝流程以及關(guān)鍵儀表的選型設(shè)計(jì)，最終完成合成氨DCS自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 合成氨控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合合成氨裝置的工藝流程及操作規(guī)范要求，選用集散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)合成氨整個(gè)工藝流程中涉及到的工藝設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)、控制。并為系統(tǒng)設(shè)置專用的保護(hù)生產(chǎn)裝置，為合成氨工藝流程設(shè)置可檢測(cè)有毒氣體和可燃?xì)怏w的裝置。

其中，集散控制系統(tǒng)主要由操作站、控制站、工程師站以及UPS電源等裝置組成，其主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)合成氨工藝流程的集中監(jiān)測(cè)和控制[2]。結(jié)合合成氨工藝從氣化到最終產(chǎn)品獲取所經(jīng)歷的24個(gè)工段，要求集散控制系統(tǒng)對(duì)每個(gè)工段都需做到實(shí)時(shí)精確監(jiān)控，并對(duì)工藝過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)以及報(bào)警信息進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。結(jié)合合成氨工藝流程，設(shè)計(jì)如表1所示的相關(guān)系統(tǒng)及設(shè)備。

表1 合成氨工藝涉及到的站臺(tái)及設(shè)備統(tǒng)計(jì)

其中，合成工藝中涉及到的循環(huán)水由PLC系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，脫鹽水、給水裝置、中水回用系統(tǒng)均有常規(guī)儀表進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，污水處理基于就地控制室和PLC控制器進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)和控制，基于ITCC控制系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)組進(jìn)行控制[3]。由于合成氨工藝流程中涉及到多個(gè)工段的變換，因此根據(jù)工藝條件對(duì)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 變換工段控制點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)

2 合成氨工藝儀表選型

結(jié)合合成氨工藝的自動(dòng)化集散控制要求，合成氨工藝中涉及到的儀表類型包括溫度儀表、壓力儀表、流量?jī)x表、液位儀表、可燃有毒氣體檢測(cè)儀表以及相關(guān)閥門等。值得注意的是，現(xiàn)場(chǎng)儀表的選型需嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等要求進(jìn)行，并保證所選型儀表滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

2.1 溫度儀表的選型

溫度儀表為煤化工廠中最為常用的儀表之一，且常用溫度儀表的類型包括有熱電阻溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、溫度變送器以及雙金屬溫度計(jì)等。其中，熱電阻溫度計(jì)主要應(yīng)用于測(cè)量溫度低于500 ℃的檢測(cè)；熱電偶溫度計(jì)主要應(yīng)用于測(cè)量溫度高于500 ℃的測(cè)量。為了保證溫度檢測(cè)的精確性，要求將溫度計(jì)安裝與保護(hù)套管內(nèi)，并基于法蘭式連接完成對(duì)測(cè)量點(diǎn)溫度的檢測(cè)。

根據(jù)本化工廠中合成氨工藝流程中變換工段的粗煤氣溫度、壓力以及管道工程壓力相關(guān)參數(shù)，所選型熱電阻溫度計(jì)的型號(hào)為Pt100。由于合成氨工藝需對(duì)多個(gè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量，并且需通過增加測(cè)量深度保證測(cè)量精度[4]。因此，最終所選型熱電偶溫度計(jì)的具體結(jié)構(gòu)形式為多支多點(diǎn)式結(jié)構(gòu)。

2.2 壓力儀表的選型

壓力儀表為工業(yè)生產(chǎn)中比不可少的檢測(cè)設(shè)備，針對(duì)合成氨工藝中的壓力儀表其主要是對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的壓力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證工藝實(shí)時(shí)的安全性。由于，合成氨工藝中涉及到多個(gè)變換工段最大點(diǎn)的壓力值為3.67 MPa。因此，合成氨工藝所選型壓力儀表為普通壓力變送器，但是，合成氨工藝中涉及了易結(jié)晶、有毒介質(zhì)的組分。故，針對(duì)工藝管路中壓力的測(cè)量選用隔膜密封壓力變送器，對(duì)于需監(jiān)測(cè)壓力的位置，除了采用普通壓力表外還為可選用不銹鋼耐震壓力表。

