论文部分内容阅读
摘 要：合成氨生产工程既要求独立控制又要求全程一体化，主要有造气、前工段（净化）主厂房、后工段（合成）主厂房、热电四个子工程，它们在控制上分别独立，但同属一母工程。我们采用和利时Macs系统，该系统具有独特的包含工程功能，可定义区域设置，只有有本区域权限才可操作本工段画面，其他工段只有查看功能，同时可设置级别，重要参数只工程师、值班长可操作。每个工段的关键参数在所有画面有显示，便于各工段掌握其他工段特别是前工段主要参数，便于提前采取措施，整个系统做到是一个完整系统同时又安全又独立。
关键词：DCS 集散型控制系统 合成氨 工艺
一、系统特点
合成氨工程具体设计由造气DCS、前工段（净化）DCS系统、热电DCS系统、后工段（合成）DCS系统（包括氨库、甲醇精馏）及调度中心站系统组成。
造气DCS、前工段（净化）DCS系统、热电DCS系统、后工段（合成）DCS系统（包括氨库、甲醇精馏）将重要数据送到调度中心系统。通信方式用第三网卡采用OPC协议上传。既保证各系统的相对独立，四套DCS系统各自操作本系统功能，又可在调度中心查看每个DCS系统参数。该方式可隔离各个系统，避免病毒的侵害。同时调度站还具备通信站功能，可接收第三方DCS的数据。
二、控制方案介绍
中型合成氨工艺特点是工艺流程长，各工段独立但却相互关联，生产原料以煤为主，一般都包括造气、脱硫、变换、变脱、脱碳、精炼（或双甲）、合成、提氢、压缩、氨库、冷冻、精甲醇等工段。各工段还有不同的工艺选择，如：造气有传统的间歇式造气；德士古水煤浆气化；粉煤直接气化三种工艺。脱硫有干法脱硫和湿法脱硫两种。脱碳有NHD湿法和PSA变压吸附干法两种。变换有中串低变换和换热式全低变耐硫低温变换两种。精炼有传统的铜洗法和双甲工艺法两种。合成塔工艺方式较多，主要有三段冷激式、径向换热、轴向换热、中心管换热等。提氢有PSA变压吸附和膜分离法两种。针对上述不同的工艺工艺，控制方案也要不同的方法。常规的单回路控制即可满足要求，压缩、氨库、冷冻只有测量点少量安全联锁，重点说明下列工段的控制。
1.变换工段饱和塔出口气体温度控制方案介绍
变换基本反应：半水煤气中的一氧化碳与水蒸气反应生成氢气和二氧化碳，反应放 热。
饱和塔工艺流程：半水煤气进入饱和塔，与高温循环水逆流接触。半水煤气被循环水饱和而富含水蒸汽。控制的目的是在工艺允许的前提下，尽量提高出饱和塔的水煤气的温度，使其中水蒸汽的含量最高。
主要控制手段及效果：当循环水量过小时，循环水在系统（经 第一水加热器、第一、第二调温水加热器）循环中能获得较高的温升，但水容量毕竟偏小，所回收的热量满足不了混合煤气温升的需要，混合气的饱和度难以达到要求。同时过小的水量易导致水循环中出现气阻，且饱和塔水气两相间温度差加大，塔内气液两相接触恶化，使运行不合理；当循环水量过大时，水容量过大，热水水温偏低，限制了出口气体的温升。
控制方案设计：采用爬山法动态寻找温度最高点。出口温度（TI102）达到最高点后调节阀暂停。工况改变或出口温度下降则再次开始寻找最高温度点。
工段中变炉补加蒸汽串级变比值控制方案介绍：来自饱和塔的饱和半水煤气，与补加蒸汽混合，经预热器、热交换器换热升温后由顶端进入中变炉。
2.针对换热式全低变耐硫低温变换流程的主要控制方案
