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合成氨工艺控制方案总结

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2020年4月19日
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合成氨工艺控制方案总结
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8 q1 x4 ~) {  d  j一 合成氨工艺简介
7 h: k- `" q0 f' q6 u$ J中小型氮肥厂是以煤为主要原料，采用固定层间歇气化法制造合成氨原料气。从原料气的制备、净化到氨的合成，经过造气、脱硫、变换、碳化、压缩、精炼、合成等工段。工艺流程简图如下所示：
9 l5 a4 Z+ d4 ]% |7 y) n5 g8 b   9 n5 P4 V' m) h/ \! e
   该装置主要的控制回路有：（1）洗涤塔液位；( P" O, S* l' e$ b  H/ j! {% C8 x
（2）洗涤气流量；
9 j( F  H5 f' X# O( o$ R* s（3）合成塔触媒温度；! S! ~/ T# b, n3 s
（4）中置锅炉液位；' |  a) t  `- s7 k- W  z# D
（5）中置锅炉压力；
' Z/ ?, l- t8 N+ Y" D) y（6）冷凝塔液位；
, g* p! h4 G* W3 }（7）分离器液位；$ g' Z3 C: u; }2 {& U4 g
（8）蒸发器液位。
" [* m7 u% t# z+ B- _5 F8 `其中触媒温度控制可采用全系数法自适应控制，其它回路采用PID控制。6 ?8 ?: e' y7 p

3 {; B' p# u/ z二 主要控制方案! R- B' @& [8 R) @
（一）造气工段控制  w1 |! G. V( g; d* O+ K! J) v
  工艺简介：
+ e0 H" M* ?  M固定床间歇气化法生产水煤气过程是以无烟煤为原料，周期循环操作，在每一循环时间里具体分为五个阶段；(1)吹风阶段约37s；(2)上吹阶段约39s；(3)下吹阶段约56s；(4)二上吹阶段约12s；(5)吹净阶段约6s.8 g7 G. `/ K" d; X
l、 吹风阶段7 M4 g2 U2 M4 d) F" ^3 F8 m$ `% c
    此阶段是为了提高炉温为制气作准备的。这一阶段时间的长短决定炉温的高低，
% a+ ~+ B$ l, n. K& Z6 i时间过长，炉温过高；时间过短，炉温偏低而且都影响发气量，炉温主要由这一阶段控制。% E+ e: D. t/ T; I$ b3 p+ o- {
般工艺要求此阶段的操作时间约为整个循环周期的18％左右。, [, @" }0 Z; u# @7 y4 J
2、上吹加氮制气阶段
' f, z: e$ N9 X1 e# r    在此阶段是将水蒸汽和空气同时加入。空气的加入增加了气体中的氮气含量，是调节( f+ |& g$ Q% H2 t# B
H2/N2的主要手段。可是为了保证造气炉的安全该段时间最多不超过整个循环周期的26％。0 E5 K7 m9 p$ _6 N! m  _" B5 {
3、上吹制气阶段2 X* C: f+ e, ^/ B; e+ a' U
该阶段与上吹加氯制气总时间为整个循环的32％，随着上吹制气的进行下部炉温逐渐下降，为了保证炉况和提高发气量，在此阶段蒸汽的流量最好能得以控制。" }& u3 g- A3 j: d
4、下吹制气阶段
% k! p8 w  ?; F    为了充分地利用炉顶部高温、提高发气量，下吹制气也是很重要的一个阶段。这段时间2 n8 ~* n2 l2 z9 ]# C& y9 c) `# [
约占整个循环的40％左右。
; c2 @/ W7 p& Y5、二次上吹阶段
2 _, p7 O' [  L# ~! g为了确保生产安全，造气炉再度进行吹风升温之前，须把下吹制气时留在炉底及下部管4 i7 v+ N( u9 g0 l9 Y- b
道中的半水煤气吹净以防不测，故进行第二次上映。这段时间约占7％左右。3 {) B3 l' D6 {( S4 A* [9 c
6、吹净阶段
8 P% g+ }: R4 f: Y/ I& k# `这段时间主要是回收上行煤气管线及设备内的半水煤气。约占整个循环的3％。该阶段是由吹风管路送风，该段时间的长短直接影响H2/N2.! ]9 A" r/ W" S6 M/ {! c
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该控制系统是一个较复杂的时变、间歇、非线性、大滞后控制系统。故将该系统设计为串级控制。
4 Q+ S! f$ H7 x! I造气炉的工作方式分为开车、停车、正常造气、升温和制惰等五种方式。每台造气炉需要控制15个电磁阀，为了防止多台炉同时进入吹风阶段而引起争风抢汽观象，各台炉之间必须进行吹风排队顺序控制。0 L/ h- k+ J# p3 T$ R  M# U  ]. w

