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張洪垠（1962－） 男，高級工程師，（杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，北京 100096）現(xiàn)任杭州和利時(shí)自動(dòng)化公司工業(yè)自動(dòng)化事業(yè)部工程總經(jīng)理，兼公司副總工程師，負(fù)責(zé)完成了國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目《大型合成氨和尿素裝置優(yōu)化控制和調(diào)度》和《流程工藝CIMS應(yīng)用工程》及典型的合成氨、尿素、雙氧水、硝酸、燒堿、甲醇、制氫等數(shù)十套置的DCS新建和改造項(xiàng)目。
摘要: 本文針對年產(chǎn)45萬噸大型合成氨裝置，介紹了以DCS為基礎(chǔ)圍繞氨合成塔的節(jié)能挖潛、降低消耗、以及保證安全穩(wěn)定生產(chǎn)方面，開發(fā)設(shè)計(jì)了氨合成塔各段床層出口溫度先進(jìn)節(jié)能控制系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)二級優(yōu)化控制的方法和思路。
關(guān)鍵詞: 合成塔；溫度；先進(jìn)；節(jié)能；優(yōu)化；控制
Abstract: Based on DCS system and consideration of energy-saving and safety working of synthesis converter in 450,000 t/a synthetic ammonia unit, this paper introduces an advanced temperature control system, the design conception, and the optimized control method.
Key words: Synthesis Converter; Temperature; Advance; Energy-saving; Optimized; Control
1 概述
在中石油最大的年產(chǎn)45萬噸合成氨裝置中，合成塔為托普索200系列徑向、二段冷激式。塔由外筒和內(nèi)筒組成，內(nèi)筒有二層催化劑和兩臺(tái)內(nèi)部熱交換器；催化劑為鐵系氨合成催化劑；氣體分三路進(jìn)塔。主氣路，由合成塔頂部的兩個(gè)對稱進(jìn)口入塔，沿內(nèi)外筒環(huán)隙下流，為外筒屏熱，到塔底入下部熱交換器殼側(cè)，被二段催化劑層出來的熱氣體加熱，然后沿中心管向上流動(dòng)。
冷激氣（約占41%），由塔頂進(jìn)入上段床床間換熱器管程，與出一段床的熱氣體換熱，然后在中心管上部與主氣流混合。由于混合氣體溫度較高，超過一段反應(yīng)溫度，為此可用另一路進(jìn)塔氣（約占18%），即從合成塔底部導(dǎo)入的冷付線控制一段床入口溫度。
出一段床的氣體溫度達(dá)500℃，流經(jīng)上段床床間換熱器殼程，溫度降至400℃，然后進(jìn)入下段床。下段床的入口溫度由手動(dòng)控制。氣體由外向內(nèi)徑向流過二段催化劑層。在中心管與催化劑筐內(nèi)壁間的環(huán)隙向下流動(dòng)，匯集后入下部換熱器管程，加熱去一段催化劑層的冷氣體，降溫至330℃從塔底部流出，離開合成塔。
實(shí)踐證明，要想使合成塔真正有較高的合成效率，充分發(fā)揮催化劑的作用和延長其使用壽命，提高氨合成效率和減小合成塔阻力，達(dá)到降低能耗提高氨產(chǎn)量的目的，必須控制好合成塔催化劑床層的出口溫度，催化劑床層的溫度是大型氨廠非常重要的工藝控制指標(biāo)之一。
2 影響合成塔催化劑床層溫度的因素
為了控制好合成塔催化劑床層溫度，我們首先對影響合成塔催化劑床層溫度的因素分別作一些簡單的定性分析。
(1)合成塔的工作壓力：提高工作壓力，會(huì)使溫度上升，為了使反應(yīng)平穩(wěn)地進(jìn)行，應(yīng)控制合成塔工作壓力的穩(wěn)定。在大化肥裝置中，主要控制手段是在合成塔的外圍對合成塔的新鮮氣流量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。
(2)合成塔的進(jìn)料濃度：合成塔的進(jìn)料是新鮮氣和循環(huán)氣的混合氣。目前在大化肥裝置中基本上都成功地由DCS實(shí)現(xiàn)了H2/N2控制和惰氣含量控制。
(3)總負(fù)荷量：裝置的總負(fù)荷量一般是由前段生產(chǎn)工序所決定，對合成塔催化劑床層溫度來說屬于不可控因素，是一種干擾因素。
(4)催化劑老化情況：隨著催化劑的老化，在其它條件不變時(shí)，將使溫度下降。這也屬一種不可控因素。
(5)反應(yīng)床層的入口溫度：入口溫度愈高，則塔內(nèi)熱點(diǎn)溫度愈高，其控制手段是調(diào)節(jié)進(jìn)氣冷激量的閥門開度。
