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    劉繼軍 （1966-）

    男，陜西漢中人，大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的工程應(yīng)用。




    摘  要：本文介紹了HOLLiAS-MACS在三聚氰胺生產(chǎn)中的應(yīng)用，分別對(duì)其應(yīng)用的DCS硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)、關(guān)鍵控制的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行分析。

    關(guān)鍵詞：HOLLiAS-MACS；現(xiàn)場總線；三聚氰胺

    Abstract: This paper introduces the application of HOLLiAS-MACS system in the Melamine plant. The hardware, software, network features of the system, and realization method of key control are also analyzed.

    Key words: HOLLiAS-MACS; Fieldbus; Melamine

    1 概述

    三聚氰胺別名氰脲酰胺或蜜胺（Melamine），分子式為C3N6H6，產(chǎn)品外觀為白色晶體粉末，略帶甜味、無毒、呈弱堿性，能與酸反應(yīng)生成相應(yīng)的鹽。是一種重要的氮雜環(huán)有機(jī)化工原料，主要用作高檔塑料、涂料、粘合劑、紙張（制幣用紙）的基礎(chǔ)原料。

    由三聚氰胺為原料合成的甲醛樹脂，具有硬度高、耐刮痕、防潮、防水、防霉、耐電弧、耐油、耐老化、無毒、無臭、不受弱堿和有機(jī)溶劑影響、著色鮮艷、加工容易（普通模壓法和傳遞模塑法）等特點(diǎn)，在日常生活用品（如餐具、玩具等）、電器配件、汽車配件方面有廣泛用途。

    20世紀(jì)90年代以來，木材加工產(chǎn)業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)是三聚氰胺消費(fèi)增長最快的領(lǐng)域，很多層壓板（木片同樹脂熱壓）、纖維板（木材纖維同樹脂熱壓）、刨花板（木刨花同樹脂熱壓）等木材加工用到了三聚氰胺；內(nèi)外墻面涂料也用到了三聚氰胺。

    2 工藝簡介

    目前，世界上生產(chǎn)三聚氰胺的方法有兩種：雙氰胺法和尿素法。一般多采用尿素法生產(chǎn)三聚氰胺，其工藝過程分為3個(gè)步驟：

    （1）反應(yīng)：以尿素為原料，在一定溫度壓力下轉(zhuǎn)化為三聚氰胺，同時(shí)放出NH3和CO2：

     6（NH2）2CO→C3N6H6+6NH3+3CO2    -Q

    操作壓力可分為高壓、低壓和常壓三種，以日本新Nissan和意大利Allied-Eurotechnica為代表的高壓法生產(chǎn)工藝，操作壓力一般在8~10MPa左右，反應(yīng)不需用催化劑；以荷蘭DSM為代表低壓法生產(chǎn)工藝，操作壓力為0.7MPa；以德國BASF為代表的常壓法生產(chǎn)工藝，操作壓力為0.15~0.2 MPa，后兩種方法反應(yīng)需催化劑。

    （2）淬冷：反應(yīng)后的生成物可用水、母液或低溫工藝氣進(jìn)行淬冷。讓三聚氰胺結(jié)晶析出析出再經(jīng)分離，凈化等處理成為最終產(chǎn)品。

    （3）尾氣回收處理：三聚氰胺反應(yīng)過程中副產(chǎn)的尾氣主要由NH3、CO2組成，不能直接排放，必須進(jìn)行回收處理。尾氣回收不僅是環(huán)保要求，也是影響三聚氰胺生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。國內(nèi)外對(duì)尾氣回收技術(shù)十分重視，目前主要回收處理方法有以下幾種：