2.3 流量?jī)x表的選型

針對(duì)本文所述合成氨工藝，可選型流量?jī)x表的類型包括有節(jié)流裝置、流量變送器以及各種類型的流量計(jì)等。因此，根據(jù)不同的應(yīng)用工況，最終所選型流量?jī)x表的類型不同及相關(guān)參數(shù)不同：

1) 用于對(duì)蒸汽流量監(jiān)測(cè)，且蒸汽管道的直徑小于300 mm，蒸汽的溫度小于500 ℃，選用渦街路流量計(jì)；對(duì)于蒸汽管道直徑大于300 mm，蒸汽溫度大于500 ℃蒸汽流量的測(cè)量選擇具有節(jié)流功能的流量變送器，按照GB/T 2624-2006進(jìn)行選型。

2) 用于對(duì)蒸汽流量存在變換工況時(shí)流量的測(cè)量選擇德爾塔流量計(jì)。

3) 用于對(duì)冷凝液流量測(cè)量選擇金屬管浮子流量計(jì)。

2.4 液位(物位)儀表的選型

針對(duì)合成氨工藝中需對(duì)其中所涉及到換熱器中液體的高度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還需對(duì)煤倉中原料煤的高度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，需在合成氨工藝中選配對(duì)應(yīng)的液位(物位)儀表。該化工廠所選用的液位儀表主要包括有磁致伸縮液位計(jì)、磁翻板液位計(jì)以及液位差壓變送器[5]。

其中，液位壓差變送器主要應(yīng)用于合成氨工藝中對(duì)脫氧水灌的液面高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)(測(cè)量原理如圖1所示)，磁翻板液位計(jì)主要應(yīng)用于對(duì)合成氨工藝中相關(guān)設(shè)備液面高度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(即就地液位的監(jiān)測(cè))；磁致伸縮液位計(jì)應(yīng)用于對(duì)其他設(shè)備液面高度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 液位壓差變送器測(cè)量原理圖

2.5 其他儀表的選型

本節(jié)所述其他儀表的選型包括有對(duì)可燃有毒氣體檢測(cè)儀表和相關(guān)閥門的選型。在合成氨的實(shí)際生產(chǎn)中的變換工段中不可避免地會(huì)產(chǎn)生可燃性氣體氫氣以及具有毒性的氣體二氧化硫、一氧化碳和氨氣等。為保證合成氨生產(chǎn)的安全性，為其合成工藝配置了對(duì)應(yīng)數(shù)量的可燃?xì)怏w和有毒氣體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中，可燃?xì)怏w的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為6個(gè)，有毒氣體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為12個(gè)。

閥門的選型需根據(jù)合成氨工藝變換工段中涉及到管路的直徑進(jìn)行選擇，具體選型結(jié)果如表3所示。

表3 閥門選型結(jié)果

3 結(jié)語

結(jié)合合成氨工藝的工藝流程及變換工段的統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)合成氨的集散自動(dòng)化控制是保證制備氨高效性、安全性的主要途徑。本文針對(duì)合成氨涉及到各個(gè)工藝流程中關(guān)鍵儀表進(jìn)行選型，并對(duì)涉及到設(shè)備以及變換工段控制點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，初步完成可應(yīng)用于合成氨工藝中的DCS自動(dòng)化控制系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用表明：

1) 作業(yè)人員可對(duì)各個(gè)變換工段的控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并完成對(duì)合成氨工藝回路的主動(dòng)控制；

2) DCS自動(dòng)化控制系統(tǒng)在合成氨工藝中的應(yīng)用大大提升了控制的可靠性和精度，保證了合成氨工藝實(shí)施的安全性和高效性，減少應(yīng)控制系統(tǒng)故障而造成的停機(jī)事故發(fā)生。