换热式全低变耐硫低温变换的工艺特点是没有传统工艺的中温变换炉，因此它有变换触媒温度低的特点，该工艺能减少蒸汽的消耗，提高转换率，但因没有中温变换炉作缓冲，相对教难操作，因此要在控制上要有别于传统的控制方案。
3.脱碳的控制方法介绍
针对NHD湿法脱碳的控制方法：
NHD脱碳工段主要控制液位和压力，以下控制用常规PID单回路就可满足要求：吸收塔塔底液位控制、闪蒸洗涤塔底液位控制、闪蒸气洗涤段液位控制、 净化气洗涤段稀液液位控制、常解塔气体出口压力控制
针对PSA脱碳和PSA制氢控制方案：PSA脱碳和PSA制氢都是利用变压吸附原理的生产过程，其关键在开关阀门动作的准确性实时性，为保证工艺参数的稳定和品质，需细化每个塔的时序，并再逆放、顺放、终冲采用斜率控制，初始开度、斜率都可调。Macs系统有大大快于一般DCS的扫描周期，一般DCS扫描周期为一秒，而Macs系统工作扫描周期可达60ms，已接近PLC的速度，远高于一秒的周期，是用于变压吸附的理想DCS。
4.针对双甲精制工艺的控制方案
大多用串联式流程，即甲醇合成是串联在制氨系统内的，如造气→脱硫→变换→脱碳（或碳化）→甲醇合成→铜洗→氨合成。这种流程的优点是：变换工序出口一氧化碳指标适度放宽，降低变换的蒸汽消耗；压缩机前几段输送的一氧化碳成为有效气体，降低能耗；进入铜洗工序的CO含量降低，减轻铜洗负荷，仅此几项可使每吨氨节电约50kWh、节蒸汽约0.4t；折合能耗约2GJ。
5.精甲醇工段控制方案
主要是温度、液位和流量、压力控制，控制方案比较简单，多为单回路控制，实用、可靠。
在甲醇生产过程中，为了保证中间产品（粗甲醇）和最终产品（精甲醇）的质量，以及工艺过程的连续化，必须对各工艺参数进行自动测量和控制。对主要原料粗甲醇和辅助原料烧碱、软水、以及供热蒸汽、动力电和冷却水，还有成品甲醇等，通过正确的计量提供可靠的数据，作为各项技术经济指标的核算和比较依据。 蒸馏过程式上升蒸汽与下降液体在板层进行换热传质的过程，主要有三个平衡：①物料平衡——进料量和采出量的平衡。②热量平衡——输入热量和输出热量的平衡。③汽液平衡——上升蒸汽和下降液体的平衡。
根据液体混合物中各组分沸点温度不同，使各组分分开，为使这些组分在精馏塔不同位置的沸点温度恒定不变，首先应该使加热的热源——蒸汽的温度不变，因此在操作中把加热蒸汽的压力调控在0.35Mpa+0.01；第二要控制流量，如进料量、补水量、回流量等。以保证塔操作的正常进行，得到合格的产品。
控制原则：①选用主塔进料量控制系统流量（给预塔塔底排出液量），则预塔进料量采用预塔塔底液位控制。②选用预塔进料量控制系统产量，则预塔塔底排出液量采用塔底液位控制。
6.针对32Mpa高压合成工艺
热点温度自动高选控制：传统的32Mpa高压合成塔气体出口、塔的下部，气体出口也在下部。塔型有轴径向冷激或层间换热型，但该技术的副线和冷激气一样，也是从塔上部两侧进气，也是用热电偶插入不同深度测温，触媒分布也分三床层或四床层。
合成塔冷激气，环隙温度控制：合成塔另还有三个冷激气控制回路分别调节三层触媒温度，东西两个环隙温度调节回路。
7.安全联锁