    （1）將尾氣直接送去化肥廠或尿素廠。

    （2）將尾氣吸收成碳化氨水，送去化肥廠再加工成硫銨、碳銨、磷銨或制成濃甲胺液去尿素廠。

    （3）將尾氣分離為氨氣與二氧化碳，然后再分別加以利用。

    （4）直接將尾氣制成稀碳化氨水作副產(chǎn)品出售。目前，國內(nèi)多數(shù)小廠采用此法。

    我國三聚氰胺起步于60年代，采用的是干捕再精制工藝，即先生產(chǎn)出半成品再經(jīng)過精制得到三聚氰胺產(chǎn)品。這種生產(chǎn)工藝流程簡單、投資省，但由于設(shè)備體積大，效率低，裝置難以大型化；轉(zhuǎn)化效率低，消耗高，成本偏高；單元操作過程的各項(xiàng)指標(biāo)難于控制，質(zhì)量不穩(wěn)定；過程控制難于自動(dòng)化，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此，這種工藝已逐步被淘汰，取而代之是在消化吸收德國BASF的常壓法工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)干捕再精制工藝的缺點(diǎn)而改進(jìn)開發(fā)的我國三聚氰胺生產(chǎn)新工藝－氣相淬冷工藝，流程圖如圖1所示。

             

                              圖1   三聚氰胺氣相淬冷工藝流程

    氣相淬冷工藝具有流程短、投資低、消耗低、易控制等特點(diǎn)，裝置可以長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

    3 三聚氰胺裝置生產(chǎn)過程控制—DCS系統(tǒng)

    采用氣相淬冷生產(chǎn)三聚氰胺，雖然具有工藝流程短易于控制的特點(diǎn)，但化工裝置的“相變”卻都涉及到了，各個(gè)過程控制好壞直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量、裝置的運(yùn)行周期、制造成本。因此，選擇合適控制系統(tǒng)至關(guān)重要。

    川化集團(tuán)有限責(zé)任公司是一個(gè)以生產(chǎn)化肥為主的綜合性特大型化工企業(yè)，是我國目前最大的氮肥、三聚氰胺生產(chǎn)廠。共有三聚氰胺裝置4套，總產(chǎn)能達(dá)7萬噸，其中采用低壓氣相淬冷生產(chǎn)工藝的三胺裝置有2套。該裝置采用北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司HOLLiAS-MACS(HollySys Integrated Industrial Automation System，和利時(shí)集成工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)) 控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)化控制。HOLLiAS-MACS系統(tǒng)不僅繼承了以往系統(tǒng)的高可靠性和方便性，而且采用開放的系統(tǒng)軟件平臺(tái)將控制系統(tǒng)與管理功能整合集成，構(gòu)成覆蓋從現(xiàn)場總線到企業(yè)管理的綜合自動(dòng)化管理系統(tǒng)平臺(tái)，它綜合了DCS、PLC、現(xiàn)場總線、MES的技術(shù)，開放式的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、以及開放式接口，使整個(gè)公司可以從生產(chǎn)控制級(jí)到管理級(jí)的整個(gè)信息系統(tǒng)集成最優(yōu)化。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，可按系統(tǒng)和裝置、工段進(jìn)行配置，具有高電磁兼容性和強(qiáng)的抗震性、沖擊性，具有很高的工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性。易于日常維護(hù)、培訓(xùn)學(xué)習(xí)掌握等特點(diǎn)。當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)可自由擴(kuò)展。由于采用安全分散式結(jié)構(gòu)和具備多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活，為工廠自動(dòng)化控制和企業(yè)信息管理提供了全面解決方案。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

           

                                  圖2   網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

    從圖2可以看到：DCS系統(tǒng)共有2 臺(tái)冗余的服務(wù)器、3臺(tái)操作監(jiān)控站OS、1臺(tái)工程師站ENG。

    HOLLiAS-MACS的過程控制級(jí)采用了目前世界上先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)（Profibus-DP總線），它是在歐洲乃至全球應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。真正做到“危險(xiǎn)分散，控制分散，集中監(jiān)控”。 Profibus-DP 是一個(gè)主站/從站（Master/Slave）總線系統(tǒng)，主站功能由控制系統(tǒng)中的主控制器來完成。主站在完成自動(dòng)控制功能（調(diào)節(jié)、控制）的同時(shí)，通過循環(huán)的和非循環(huán)的報(bào)文對(duì)現(xiàn)場儀表及智能電氣設(shè)備進(jìn)行全面的訪問。