以上是影響合成塔溫度的五大因素，同時(shí)，合成塔內(nèi)催化劑床層的溫度并非均勻分布，隨著各種干擾因素的影響，也會(huì)使塔內(nèi)反應(yīng)放出的熱量有所差別。因此塔內(nèi)每個(gè)床層都存在一個(gè)溫度最高的點(diǎn)，即“熱點(diǎn)”。熱點(diǎn)是合成塔中關(guān)鍵的被控參數(shù)。這是因?yàn)闇囟瘸^一定限度后將會(huì)損壞催化劑，同時(shí)熱點(diǎn)溫度又較能準(zhǔn)確的反映化學(xué)反應(yīng)的情況，而且在擾動(dòng)作用下變化較為顯著。熱點(diǎn)的溫度并非一成不變，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)點(diǎn)，如何控制好熱點(diǎn)溫度直接影響著合成氨能耗和產(chǎn)量。
3 改造前合成塔催化劑床層溫度控制
合成塔原設(shè)計(jì)是通過設(shè)置在每個(gè)冷激管線上的流量手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，改變冷激氣量來控制床層的入口溫度，試圖保證合成塔床層的出口溫度穩(wěn)定。合成塔共有二層催化劑，一、二層各設(shè)有一套手動(dòng)冷激進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥（FV-3、FV-2）。
這種控制方式主要靠人工手動(dòng)控制每段床層的入口溫度，投用效果不佳。每段床層的出口溫度是大型合成氨廠非常重要的工藝控制指標(biāo)，由于這種控制方式，床層的出口溫度不是閉環(huán)自動(dòng)控制，而是開環(huán)人工控制，實(shí)踐證明，這種控制方式自適應(yīng)能力和抗干擾能力差，調(diào)節(jié)品質(zhì)和控制特性偏差大，系統(tǒng)不穩(wěn)定，反應(yīng)不平穩(wěn)，容易造成床層溫度出口指標(biāo)波動(dòng)偏離，直接影響著合成塔的轉(zhuǎn)化效率，對穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和催化劑的使用壽命均不利。
4 改造后合成塔床層溫度控制方案與原理
在實(shí)際操作過程中，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)探索得知，合成塔的催化劑床層溫度、壓力、流量、負(fù)荷及成份變量之間耦合作用并不十分明顯，而每一床層入口溫度對出口溫度影響比較顯著，出口溫度的變化來自入口溫度的明顯變化，入口溫度變化超前、靈敏，且直接影響出口溫度的變化，所以只要控制好入口溫度，就能保證出口溫度的穩(wěn)定。在DCS中以每一層的出口溫度作為主調(diào)，以其入口溫度作為副調(diào)，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)每層的入口冷激氣量閥門的開度，來達(dá)到控制塔內(nèi)溫度平衡的目的。
該方案把原來每層的出口溫度指示改成溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，作為主調(diào)，使之成為被調(diào)參數(shù)；每層的入口溫度為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使之成為第一副調(diào)，每層的入口冷激流量為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使之成為第二副調(diào)，直接控制原2個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥。其中，第一層冷激進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥為FIC-3；第二段床層冷激進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥為FIC-2，共構(gòu)成2套溫度三串級自動(dòng)控制系統(tǒng)。
圖1 控制方案圖
圖2 控制回路原理圖
表1
上述方案是針對年產(chǎn)45萬噸合成氨裝置，以DCS為基礎(chǔ)圍繞氨合成塔的節(jié)能挖潛、降低消耗、以及保證安全穩(wěn)定生產(chǎn)方面，開發(fā)設(shè)計(jì)了氨合成塔各段床層出口溫度先進(jìn)節(jié)能控制系統(tǒng)。改造后氨合成塔床層出口溫度先進(jìn)節(jié)能控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和超前調(diào)節(jié)、純滯后補(bǔ)償能力；調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良，控制效果良好；從而穩(wěn)定和方便了工藝操作，提高了合成塔轉(zhuǎn)化效率，降低了能耗，增加了合成氨產(chǎn)量，延長了催化劑使用壽命。在工藝條件允許的情況下，能在工廠負(fù)荷50%～105%的范圍內(nèi)，均可投用，效果良好。