针对放氨易出现超压的故障，设计有氨库超压保护，即在正常氨库没超压时，放氨阀受氨分、冷交液位控制，当氨库压力超标时，氨分、冷交放氨阀紧急关死，并声光报警提示防止带液，只要氨库压力一正常，氨分、冷交液位又恢复正常受氨分、冷交液位控制。同时氨库超压联锁值设成可很方便修改的设定方式，用密码进行保护，只需输入工段长级别密码（普通操作员不允许修改），就可进行修改设定值。
关键词：DCS 集散型控制系统 合成氨 工艺
一、系统特点
合成氨工程具体设计由造气DCS、前工段（净化）DCS系统、热电DCS系统、后工段（合成）DCS系统（包括氨库、甲醇精馏）及调度中心站系统组成。
造气DCS、前工段（净化）DCS系统、热电DCS系统、后工段（合成）DCS系统（包括氨库、甲醇精馏）将重要数据送到调度中心系统。通信方式用第三网卡采用OPC协议上传。既保证各系统的相对独立，四套DCS系统各自操作本系统功能，又可在调度中心查看每个DCS系统参数。该方式可隔离各个系统，避免病毒的侵害。同时调度站还具备通信站功能，可接收第三方DCS的数据。
二、控制方案介绍
中型合成氨工艺特点是工艺流程长，各工段独立但却相互关联，生产原料以煤为主，一般都包括造气、脱硫、变换、变脱、脱碳、精炼（或双甲）、合成、提氢、压缩、氨库、冷冻、精甲醇等工段。各工段还有不同的工艺选择，如：造气有传统的间歇式造气；德士古水煤浆气化；粉煤直接气化三种工艺。脱硫有干法脱硫和湿法脱硫两种。脱碳有NHD湿法和PSA变压吸附干法两种。变换有中串低变换和换热式全低变耐硫低温变换两种。精炼有传统的铜洗法和双甲工艺法两种。合成塔工艺方式较多，主要有三段冷激式、径向换热、轴向换热、中心管换热等。提氢有PSA变压吸附和膜分离法两种。针对上述不同的工艺工艺，控制方案也要不同的方法。常规的单回路控制即可满足要求，压缩、氨库、冷冻只有测量点少量安全联锁，重点说明下列工段的控制。
1.变换工段饱和塔出口气体温度控制方案介绍
变换基本反应：半水煤气中的一氧化碳与水蒸气反应生成氢气和二氧化碳，反应放 热。
饱和塔工艺流程：半水煤气进入饱和塔，与高温循环水逆流接触。半水煤气被循环水饱和而富含水蒸汽。控制的目的是在工艺允许的前提下，尽量提高出饱和塔的水煤气的温度，使其中水蒸汽的含量最高。
主要控制手段及效果：当循环水量过小时，循环水在系统（经 第一水加热器、第一、第二调温水加热器）循环中能获得较高的温升，但水容量毕竟偏小，所回收的热量满足不了混合煤气温升的需要，混合气的饱和度难以达到要求。同时过小的水量易导致水循环中出现气阻，且饱和塔水气两相间温度差加大，塔内气液两相接触恶化，使运行不合理；当循环水量过大时，水容量过大，热水水温偏低，限制了出口气体的温升。
控制方案设计：采用爬山法动态寻找温度最高点。出口温度（TI102）达到最高点后调节阀暂停。工况改变或出口温度下降则再次开始寻找最高温度点。
工段中变炉补加蒸汽串级变比值控制方案介绍：来自饱和塔的饱和半水煤气，与补加蒸汽混合，经预热器、热交换器换热升温后由顶端进入中变炉。
2.针对换热式全低变耐硫低温变换流程的主要控制方案
换热式全低变耐硫低温变换的工艺特点是没有传统工艺的中温变换炉，因此它有变换触媒温度低的特点，该工艺能减少蒸汽的消耗，提高转换率，但因没有中温变换炉作缓冲，相对教难操作，因此要在控制上要有别于传统的控制方案。
3.脱碳的控制方法介绍