    4 關(guān)鍵過程控制

    為了使三聚氰胺裝置長周期、滿負(fù)荷、高質(zhì)量生產(chǎn)目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，其中的進(jìn)料系統(tǒng)、高沸點(diǎn)副產(chǎn)物、熱氣過濾與除塵、熔鹽組分穩(wěn)定、壓縮機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)都由DCS控制，如：保證流化床反應(yīng)器反應(yīng)溫度的前提下進(jìn)料均勻、副產(chǎn)物結(jié)晶溫度控制準(zhǔn)確、過濾除塵實(shí)時(shí)有效、壓縮機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)準(zhǔn)確可靠等。

    4.1 進(jìn)料控制

    三聚氰胺合成的工藝是：液態(tài)熔融尿素經(jīng)過液尿泵輸送增壓、通過噴嘴在氨氣壓力作用下呈霧化狀態(tài)進(jìn)入流化床反應(yīng)器，在以γ-AL2O3為催化劑、385±2℃條件下生成氣態(tài)三聚氰胺，同時(shí)伴有高低溫點(diǎn)副產(chǎn)物、NH3、CO2產(chǎn)生。在反應(yīng)器同一個(gè)半徑平面分布著8支噴嘴，對(duì)稱的2支為一對(duì)；在噴嘴的上方設(shè)置了溫度檢測點(diǎn)，根據(jù)溫度分布調(diào)整使用哪一對(duì)噴嘴，確保流化床反應(yīng)區(qū)溫度均衡，最大限度地控制副反應(yīng)。以反應(yīng)區(qū)平均溫度為主調(diào)、液尿流量為副調(diào)進(jìn)行串級(jí)控制，組態(tài)圖3、圖4如下：

           

                              圖3   三聚氰胺合成組態(tài)畫面

           

                       圖4   反應(yīng)溫度與進(jìn)料量串級(jí)控制

    其中T_AVG為3個(gè)溫度測點(diǎn)的平均值，此功能塊具有輸入值異常切除功能；HE_305_2為跟蹤開關(guān)（壓縮機(jī)聯(lián)鎖信號(hào)），即當(dāng)壓縮機(jī)聯(lián)鎖跳車、流化床死床時(shí)，為防止液態(tài)尿素腐蝕熔鹽盤管，必須立即切斷進(jìn)料調(diào)節(jié)閥。

    4.2 高溫點(diǎn)控制

    在氣態(tài)三聚氰胺中伴有副產(chǎn)物，這是最終產(chǎn)品所必須去除的。設(shè)置熱氣冷卻系統(tǒng)就是為了使氣態(tài)三聚氰胺從385±2℃降至320±2℃、滿足高沸點(diǎn)副產(chǎn)物的結(jié)晶條件，其熱量是通過道生換熱系統(tǒng)移走的（道生也稱導(dǎo)熱油，是聯(lián)苯和聯(lián)苯醚的混合物，重量比26%聯(lián)苯+74%聯(lián)苯醚）。道生溫度與壓力有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

         表1

        

    由此可見，只要穩(wěn)定好壓力就能控制好溫度，其依據(jù)是PV=nRT氣態(tài)方程。本系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)氮?dú)鈦砜刂频郎到y(tǒng)的壓力，進(jìn)而達(dá)到控制溫度的目的,采用分程控制，A閥采用氣開式，B閥采用氣閉式，控制器采用反作用。如圖5所示。
             

