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　　摘 要：介紹DCS系統在煤頭大化肥裝置的應用，結果表明，該系統達到優化管理，安全生產的目的。

　　關鍵詞：合成氨；尿素；裝置；DCS系統

　　1 概述

　　DCS集計算機技術、控制技術和網絡技術于一體，采用若干個控制器（過程站）對生產過程中的眾多控制點進行控制，各控制器間通過網絡連接并可進行數據交換。采用計算機操作站，通過網絡與控制器連接，收集生產數據，傳達操作指令，可達到分散控制，集中管理的目的。

　　山西晉豐煤化工有限責任公司360kt／a合成氨、520kt／a尿素裝置的生產過程具有高溫高壓、易燃易爆、有毒有害環境，以及多變量、多耦合、非線性輸入/輸出等特點，對DCS系統提出了更高的要求。經過綜合比較，該裝置的鍋爐、造氣車間分別選用了杭州威盛自動化控制公司生產的FB一2000NS系統和長沙儀峰自動化公司生產的DCS控制系統；凈化、合成和尿素車間則采用北京和利時系統工程股份有限公司生產的SMART—PRO系統。

　　2 鍋爐控制系統

　　2．1 系統配置

　　鍋爐DCS系統設有控制站（FCS）1臺，操作站2臺，工程師站1臺，打印機站1臺。

　　2．2 控制要點

　　由于循環流化床鍋爐（CFB）的燃燒過程十分復雜、受到多種因素影響。控制要點為：①保證鍋爐蒸發量在額定范圍內；②保證汽溫、汽壓在正常變化范圍內，且蒸汽品質合格；③穩定燃燒、提高鍋爐熱效率。

　　2．3 控制方法

　　采用爐膛負壓控制、汽包水位控制和主蒸汽溫度控制來保證鍋爐安全穩定運行。

　　2．3．1 爐膛負壓

　　合適的爐膛負壓是鍋爐安全燃燒的保證，也是鍋爐燃燒控制的一部分，但具有相對的獨立性，以PID參數整定從燃燒控制中分散出來采用單回路來實現。

　　2．3．2 汽包水位

　　經典的三沖量串級前饋控制在各種鍋爐汽包水位的自動調節中已得到廣泛應用，但是存在鍋爐負荷的大擾動和鍋爐汽包的不定期人工排污問題。在實際應用中，引入了負荷變化率和汽包水位變化率兩個變量，正常水位調節時這兩個變量均在某一限值之內，如超過該限值時，將按一定規則調節強行上拉或下拉水位調節閥，以保證汽包水位在安全范圍之內。

　　2．3．3 主蒸汽溫度

　　主蒸汽溫度控制采用串級前饋方案，理想的是用減溫器出口溫度作為前饋以彌補主蒸汽溫度的大滯后，但由于工藝安裝的難度，所以用爐膛出口溫度作為前饋。

　　3 造氣工段控制系統

　　3．1 系統配置

　　造氣系統設有采集站（FCS）2臺，操作站4臺，工程師站1臺。

　　3．2 控制要點

　　造氣爐效率直接關系到煤耗和產氣率。采用固定床常用氣化爐間歇制氣，對此保持一個較高的轉化率是非常重要的，水碳比、氧碳比控制在合理的范圍內非常關鍵。

　　3．3 控制方法

　　3．3．1 水碳比

　　（1）水碳比的控制主要是調整蒸汽量。針對工藝要求，采用單回路PID調節單臺煤氣爐的廢熱鍋爐液位、夾套鍋爐液位和低壓蒸汽總管壓力等。

　　（2）在蒸汽調節中，因造氣用蒸汽的特殊性，常規蒸汽穩壓存在嚴重滯后現象，因此采取常規穩壓加前饋的方法，即在普通穩壓調節的基礎上，根據吹蒸汽時蒸汽總閥開的數量的多少，提前成正比開大蒸汽調節閥，加大蒸汽量；在不吹蒸汽時前饋調節關閉，蒸汽只起穩定調節作用，利用吹蒸汽時爐膛溫度是由高向低的變化，提高蒸汽分解率。