( N2 R1 W- F7 \% e; ^控制方案：
5 R( A, G! @. I- k/ `& |3 q  N1、造气工段H2/N2控制方案
8 W; O$ ?$ y/ f/ \, [1 Q造气工段是经过加减氮操作来进行氢氮比控制的，而加减氮操作又是经过调节上下吹加氮时间和吹风回收时间来实现的，因此，该控制系统最终得到的控制量要转化为上下吹加氮时间或吹风回收时间。本系统的氢氮比控制采用调节吹风回收时间来实现。8 P+ ~. \: O& U  O# o" Z1 u$ r
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1 c1 B. ~' |1 I在合成氨生产过程中，影响氢氮比的主要干扰来源是造气、脱硫两个环节，这部分仅有较小的滞后，因此对脱硫制氢采用PID闭环控制和较高的采样频率，这是控制的内环。然后将造气脱硫与变换、脱碳、精炼及合成组成一个广义外环，采用预测控制进行控制，这是控制的外环。可选作控制量的参数有：脱硫氢、变换氢、补充氢和循环氢，这四个氢值之间的波动有一个时间差，脱硫氢到变换氢大约有5min，变换氢到补充氢大约有15min,再由补充氢到循环氢又有20min，而且补充氢与循环氢之间存在积分关系，补充氢中氢氮比的微小变化就会造成循环氢中氢的增加与减小，即稳定的补充氢并不能保证循环氢的稳定。而循环氢是生产过程最终阶段的信号，因此采用循环氢作为主调节参数，并选择脱硫氢作为副调参数，以克服循环氢巨大的滞后。
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, U& o5 E: X$ E' V: F8 b% ]2、H2/N2调节方法
% V$ x, J# K6 J' X" A3 L% a采用改变加氮空气量的方法调节H2/N2，在上吹和下吹阶段设置用／否加氮软手动开关决定是否启用加氮空气，同时采用上／下加氮调节阀来改变加氮空气量，其次能够经过调整
* Z/ ]% R7 u! W, R吹净时间的方法来调整H2／N2，同时还采用打吹净软开关确定在吹风阶段是否提前关闭烟囱阀，以辅助调节H2/N2.
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" q7 g! m' v: }, l
4 ?4 D6 |# m# T  s! I- F* E（三） CO变换工段控制
3 ~$ F& N6 L0 i1 q! b* Z4 N  工艺简介：工艺流程图如下：# E8 l$ ~0 M& G# x1 }; C; q