                                        圖5-a  道生系統(tǒng)份程控制方塊圖
               

              圖5-b  道生系統(tǒng)控制方案       圖5-c  道生系統(tǒng)分程閥特性

    為了保證高溫點(diǎn)控制在320±5℃，控制器的控制點(diǎn)壓力給定為0.239MPa。當(dāng)熱氣冷卻系統(tǒng)溫度升高時(shí)意味著道生系統(tǒng)的壓力升高，則出現(xiàn)正偏差；而控制器是反作用，因此它的輸出將減小而低于0.239MPa，這時(shí)由特性圖可以看出A閥是全關(guān)的，B閥卻因控制器輸出壓力低于0.239MPa而打開，這樣道生系統(tǒng)的一部分氮?dú)鈱⑼ㄟ^放空管放空，其壓力將逐漸下降；當(dāng)?shù)郎到y(tǒng)的壓力下降時(shí)，控制器將感受到負(fù)偏差，于是控制器輸出將增大而高于0.239MPa，這時(shí)B閥關(guān)閉而A閥打開，氮?dú)獗谎a(bǔ)充到道生系統(tǒng)。也就是說，通過A、B兩個(gè)分程閥動(dòng)作的結(jié)果，都能保持道生系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，從而達(dá)到穩(wěn)定溫度的控制目標(biāo)。

    由于實(shí)際壓力總會(huì)在給定值0.239MPa附近波動(dòng)，這將導(dǎo)致A、B兩閥頻繁動(dòng)作，影響到閥門的使用壽命，為了改善這一現(xiàn)狀，在兩閥信號(hào)交接處設(shè)置一個(gè)不靈敏區(qū)。如特性圖所示，當(dāng)控制器輸出信號(hào)在0.0584~0.0616MPa范圍變化時(shí)A、B閥都處于全關(guān)位置不動(dòng)，這樣做既對(duì)延長閥門使用壽命有好處，又會(huì)使控制過程變化趨于緩慢，系統(tǒng)也更為穩(wěn)定。 

            

                                 圖6   熱氣冷卻組態(tài)畫面

    4.3 熱氣過濾與除塵控制。

    尿素在高溫分解生成三聚氰胺過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物（即高溫點(diǎn)副產(chǎn)物-蜜勒胺、蜜伯胺），通過高溫點(diǎn)控制單元開始結(jié)晶，同時(shí)氣態(tài)三聚氰胺含有未分離下來的催化劑細(xì)粉。這些副產(chǎn)物直接關(guān)系到最終產(chǎn)品的質(zhì)量和裝置的運(yùn)行周期，因此對(duì)這一單元中除了對(duì)三通閥的靈敏度、泄漏量有嚴(yán)格要求外，對(duì)控制時(shí)序、反吹時(shí)間、間隔時(shí)間也提出嚴(yán)格的要求。同時(shí)在工藝上對(duì)反吹氨氣的壓力、溫度也有要求：如果反吹氨氣壓力過高會(huì)吹壞濾袋影響產(chǎn)品質(zhì)量，壓力過低結(jié)在過濾網(wǎng)的副產(chǎn)物吹除不掉而影響運(yùn)轉(zhuǎn)周期；如果反吹氨氣溫度過低會(huì)導(dǎo)致三聚氰胺提前結(jié)晶在副產(chǎn)物中而影響轉(zhuǎn)化率。通過對(duì)上述工藝要求的深入研究，利用HOLLiAS-MACS的 SFC功能實(shí)行自動(dòng)順序反吹除塵，避免了人工手動(dòng)操作的隨意性。每套過濾器有6組、264根過濾網(wǎng)， 反吹時(shí)間和反吹間隔時(shí)間根據(jù)工藝狀態(tài)可以調(diào)整。其中的部分程序流程畫面如圖7、圖8所示。

               

                                          圖7   除塵系統(tǒng)組態(tài)畫面

                

                                       圖8   程序流程畫面

    4.4 供熱系統(tǒng)保護(hù)

    三聚氰胺合成是吸熱反應(yīng)，所需熱量由熔鹽系統(tǒng)供給。熔鹽是由硝酸鈉、亞硝酸鈉和硝酸鉀按特定比例組成的混合物（重量比為40％：7％：53％），熔點(diǎn)為142℃，工作狀態(tài)為液相，溫度430℃～440℃。為了防止熔鹽氧化而出現(xiàn)組份變化，需要用氮?dú)膺M(jìn)行密封保護(hù)，使熔鹽貯槽始終保持微正壓。正常時(shí)用A閥（氣閉閥）進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)使熔鹽貯槽的氮?dú)鈮毫Ψ€(wěn)定在0.01Mpa，而B閥（氣開閥）處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)熔鹽貯槽壓力超高時(shí)A閥逐漸關(guān)閉B閥逐漸打開，直至熔鹽貯槽壓力穩(wěn)定在0.01Mpa。控制原理與道生系統(tǒng)類似，控制方案及組態(tài)如圖9、圖10所示。