　　3．3．2 氧碳比

　　氧碳比的控制主要是控制空氣量。公共部分的空氣流量采用單回路PID調節。它的優點是：①控制系統與尋優微機配合可合理分配吹風時間，同時可根據爐子負荷、爐溫、灰渣情況及時調整各階段循環時間，從而穩定爐況；②單爐循環過程響應迅速，當工藝出現異常時可及時報警，并給出操作提示；③可提供適宜的循環氫氮比，為管理人員提供準確的爐況變化信息；④各個切換閥門的可靠切換、準確快速到位，避免氣體在管道中發生爆炸；⑤可防止爐體被燒壞、爐內結疤、床層產生風洞、廢熱鍋爐汽包干鍋等；⑥確保半水煤氣成份（特別是氧含量）合格穩定，降低煤耗。

　　4 凈化工段控制系統

　　4．1 系統配置

　　凈化系統設有控制站（FCS）1臺，操作站4臺，工程師站1臺，打印機站1臺。

　　4．2 控制要點

　　換熱式全低變耐硫低溫變換的工藝具有變換觸媒溫度低的特點，該工藝能減少蒸汽的消耗，提高轉換率。所以變換爐溫度的穩定控制是該系統的關鍵之處。

　　4．3 控制方法

　　4．3．1 內外環串級中變比例控制

　　針對換熱式全低變耐硫低溫變換工藝，系統采用內外環串級中變比例控制，即根據進工段的氣量先調節加蒸汽的比例，同時根據工況調整內外環切人及聯鎖。半水煤氣與補加蒸汽混合，經預熱器、熱交換器換熱升溫后由頂端進入低端。

　　4．3．2 變換爐熱點溫度超前一滯后補償

　　變換爐熱點溫度存在反對象特性，用普通PID控制會出現溫度反應滯后，導致控制曲線不穩，針對這種情況，從變換爐進氣量取一微分，將進氣量的變化取出，這就是控制溫度所需的超前量，將此超前量進行系數運算后滯后處理，再將其數據與熱點觸媒溫度疊加，通過調整滯后時間和比例系數，使之剛好填平測量溫度的凹下去的曲線，這時雖然測量的溫度具有反對象特性，但給PID的溫度曲線已是正常曲線。

　　5 合成工段控制系統

　　5．1 系統配置

　　合成系統設有控制站（FCS）2臺，操作站4臺，工程師站1臺，打印站1臺。

　　5．2 控制要點

　　合成過程的控制要點是：氫氮比控制、合成塔觸媒層穩定溫度控制、氨冷器溫度控制和吹出氣（弛放氣）控制。

　　5．3 控制方法

　　合成塔觸媒溫度的控制是比較難的，DCS系統對熱點溫度實行自動高選控制，用合成塔冷激氣，環隙溫控制進行輔助。另外由于氨庫的重大危險性，此套系統特殊增加氨庫聯鎖。

　　5．3．1 熱點溫度自動高選控制

　　（1）針對傳統的32MPa高壓合成塔，選用24點中的可能成為熱點的14個點為觸媒溫度，一般選5到18點，用一自動高選功能塊自動選出當前溫度最高一個點來控制合成塔溫度，才能保證觸媒溫度交替上升時始終是熱點在控制合成塔的工作狀態。

　　（2）保持手動選擇功能，，因為在生產中每層觸媒都有不同的溫度要求，工藝人員通過手動選擇任一熱點作為控制，既可控制副線，又可有選擇地投入／切除東西環隙溫度控制，冷激氣控制。

　　（3）由于觸媒溫度有一定的滯后性，因此還要兼顧流量的變化，即要將流量變化的超前量提前引入控制中，以補償溫度的滯后。

　　5．3．2 合成塔冷激氣、環隙溫度控制

　　（1）合成塔另有三個冷激氣控制回路分別調節三層觸媒溫度，東西兩個環隙溫度調節回路。

　　（2）將合成塔的觸媒分布、各熱偶位號分布＼插人深度＼溫度值＼單位＼報警上下限設置和趨勢等在屏幕上顯示出來，方便操作。

　　5．3．3 安全聯鎖

　　針對放氨易出現超壓，控制設有氨庫超壓保護，即在氨庫未超壓時，放氨閥受氨分、冷激液位控制；當氨庫壓力超壓時，氨分、冷激放氨閥緊急關閉，并聲光報警。同時把氨庫超壓聯鎖設置成普通操作員不允許修改級別。

