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　　摘 要：介紹DCS系統(tǒng)在煤頭大化肥裝置的應(yīng)用，結(jié)果表明，該系統(tǒng)達到優(yōu)化管理，安全生產(chǎn)的目的。

　　關(guān)鍵詞：合成氨；尿素；裝置；DCS系統(tǒng)

　　1 概述

　　DCS集計算機技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體，采用若干個控制器（過程站）對生產(chǎn)過程中的眾多控制點進行控制，各控制器間通過網(wǎng)絡(luò)連接并可進行數(shù)據(jù)交換。采用計算機操作站，通過網(wǎng)絡(luò)與控制器連接，收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，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(zé)任公司360kt／a合成氨、520kt／a尿素裝置的生產(chǎn)過程具有高溫高壓、易燃易爆、有毒有害環(huán)境，以及多變量、多耦合、非線性輸入/輸出等特點，對DCS系統(tǒng)提出了更高的要求。經(jīng)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(chǎn)的FB一2000NS系統(tǒng)和長沙儀峰自動化公司生產(chǎn)的DCS控制系統(tǒng)；凈化、合成和尿素車間則采用北京和利時系統(tǒng)工程股份有限公司生產(chǎn)的SMART—PRO系統(tǒng)。

　　2 鍋爐控制系統(tǒng)

　　2．1 系統(tǒng)配置

　　鍋爐DCS系統(tǒng)設(shè)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(huán)流化床鍋爐（CFB）的燃燒過程十分復(fù)雜、受到多種因素影響。控制要點為：①保證鍋爐蒸發(fā)量在額定范圍內(nèi)；②保證汽溫、汽壓在正常變化范圍內(nèi)，且蒸汽品質(zhì)合格；③穩(wěn)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(wěn)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(shù)整定從燃燒控制中分散出來采用單回路來實現(xiàn)。

　　2．3．2 汽包水位

　　經(jīng)典的三沖量串級前饋控制在各種鍋爐汽包水位的自動調(diào)節(jié)中已得到廣泛應(yīng)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(yīng)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(diào)節(jié)時這兩個變量均在某一限值之內(nèi)，如超過該限值時，將按一定規(guī)則調(diào)節(jié)強行上拉或下拉水位調(diào)節(jié)閥，以保證汽包水位在安全范圍之內(nèi)。

　　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(tǒng)

　　3．1 系統(tǒng)配置

　　造氣系統(tǒng)設(shè)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(guān)系到煤耗和產(chǎn)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(zhuǎn)化率是非常重要的，水碳比、氧碳比控制在合理的范圍內(nèi)非常關(guān)鍵。

　　3．3 控制方法

　　3．3．1 水碳比

　　（1）水碳比的控制主要是調(diào)整蒸汽量。針對工藝要求，采用單回路PID調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)中，因造氣用蒸汽的特殊性，常規(guī)蒸汽穩(wěn)壓存在嚴(yán)重滯后現(xiàn)象，因此采取常規(guī)穩(wěn)壓加前饋的方法，即在普通穩(wěn)壓調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，根據(jù)吹蒸汽時蒸汽總閥開的數(shù)量的多少，提前成正比開大蒸汽調(diào)節(jié)閥，加大蒸汽量；在不吹蒸汽時前饋調(diào)節(jié)關(guān)閉，蒸汽只起穩(wěn)定調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)。它的優(yōu)點是：①控制系統(tǒng)與尋優(yōu)微機配合可合理分配吹風(fēng)時間，同時可根據(jù)爐子負荷、爐溫、灰渣情況及時調(diào)整各階段循環(huán)時間，從而穩(wěn)定爐況；②單爐循環(huán)過程響應(yīng)迅速，當(dāng)工藝出現(xiàn)異常時可及時報警，并給出操作提示；③可提供適宜的循環(huán)氫氮比，為管理人員提供準(zhǔn)確的爐況變化信息；④各個切換閥門的可靠切換、準(zhǔn)確快速到位，避免氣體在管道中發(fā)生爆炸；⑤可防止?fàn)t體被燒壞、爐內(nèi)結(jié)疤、床層產(chǎn)生風(fēng)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(wěn)定，降低煤耗。

　　4 凈化工段控制系統(tǒng)

　　4．1 系統(tǒng)配置

　　凈化系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)換率。所以變換爐溫度的穩(wěn)定控制是該系統(tǒng)的關(guān)鍵之處。

　　4．3 控制方法

　　4．3．1 內(nèi)外環(huán)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(tǒng)采用內(nèi)外環(huán)串級中變比例控制，即根據(jù)進工段的氣量先調(diào)節(jié)加蒸汽的比例，同時根據(jù)工況調(diào)整內(nèi)外環(huán)切人及聯(lián)鎖。半水煤氣與補加蒸汽混合，經(jīng)預(yù)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(xiàn)溫度反應(yīng)滯后，導(dǎo)致控制曲線不穩(wěn)，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(shù)運算后滯后處理，再將其數(shù)據(jù)與熱點觸媒溫度疊加，通過調(diào)整滯后時間和比例系數(shù)，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(tǒng)

