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DCS在我国中型氮肥厂的应用
发布日期:2013-10-10  浏览次数:266
我国中型氮肥厂共有55个,其中以油和气为原料的有21个,以煤炭为原料的34 个。中型氮肥厂多数是60~70年代建设投产的老装置,工艺设计是多机组小容量,装 置分散,能耗较高,生产规模为年产合成氨5万吨到25万吨不等。
一、DCS在中型氮肥厂的应用概况 我国中型氮肥厂共有55个,其中以油和气为原料的有21个,以煤炭为原料的34 个。中型氮肥厂多数是60~70年代建设投产的老装置,工艺设计是多机组小容量,装 置分散,能耗较高,生产规模为年产合成氨5万吨到25万吨不等。70年代以来各企业 十分重视仪表自控改造,更新仪表,开发控制回路,其冠军国际化技术不断进步。进入80年 代,各中型氮肥企业纷纷购买微机、单回路调节器、DCS,用技术先进的数字控制装置 ,取代落后的模拟调节仪表,这个时期是DCS推广应用的发展时期。根据调查统计,中型氮肥厂已有27家购买安装了40多套不同型号的DCS,即有近50%的厂家使用D CS进行过程控制和生产管理。 1981年吉化公司化肥厂率先采用 CENTUM-A系统安装合成车间中控室, 用于9个机组的生产过程控制,将199个检测点、47个回路置于CENTUM的监控 之下。主要控制回路有:氨合成塔触媒层温度控制、H[,2]/N[,2]控制、氨蒸 发器出口温度一液面控制、Ⅱ循环吹出控制、氨冷凝塔和氨分离器高压液面控制等。DC S投入运行后,由于H[,2]/N[,2]自控、合成塔触媒层温度自控,使工艺稳定 、吹出量显著下降,每年增产合成氨4059.9吨。高压液位稳定,触媒层温度稳定, 大大减少了垮塔次数。据资料统计,以前每年垮塔7~20次(一次减产30~40吨氨 ),DCS投入运行后全年没有一次垮塔,而且大大延长了触媒使用寿命,技术经济效益 是显著的。该厂DCS的应用受到领导的重视,又先后购了4套YEWPACK MAR KⅡ,用于造气、空分、异丁醛、甲醛分散等装置。 兰化公司化肥厂合成车间有6个氨合成机组和3个甲醇合成机组,60年代自控改造 时,近200个检测参数集中到中控室,高密度仪表排列的半模拟式仪表盘,使操作人员 工作很紧张。1988年中控室安装了ICC-6000系统,拆除了仪表盘,将9个工 艺机组的生产监控集中到三个带CRT画面显示的操作站上,通过转换画面,操作人员便 能一目了然地知道9个机组现场工艺运转状况,用操作键盘进行工艺操作,打字机定时自 动打印各工艺参数。该厂还安装了2台S674B型上位机,是为高级控制策略软件开发 、优化生产而设置的。1989年该厂又与重庆工业冠军国际化研究所签订合同,用国内十几 个单位共同研制的DJR-7500系统控制尿素生产过程,监控200多个参数、27 个回路,联合开发应用软件。1990年4月DJR-7500已投入运行,是国内率先 使用国产DCS的中型氮肥厂,运行情况良好。从20多家中型氮肥厂DCS现场运行情 况来看,DCS应用后的技术经济效果比起工艺先进的大型氮肥厂效益更为明显。DCS 的应用,对于提高老企业的冠军国际化水平,对节能降耗、稳定工艺、安全生产的效果是可观的。 二、氨合成塔触媒层温度控制系统 中型氮肥厂的生产过程工艺流程长、工序多,一般有制气、净化、压缩、精制、合成 、氨加工等工艺过程,全过程有几十个控制回路,节能显著的复杂回路近20个。下面仅介绍氨合成塔触媒层温度控制系统。 1.氨合成反应机理 氨合成反应是在较高压力(一般29.4Mpa)和温度(470~520℃)并有触媒存在情况下进行的可逆化学反应。氨合成是放热反应,在一定的温度和压力条件下,只能进行到一定程度。通常反应后气体中氨含量只有14%~22%,仍有大量氢氮未参加反应,必须经分离后循环使用。合成氨过程主要工艺设备有合成塔、水冷器、分离器、循环压机、冷凝塔、氨冷凝器等。 2.影响触媒层温度的主要因素 (1)进入合成塔气体的成分变化。入口气体中氨含量增高,使触媒层温度下降,为减少这一扰动的影响,要求严格控制氨冷凝器气体出口温度。对于进入合成塔气体中直接夹带液氨则是不允许的。入塔气体中惰性气体含量高,触媒层温度下降,反之温度则升高。氢氮比失调、过高或过低都将使触媒层温度下降,氢氨比是依靠前工序把关控制的。 (2)系统负荷的变化。系统负荷增加时,系统压力升高,有利于反应进行,此时触媒层温度升高。反之则温度下降。 (3)循环气量的变化。循环气量变化、入塔气体空速发生变化,使气体与触媒的接触时间改变。如循环量增加,接触时间将缩短,单位体积内生产的热量相应减少,使触媒层温度下降。反之,循环气量减少,使触媒层温度升高。 (4)循环气分两路进入合成塔,一次副线入塔气体不经过塔下部热交换器换热,进接进入分气盒,从而使触媒层的初始温度发生变化。一次副线量增加,可使床层温度下降。反之,若一次副线量减少,床层温度升高。这是控制触媒层温度的常用控制变量。 (5)二次副线(也称近路线)是改变循环气入塔流量的。二次副线流量增加,入塔气体量减少,触媒层温度因空速减小而升高。反之,二次副线流量减少,则触媒层温度下降。所以控制近路阀门开度,也是温度调节的控制变量。 3.触媒层温度控制回路 (1)热点敏点串级控制回路:氨合成反应中,触媒层高度分布不同处温度不同,触媒层温度最高的一点称热点,温度变化最灵敏的一点称敏点。敏点在热点上方5~10cm处,利用敏点温度和热点温度,构成的串级控制回路,以热点温度作主环变量,敏点温度为副环变量,以热点温度为被控变量。该系统对循环气流量波动带来的干扰具有较好的克服能力,在工艺负荷变化±20%的范围内,温度偏差不超过±3℃。在使用该系统中发现,对入口气体成份变化,触媒使用状况等干扰因素难以克服。其原因是随触媒使用时间增长,热点温度位置逐渐下降,需要更换检测点,从而给使用带来了不便。 (2)单回路控制:当冷激量至热点温度通道时间常数,与敏点温度通道时间常数比较接近时(如前者10min,后者8min),不必采用串级调节,可采用单变量控制方案。温度参数有选择热点的,也有选择敏点的。选择敏点温度作为控制系统的温度检测点,优点是反应灵敏,可以达到调节之目的,在使用过程中敏点位置不像热点位置那样随时间推移有大的变化。再者敏点温度控制稳定后,整个床层的温度分布也基本稳定。 (3)前馈一反馈控制回路:长期实践证明,氨蒸发器出口温度的变化对触媒层温度的影响十分显著。某厂动态测试发现,氨蒸发器出口温度变化3℃,动态最大偏差敏点可达24℃,热点为15℃,所以必须对氨蒸发器出口温度严格控制(都设计有氨蒸发器出口温度和液位选择性调节系统)。前述串级回路和单回路如果控制得不理想,则可引入氨蒸发器出口温度作为前馈补偿,构成前馈一反馈控制回路,这是第三种控制方案。某厂使用CENTUM系统实施该控制方案后,触媒层温度控制在规定值的±2℃,明显地延长了触媒使用寿命。另一厂使用RS-3系统,采用了前馈补偿热点一敏点串级控制,同时使用PID自整定,利用DCS系统组态生成功能强的特点,设置了三个不同PID值的调节器,根据工艺状况的变化实施PID自适应控制,使触媒层温度控制在规定值的±1℃。 (4)分程控制:上述串级控制、单回路控制、前馈一反馈控制三种技术方案,均是以热点(或敏点)温度为被控变量,以一次副线入塔循环气流量为调控变量,来稳定合成塔温度。上述方案在负荷比较稳定、波动范围不太大的工况下,可以稳定触媒层温度。然而,生产的实践证明,合成塔生产负荷因受前工序(或多机组)部分设备开机停机的影响而常有大幅度波动。按前面干扰分析,负荷大幅度波动时,单靠一次副线流量调节难以稳定工况。当一次副线流量达最大(或最小)仍不能稳定工况时,工艺要调节二次副线流量以维持触媒层温度,故设计了分程控制方案,使用常规仪表调节器采用硬分程调节。 各DCS应用厂均采用软分程调节,即采用顺控表及内部仪表实现软分程,用不同的“调节器”来调节不同的调节阀,技术方案十分合理。有的厂家为克服滞后,同时使用了史密斯滞后时间补偿,使触媒温度稳定达±1℃。 (5)触媒温度优化控制:各氨厂采用DCS监控生产过程后,为开发高级控制策略提供硬件和软件条件。某厂在上位机上采用Pascal语言开发了优化控制方案,运用上位机和控制站二级控制触媒层温度。习惯上的触媒层温度控制,总是通过稳定蒸发器气体出口温度这一外部干扰因素,来追求合成塔触媒层温度在定值条件下的动态品质和控制精度。但是形式上的一条线,却牺牲了蒸发器气体出口温度最低条件下所取得的经济效益。通过工艺机理分析,撇开了传统的调节方法,允许触媒层温度依据触媒的活性在不同的使用期有一定的波动范围。同时根据实时的气氨压力、系统压力、系统负荷、不同牌号的触媒活性周期,在维持蒸发器最低出口温度的条件下,实施触媒层温度的优化控制。
本文由 中国测控网 编辑整理
 
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