5 調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全措施（邏輯控制策略）
該系統(tǒng)對一次儀表均要設(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PID調(diào)節(jié)器均要設(shè)置偏差報(bào)警值DV和輸出斷線報(bào)警OOP，目的是對儀表故障和錯(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。
在系統(tǒng)投運(yùn)狀態(tài)時(shí)，如有輸入開路、測量變化率大、輸入信號(hào)越限、偏差報(bào)警、OOP輸出斷線報(bào)警等現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)切除串級或自動(dòng)狀態(tài)，并報(bào)警提醒操作人員。
6 為合成塔的計(jì)算機(jī)二級優(yōu)化（SPC）控制奠定基礎(chǔ)
本次通過開發(fā)DCS強(qiáng)大的功能實(shí)現(xiàn)合成塔催化劑床層的溫度自動(dòng)控制，也是為今后實(shí)現(xiàn)二級計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制（即“熱點(diǎn)”控制）打下良好的基礎(chǔ)。在DCS這一基礎(chǔ)上，將來可以利用上位機(jī)建立以能表述合成氨產(chǎn)量、轉(zhuǎn)化率為目標(biāo)，以最優(yōu)熱點(diǎn)溫度為控制手段的數(shù)學(xué)模型，由數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)二級優(yōu)化運(yùn)算，二級優(yōu)化得到最優(yōu)的輸出作為DCS系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的外部設(shè)定值SP，構(gòu)成計(jì)算機(jī)的二級優(yōu)化SPC系統(tǒng)。
圖3 合成塔的計(jì)算機(jī)優(yōu)化(SFC)系統(tǒng)
有了DCS良好的開發(fā)應(yīng)用和投運(yùn)基礎(chǔ)之后，將來具備條件時(shí)可以考慮下一步的“合成塔催化劑床層溫度二級優(yōu)化控制”，進(jìn)一步提高合成塔的轉(zhuǎn)化效率，增加合成氨產(chǎn)量，降低能耗。為此，需要對合成塔的工藝機(jī)理和熱點(diǎn)溫度進(jìn)行深入的實(shí)踐研究，建立可行的合成塔數(shù)學(xué)模型，由上位機(jī)完成優(yōu)化運(yùn)算的在線熱點(diǎn)二級優(yōu)化控制。
圖5 合成塔溫度熱點(diǎn)優(yōu)化控制曲線圖
結(jié)合建立數(shù)學(xué)模型的分析和實(shí)驗(yàn)測試兩種方案，研究生產(chǎn)過程中各操作參數(shù)、控制指標(biāo)之間的關(guān)系，找出描述過程的輸入向量（包括控制向量和擾動(dòng)向量）、狀態(tài)向量和輸出向量（被控向量）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，即建立數(shù)學(xué)模型，然后通過計(jì)算機(jī)仿真求解，采用合理的調(diào)優(yōu)技術(shù)，尋求合成塔內(nèi)熱點(diǎn)溫度參數(shù)的最佳設(shè)定值，由上位機(jī)輸出給DCS作溫度控制系統(tǒng)的外給定，以合成塔的2套串級溫度控制系統(tǒng)為手段，實(shí)現(xiàn)催化劑床層溫度在線優(yōu)化控制。上位機(jī)從DCS中采集與工藝過程有關(guān)聯(lián)的過程變量，經(jīng)過優(yōu)化運(yùn)算輸出變量2個(gè)，它們分別作每一層溫度控制系統(tǒng)主調(diào)的外給定，構(gòu)成閉環(huán)在線優(yōu)化控制。優(yōu)化運(yùn)算在上位機(jī)完成，溫度串級控制在DCS中完成，組成典型的計(jì)算機(jī)二級優(yōu)化控制SPC系統(tǒng)。
圖6 大型合成氨裝置－合成塔溫度先進(jìn)節(jié)能控制系統(tǒng)
其他作者：
石宏圖，王會(huì)民，吳 彬（杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，北京 100096）
石宏圖，王會(huì)民，吳 彬（杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，北京 100096）
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