　　6 尿素工段控制系統

　　6．1 系統配置

　　尿素系統設有控制站（FCS）2臺，操作員站3臺，工程師站1臺，打印站1臺。

　　6．2 控制要點

　　尿素系統控制要點是對尿素合成塔氨碳比、水碳比的控制。尿素工段整個控制主要圍繞減少原料損失，降低NH 耗、提高尿素產量和質量，以及工藝的自控水平、方便生產管理等方面進行。

　　以下僅介紹NH3／CO 控制、水碳比的控制、CO 流量負荷控制和氧含量控制等內容。

　　6．3 控制方法

　　6．3．1 NH3／CO2控制

　　NH3／CO2控制系統是一個“三串級一前饋一比值一純滯后補償”的綜合性復雜控制系統。該系統主要控制參數是合成塔的氣相NH3／CO2和配料；副參數是進人高壓系統的液氨流量和高壓氨泵的轉速；前饋信號是進人尿素裝置的純干基CO2流量。對該控制系統，把NH3和CO2兩種物料聯系起來看，又有比值控制作用，以CO2為主動物料，NH為從動物料，一旦進人尿素裝置的CO，量發生變化，就會造成總配料比失調，此時通過自動調節液氨流量，來保證NH3／CO2控制在3．8～4．2。

　　6．3．2 水碳比控制

　　水碳比的控制是保持塔內的溫度從下到上有一定的梯度，即采用合成塔水碳比單回路PID控制+前饋：用合成塔底部溫度為測量信號，同時用合成塔中部溫度、上部溫度的變化趨勢經過計算得出參數作為前饋，調節一段甲氨泵轉速，實現H2O／CO2為0．6～0．8。

　　6．3．3 CO2流量負荷控制

　　CO2流量負荷控制系統是一個帶有溫壓補償各種運算的三串級調節系統。在此控制系統中，CO2壓縮機的人口壓力為關鍵變量主參數。通過控制機組的轉數，改變進人系統的CO2流量作為副參數。若壓縮機的轉數增加，CO2的流量也增加，而壓縮機的人口壓力則相應減少，從而保證人口壓力恒定在一個期望值上。

　　6．3．4 氧含量控制

　　氧含量控制是一套前饋一串級調節系統。根據工藝要求氧含量以實際流量的CO2的0．8％。經在線氧分析儀測得二者之差，確定進人系統的空氣量，以達高壓系統防腐目的。

　　7 效果

　　以DCS系統作為現代化生產控制的核心，以OPC協議2．0為通訊標準，組建的生產調度管理系統，在投人兩年多來，運行穩定，控制指標精確，達到預期效果，在生產中起到了顯著作用。

　　（1）通過對關鍵影響過程的參數監控，保證生產的穩定運行，當生產狀態出現問題時，能及時做出反應，減少非計劃停車次數。

　　（2）生產管理人員可利用適時的和歷史的數據對生產的工藝過程進行在線分析，及時發現過程運行的規律，通過調整工藝參數，優化生產過程，提高產品的產量及質量。

　　（3）當發生故障時，可以利用適時的和歷史的數據，對故障進行及時的分析，明確發生的原因，以避免故障的再次發生。

　　（4）DCS控制系統可以根據不同的生產狀況，進行多回路的關聯控制，提高控制的準確性和可靠性，顯著提高生產的效率。

　　8 結語

　　選用的DCS系統均由國內外先進的軟、硬件組成，具備了硬軟件自診斷、權限保密和冗余等附屬功能，有較高的可靠性和實用性，且方便操作、提高生產效率，達到節能增效的目標。