　　5．1 系統(tǒng)配置

　　合成系統(tǒng)設(shè)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(wěn)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(tǒng)對熱點溫度實行自動高選控制，用合成塔冷激氣，環(huán)隙溫控制進行輔助。另外由于氨庫的重大危險性，此套系統(tǒng)特殊增加氨庫聯(lián)鎖。

　　5．3．1 熱點溫度自動高選控制

　　（1）針對傳統(tǒng)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(dāng)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(tài)。

　　（2）保持手動選擇功能，，因為在生產(chǎn)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(huán)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(huán)隙溫度控制

　　（1）合成塔另有三個冷激氣控制回路分別調(diào)節(jié)三層觸媒溫度，東西兩個環(huán)隙溫度調(diào)節(jié)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(shè)置和趨勢等在屏幕上顯示出來，方便操作。

　　5．3．3 安全聯(lián)鎖

　　針對放氨易出現(xiàn)超壓，控制設(shè)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(dāng)氨庫壓力超壓時，氨分、冷激放氨閥緊急關(guān)閉，并聲光報警。同時把氨庫超壓聯(lián)鎖設(shè)置成普通操作員不允許修改級別。

　　6 尿素工段控制系統(tǒng)

　　6．1 系統(tǒng)配置

　　尿素系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)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(chǎn)量和質(zhì)量，以及工藝的自控水平、方便生產(chǎn)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(nèi)容。

　　6．3 控制方法

　　6．3．1 NH3／CO2控制

　　NH3／CO2控制系統(tǒng)是一個“三串級一前饋一比值一純滯后補償”的綜合性復(fù)雜控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要控制參數(shù)是合成塔的氣相NH3／CO2和配料；副參數(shù)是進人高壓系統(tǒng)的液氨流量和高壓氨泵的轉(zhuǎn)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(tǒng)，把NH3和CO2兩種物料聯(lián)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(fā)生變化，就會造成總配料比失調(diào)，此時通過自動調(diào)節(jié)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(nèi)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(jīng)過計算得出參數(shù)作為前饋，調(diào)節(jié)一段甲氨泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)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(tǒng)是一個帶有溫壓補償各種運算的三串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在此控制系統(tǒng)中，CO2壓縮機的人口壓力為關(guān)鍵變量主參數(shù)。通過控制機組的轉(zhuǎn)數(shù)，改變進人系統(tǒng)的CO2流量作為副參數(shù)。若壓縮機的轉(zhuǎn)數(shù)增加，CO2的流量也增加，而壓縮機的人口壓力則相應(yīng)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(diào)節(jié)系統(tǒng)。根據(jù)工藝要求氧含量以實際流量的CO2的0．8％。經(jīng)在線氧分析儀測得二者之差，確定進人系統(tǒng)的空氣量，以達高壓系統(tǒng)防腐目的。

　　7 效果

　　以DCS系統(tǒng)作為現(xiàn)代化生產(chǎn)控制的核心，以O(shè)PC協(xié)議2．0為通訊標(biāo)準(zhǔn)，組建的生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)，在投人兩年多來，運行穩(wěn)定，控制指標(biāo)精確，達到預(yù)期效果，在生產(chǎn)中起到了顯著作用。

　　（1）通過對關(guān)鍵影響過程的參數(shù)監(jiān)控，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運行，當(dāng)生產(chǎn)狀態(tài)出現(xiàn)問題時，能及時做出反應(yīng)，減少非計劃停車次數(shù)。

　　（2）生產(chǎn)管理人員可利用適時的和歷史的數(shù)據(jù)對生產(chǎn)的工藝過程進行在線分析，及時發(fā)現(xiàn)過程運行的規(guī)律，通過調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量及質(zhì)量。

　　（3）當(dāng)發(fā)生故障時，可以利用適時的和歷史的數(shù)據(jù)，對故障進行及時的分析，明確發(fā)生的原因，以避免故障的再次發(fā)生。

　　（4）DCS控制系統(tǒng)可以根據(jù)不同的生產(chǎn)狀況，進行多回路的關(guān)聯(lián)控制，提高控制的準(zhǔn)確性和可靠性，顯著提高生產(chǎn)的效率。

　　8 結(jié)語

　　選用的DCS系統(tǒng)均由國內(nèi)外先進的軟、硬件組成，具備了硬軟件自診斷、權(quán)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(chǎn)效率，達到節(jié)能增效的目標(biāo)。