针对NHD湿法脱碳的控制方法：
NHD脱碳工段主要控制液位和压力，以下控制用常规PID单回路就可满足要求：吸收塔塔底液位控制、闪蒸洗涤塔底液位控制、闪蒸气洗涤段液位控制、 净化气洗涤段稀液液位控制、常解塔气体出口压力控制
针对PSA脱碳和PSA制氢控制方案：PSA脱碳和PSA制氢都是利用变压吸附原理的生产过程，其关键在开关阀门动作的准确性实时性，为保证工艺参数的稳定和品质，需细化每个塔的时序，并再逆放、顺放、终冲采用斜率控制，初始开度、斜率都可调。Macs系统有大大快于一般DCS的扫描周期，一般DCS扫描周期为一秒，而Macs系统工作扫描周期可达60ms，已接近PLC的速度，远高于一秒的周期，是用于变压吸附的理想DCS。
4.针对双甲精制工艺的控制方案
大多用串联式流程，即甲醇合成是串联在制氨系统内的，如造气→脱硫→变换→脱碳（或碳化）→甲醇合成→铜洗→氨合成。这种流程的优点是：变换工序出口一氧化碳指标适度放宽，降低变换的蒸汽消耗；压缩机前几段输送的一氧化碳成为有效气体，降低能耗；进入铜洗工序的CO含量降低，减轻铜洗负荷，仅此几项可使每吨氨节电约50kWh、节蒸汽约0.4t；折合能耗约2GJ。
5.精甲醇工段控制方案
主要是温度、液位和流量、压力控制，控制方案比较简单，多为单回路控制，实用、可靠。
在甲醇生产过程中，为了保证中间产品（粗甲醇）和最终产品（精甲醇）的质量，以及工艺过程的连续化，必须对各工艺参数进行自动测量和控制。对主要原料粗甲醇和辅助原料烧碱、软水、以及供热蒸汽、动力电和冷却水，还有成品甲醇等，通过正确的计量提供可靠的数据，作为各项技术经济指标的核算和比较依据。 蒸馏过程式上升蒸汽与下降液体在板层进行换热传质的过程，主要有三个平衡：①物料平衡——进料量和采出量的平衡。②热量平衡——输入热量和输出热量的平衡。③汽液平衡——上升蒸汽和下降液体的平衡。
根据液体混合物中各组分沸点温度不同，使各组分分开，为使这些组分在精馏塔不同位置的沸点温度恒定不变，首先应该使加热的热源——蒸汽的温度不变，因此在操作中把加热蒸汽的压力调控在0.35Mpa+0.01；第二要控制流量，如进料量、补水量、回流量等。以保证塔操作的正常进行，得到合格的产品。
控制原则：①选用主塔进料量控制系统流量（给预塔塔底排出液量），则预塔进料量采用预塔塔底液位控制。②选用预塔进料量控制系统产量，则预塔塔底排出液量采用塔底液位控制。
6.针对32Mpa高压合成工艺
热点温度自动高选控制：传统的32Mpa高压合成塔气体出口、塔的下部，气体出口也在下部。塔型有轴径向冷激或层间换热型，但该技术的副线和冷激气一样，也是从塔上部两侧进气，也是用热电偶插入不同深度测温，触媒分布也分三床层或四床层。
合成塔冷激气，环隙温度控制：合成塔另还有三个冷激气控制回路分别调节三层触媒温度，东西两个环隙温度调节回路。
7.安全联锁
针对放氨易出现超压的故障，设计有氨库超压保护，即在正常氨库没超压时，放氨阀受氨分、冷交液位控制，当氨库压力超标时，氨分、冷交放氨阀紧急关死，并声光报警提示防止带液，只要氨库压力一正常，氨分、冷交液位又恢复正常受氨分、冷交液位控制。同时氨库超压联锁值设成可很方便修改的设定方式，用密码进行保护，只需输入工段长级别密码（普通操作员不允许修改），就可进行修改设定值。