          

                                圖9   熔鹽系統(tǒng)組態(tài)畫面
           

                               圖10   熔鹽系統(tǒng)控制方案圖

    其中SPLIT為自定義分程點(diǎn)功能塊。

    4.5 壓縮機(jī)防喘振控制與主軸推力、軸向位移和徑向振動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)

    三聚氰胺裝置中采用離心式壓縮機(jī)作為工藝氣體循環(huán)設(shè)備，它是裝置的心臟. 離心式壓縮機(jī)具有體積小、流量大、運(yùn)行效率高、氣量可控范圍廣等優(yōu)點(diǎn)在石化行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但它也有因工況變化極易發(fā)生“喘振”缺點(diǎn)。因此，離心式壓縮機(jī)的防喘振控制和聯(lián)鎖保護(hù)顯的特別重要。

    （1）壓縮機(jī)防喘振控制

    “喘振”是離心式壓縮機(jī)的固有特性，通常有兩種控制方案：固定極限流量防喘振控制和可變極限流量防喘振控制。在三聚氰胺裝置采用固極限流量防喘振控制方案。在一般情況下，負(fù)荷的減小是壓縮機(jī)喘振的主要原因，因此，要保證壓縮機(jī)不出現(xiàn)喘振，必須在任何轉(zhuǎn)速下，通過壓縮機(jī)的實(shí)際流量都不小于喘振極限所對(duì)應(yīng)的極限流量Qp，根據(jù)這個(gè)基本思路，可采取壓縮機(jī)的循環(huán)流量法。即當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)，采取部分回流的方法。而回流的大小既要保證壓縮機(jī)不進(jìn)入喘振區(qū)，又不能減小流化床反應(yīng)器的最低氣速。

    在DCS組態(tài)充分利用HOLLiAS-MACS的靈活性：當(dāng)Q＜Qp時(shí)，讓防喘振控制器處于自動(dòng)跟蹤狀態(tài)，選擇合適的跟蹤量點(diǎn)，既滿足了工藝的要求，又防止了喘振的出現(xiàn)。如圖11所示。

            

                            圖11   控制方案及組態(tài)圖

    （2）主軸推力、軸向位移和徑向振動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)

    在三聚氰胺生產(chǎn)過程中，由于外來機(jī)械雜質(zhì)進(jìn)入被壓縮介質(zhì)、或因工藝氣液分離系統(tǒng)工作異常而造成氣路管網(wǎng)狀態(tài)嚴(yán)重惡化使壓縮機(jī)進(jìn)入“喘振”區(qū)、或壓縮機(jī)本身出現(xiàn)機(jī)械故障導(dǎo)致壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速失衡，使軸位移和軸振動(dòng)發(fā)生異常，有時(shí)壓縮機(jī)輔助系統(tǒng)如潤滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)異常等，這些異常如果沒有提前預(yù)警、得不到及時(shí)處理會(huì)造成壓縮機(jī)停車。而突然停車又會(huì)導(dǎo)致流化床反應(yīng)器瞬間死床，這將造成嚴(yán)重的設(shè)備事故。HOLLiAS-MACS系統(tǒng)具有可靠性高、響應(yīng)速度快、組態(tài)方便等優(yōu)點(diǎn)，在三聚氰胺裝置中將壓縮機(jī)的聯(lián)鎖保護(hù)（包括油路系統(tǒng)、電機(jī)繞組、氣路系統(tǒng)）全部由DCS實(shí)現(xiàn)，取得了良好的效果。
           

                             圖12    壓縮機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)監(jiān)控畫面



                                                              ——轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》