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中温变换护的正常操作应该是将各段催化剂的温度控制在适宜的范围内，以充分发挥催化剂的活性。同时用最低的蒸汽消耗实现最高的CO变换率。影响中变炉催化剂床层温度变化的因素很多，如蒸汽的加入量、蒸汽的温度、进入催化剂前反应气体的温度、反应气体的组成以及生产负荷等。
- N- `- w9 X; F: F! O1 S1 @- a该工段主要的控制系统主要有：中变炉入口温度定值控制，入中变护蒸汽流量定值控制，入中变沪中段蒸汽流量定值控制，中变炉下段温度控制等。
5 o9 }) ?8 t5 \+ l* o+ b! v# Y（1）中变炉人口温度定值控制系统
5 h# V: ]& Q! w+ n3 [   
9 w* ?7 ~* r3 |4 |) ?# k% L& E7 d/ a6 j+ C3 R
        该系统是经过控制中变炉的入口温度来稳定上段催化剂的温度。选中变炉人口气体的温度作为被控变量，操作变量为中温换热器的半水煤气副线流量。0 G' [" \- d2 v3 J
    其主要干扰因素有：半水煤气流量，半水煤气温度，蒸汽流量，蒸汽温度，变换气温度等。
" M" n7 V1 X5 i' s* X+ `9 T1 m, R0 e在这个系统中，中变炉人口温度是根据生产要求由人工设定，当受到干扰使该温度偏离没定值时，经过改变中温换热器副线流量来维持其入口温度的稳定。
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; v! _. g' N! C2 c6 p（2）        入炉蒸汽流量定值控制
, K3 \* C+ ?9 y+ B# k8 E控制流程图如下：
( t% [# V  F' C. s. O" x
& D: w! N/ ^. D被控变量和操作变量均为与煤气混合的蒸汽流量。其主要干扰因素是蒸汽的温度和蒸汽管网的压力。求由人工设定，经过改变蒸汽流量调节阀的开度来维持蒸汽流量的稳定。当生产负荷变动或其它干扰因索引起中变炉上段催化剂温度发生变化而需要改变入炉的蒸汽量时，只能经过人工调整系统的设定值来实现，可见该系统不能自动跟踪生产负荷，亦不能按照上段催化剂温度的变化来自动控制所需的蒸汽量。
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# X( t7 p  G! W6 Z  U. M( [（3）            中变炉中段蒸汽流量定值控制
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（六）氨合成工段控制9 K9 h% p# J4 a5 Y
在合成氨生产中，合成塔人塔气体的氢气与氮气的比例是工艺上一个极为重要的控制指标。氢氯比合格率对于全厂生产系统的稳定、提高产量和降低原料及能源消耗起着重要作用，氢氮比的过高或过低，都会直接影响合成效率，导致合成系统超压放空，使合成氨产量减少，消耗增加。但合成氨氢氮比对象是一个纯滞后和容积滞后大，无自衡能力和时变的工艺过程，因此氢氮比控制是氨合成工段的主要控制对象。
# ], y* Q2 ~4 ~! h& r3 z. v4 o5 P方案一：
& u$ t4 x2 |6 `  Y0 `采用变比控制方案，对负荷变化和加氮空气量进行预测控制其工作框图如下：
% M) C- `' ?. n* Z   " u( o3 q, X2 m) Y1 f6 S
原料气中各有效成分分析合成总的含H2量作为主物料信号，乘上一个比值系数K,就作为空气调节阀的输入信号，驱动调节阀以得到所需要的与总含H2成比例的N2量。如果由于某种因素使H2/N2比值偏离给定值，就经过调节器GC输出信号修正比值系数K,使H2/N2比回到给定值上来。对于空气流量的干扰，设置一个副环，构成串级控制，对空气的测量，采用压力和温度的补偿。5 r( ~$ d9 \3 r* O# q+ z& x
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方案2 预测加PID控制方案; K7 }: B" c  O0 n2 b

  G- I' R$ r. W/ K" Y! y
& ?3 s( P. R1 L$ c0 F        上述方案由两个回路组成：内回路是由造气到脱磕和可调控制器组成的线性反馈回
7 V8 `8 Q0 M% v1 v  x  v路；外回路由变换到精炼和通推参数估计器及校正器组成。
9 c. I$ _2 U$ P7 C- [9 V' w2 X6 _; [% V2 w1 w7 \; x
方案3 预测＋PID串级控制方案
( q9 V" \! c, X9 W7 x   氢氮比经过改变二段炉的空气量来调节，针对被控对象的特点，本文采用多步MAC7 [3 m, Y# D2 G! w* k
预测控制算法、PID算法及前馈调节相结合的控制规律构成氢氮比前馈中级控制系统。系统结构方块图如下所示：& @. G- L7 _) U2 R+ W9 i$ E% B
, W% ?: e0 k2 }7 E/ {! I! V
' ?% y& |0 v. \2 ~" g
        由于负荷（原料气流量）变化是系统可测不可控的干扰，为此，采用前馈调节系统，以便及时克服负荷波动的干扰。
% ]$ b& g1 O& m, `由于空气流量波动大，必须采用闭环控制，空气流量调节回路采用YS－80单回路调节器实现。
' R' W' ^" X" m+ e由于系统滞后时间长，为了能及时克服转化、变化工段的干扰，引入变换氢副调回路，此回路纯滞后时间短，可采用PID调节；主被控对象氢氮比系统纯滞后时间长，惯性大，干扰多，因此主控器采用MAC预测控制5 l5 u; H) X# U7 |7 J2 l
$ g8 x, F9 r. T- z
（八）精馏塔控制方案
* c, V7 l5 ~4 l工艺简介：
6 ]8 v' l! E1 H5 u   合成氨厂氨精馏塔是氨回收单元，以水为溶剂，吸收氨合成回路的放空气和液氨贮槽放空气中的氨，然后利用外部供热使氨水溶液解吸，水作为吸收剂循环使用。其工艺流程图如下：3 d2 d( u( I2 w2 `: W

& z0 s# _8 ?! [0 b+ ~! L# h( `2 p$ v8 K& x; O; B( q" u* L9 E

0 f; ]; ~' S/ v. B由于本精馏工段受多种干扰因素如进料量、进料温度、冷凝器冷却水温度、环境温度变化等的影响，而且难以直接测量产品浓度作为被调参数，故选用间接参数温度、压力作为被调参数。
4 W. @( H) S- y; G" l' e5 T
& j% q4 |3 `5 S控制方案：
0 [7 |/ j+ G% v1．压力控制
+ U$ f- `" G7 Y7 g    针对压力设置了一套压力分程调节系统，由PRC-10001检测塔内压力，分别控制塔顶排出的情气量和塔顶冷却器的回水量。其调节过程为：  当PRC-10001测量值增加时，其输出值若在100%~50%内，则情气阀PV—10001A全关(F.C)，  冷却水阀PV-10001B(F．0)逐渐开大，直至全开，  以充分冷凝气体中的氨；若输出值小于50％，则PV—10001B全. X8 Y% Z) b" K) n- m
开，PV—1000lA逐渐开大，从而使塔内压力降低，反之亦然。以此达到塔内压力恒定。
& y+ M3 ^' G, E3 X" |' f1 L+ _+ u- p$ c, |8 ]+ E/ q# S1 e$ d
2、温度控制
& K! j2 T! R7 F5 O    由于成品氨的质量与温度有直接关系，液氨流量直接影响着温度，为保证精馏塔温度，$ E( T0 j& [$ B' n" k0 z
设置一套以惰馏塔温度TICAH—10004和液氨流量FIC—10006组成的串级系统。其中流星为副参数，克服影响氨水流量波动的各种扰动因素；以温度为主参数，保证精馏塔温度，其工艺控制流程图如下：
6 u: j# a8 ]3 I% y6 X! k2 n# \( h8 v& u) r. D

$ h# m& z/ E* L" s" K! G    首先，手动调整F—10006输出值，使得T—10004满足工艺要求。然后，调整T—10004的给定值等于测量值，调整F—10006的设定值等于测量值。在此过程中，要保证T—10004输出值等于F—10006，设定值。随后将由手动投入自动，等稳定后投入串级。系统稳定后将T—10004由手动投入自动。
+ @  T* i2 a: J* {/ U& a+ C  D    至此，完成了串级调节系统的投运。
6 c! u# L$ [9 g    在投运过程中，一定要注意T—10004输出值等于F—10006设定值，投运之前，主、副回路均应置于手动状态。