大型合成氨装置中的先进节能比值控制策略

-1-大型合成氨装置中的先进节能比值控制策略北京远东仪表有限公司张洪垠英文题目:AdvancedandEnergy-savingRatioControlStrategyinMassSyntheticAmmoniaUnit摘要:本文通过大型合成氨装置水/碳比控制、氢氮比控制，介绍了先进节能比值优化控制策略的设计思路和方法，并结合实际工艺操作特点和经验，设计出成熟、可靠和实用的先进节能比值控制方案，对石油化工过程控制方案的设计能提供有益的指导和参考。Abstract:Thispaperintroducesthedesignphilosophyandmethodofadvanced,energy-saving,optimizedratiocontrolstrategy,throughH2O/∑Cratiocontrolinmasssyntheticammoniaunit.Intergratedwithexperiencesandfeaturesofrealprocessoperation,amature,reliable,practical,energy-savingandadvancedratiocontrolstrategyisdeveloped.Itwillbeinstructivefordesignofcontrolstrategyinpetro-chemicalprocess.关键词:合成氨，水/碳比，氢氮比，先进，节能，比值，控制Ammonia，H2O/∑CRatio，H/NRatio，Advanced，Energy-saving，Ratio，Control在以天然气为原料的年产20万吨、30万吨、45万吨等大型合成氨装置中，水/碳比控制、氢氮比控制是最为典型的两套先进节能比值控制系统，它们在整个合成氨装置生产中，发挥着节能挖潜、降低消耗、优化操作、保证装置安全稳定生产等重要作用。目前，在我国绝大多数类似装置上，虽然都采用了DCS系统和设计有相应的控制方案，但并没有很好的投用这些先进节能优化复杂控制策略，实际效果很不理想，多数厂家为手动控制或单回路控制，自适应能力、抗干扰能力和调节品质较差，究其原因，主要是设计方案存在问题，实用效果不佳。对大型合成氨装置的先进节能比值优化控制，不论是年产20万吨、30万吨合成氨，还是年产45万吨以上的合成氨装置，其控制策略和设计原理是一样的，下面就实践中已经成功应用、且成熟、可靠和实用的先进节能比值控制策略予以介绍。一、水/碳比先进节能控制系统在以“烃类蒸汽转化法”生产合成氨的工艺中，水/碳比是一段转化炉十分关键的操作参数。从安全生产方面来看，配入蒸汽不足，水碳比过低，将会造成触媒析碳，严重会造成事故而被迫停产。但配入过量的蒸汽，造成水/碳比过高，会带来能耗急剧增加，这是生产极不经济的状况，不但白白浪费了蒸汽，而且增大了一段炉的负荷。由此可见，水/碳比控制系统是生产中极为关键的控制回路。PDFcreatedwithFinePrintpdfFactoryProtrialversion功能，结合实际工艺操作特点和经验，设计出成熟、可靠和实用的水/碳比先进节能控制系统，见图1所示。图1：水/碳比控制系统的构成本系统是以负荷给定为主控器，以原料气量和蒸汽量为付调，并以水碳比为目标进行控制的比值、双向串级、智能控制系统，并具有逻辑加/减功能。工艺系统在加负荷时，要先加蒸汽，待蒸汽量确实已增加后，增加天然气；系统减负荷时，先减天然气，后减蒸汽，从而保证水/碳比都不低于控制值（SP）。当蒸汽量不足时，系统能自动降低天然气量，以保证触媒不结碳，蒸汽或天然气量本身扰动时，自身付环进行自动调节。1、系统构成水/碳比控制系统主要由2个PID回路（FRCA1、FRCA2）、2个主要设定操作单元（FL0209、FL0215）和1个智能逻辑选择单元构成，见图2所示。图2：水/碳比控制系统原理图PDFcreatedwithFinePrintpdfFactoryProtrialversion多块，其主要应用的内部仪表类型有：①指示单元，具有输入指示、报警（高报警HI、低报警LO、变化率报警VL、输入断线IOP等）功能。②数据设定单元，具有数据设定功能，其PV为指示，SP为设定值。如分子量设定FL0202、水/碳比指示设定FL0209、工厂负荷指示设定FL0215。③PID调节单元，如总碳流量FRCA1调节器和蒸汽流量FRCA2调节器。④智能逻辑选择单元，高/低智能选择和逻辑加减量控制，如FX0210（K=1.02）和FX0228（K=0.9），通过系数K的设置实现加减速率的限制。⑤滤波单元，防止信号急剧变化而影响调节质量，如总碳滤波仪表FX0202和负荷设定滤波仪表FX0217。⑥运算单元，如对输入信号进行的各种算术运算、温压补偿运算等，如乘法器FX0213、除法器FX0212。⑦低选器（均为自动），如逻辑单元中的FX0211、FX0229。⑧高选器（均为自动），如逻辑单元中的FX0218、FX0219。2、工作原理本系统是一个以负荷给定FL0215SP为主控制器，以原料气量FRCA1和蒸汽量FRCA2为副调，并且以H2O/C给定FL0209SP为目标而进行控制的“双向串级-比值-逻辑”控制系统。对原料天然气组份的人工分析结果，设定CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C5H12的百分含量，自动计算出总碳数FI0201PV，根据总碳流量和负荷设定，自动调整蒸汽量，以保证所要控制的水/碳比FL0209SP。系统在加负荷（FL0215SP）时，先加蒸汽FRCA2，待蒸汽量确实已增加后，再增加天然气FRCA1；系统减负荷（FL0215SP）时，先减天然气FRCA1，后减蒸汽FRCA2，从而保证任何时候水/碳比（FL0209PV）都不低于控制值（SP）。当蒸汽量不足时，系统能自动降低天然气量，以保证触媒不结碳，蒸汽或天然气量本身扰动时，自身付环进行超前自动调节。该系统对天然气流量进行温压补偿，并换算成质量流量，进行分子量补偿，然后转换成总碳流量，参与水/碳比计算和调节，同时根据总碳流量换算出工厂负荷。对中压蒸汽流量也进行温压补偿，参与水/碳比计算和调节。该系统向后段工序的氢/氮比、一段炉出口温度等控制系统输出负荷变化的前馈信号FX0204PV（总碳流量），由于此信号使得水/碳比、氢/氮比和一段炉出口温度三个控制系统联系起来，形成一个从一段炉到合成塔的大的多变量控制网络。在正常生产和工艺允许时，只要改变工厂负荷FL0215一块PDFcreatedwithFinePrintpdfFactoryProtrialversion值，就可以使整个合成氨装置稳定的自动加减负荷。对工厂负荷FL0215设计有加减量速率自动控制，即使操作人员如何的快速加减工厂负荷，系统都会自动的使加负荷时，每步小于2%；减负荷时每步小于10%。操作十分简便，并保证整个系统的安全稳定运行。3、系统的安全措施在水/碳比先进节能控制系统中，设置了完善的操作、切投与运行方面的安全保护措施，异常状况时，系统自动完成一系列的操作和切换，如自动脱除串极、自动跟踪、无扰切换等。而且各主要仪表具有跟踪、变化率限幅、高低限报警、偏差报警、仪表故障诊断报警等，依此配有可靠的安全逻辑顺序控制策略。该系统对一次仪表均要设置正常工艺操作上下限报警值（HI、LO）、变化率报警值VL、输入断线报警值IOP，对PID调节器均要设置偏差报警值DV，目的是对一次仪表和主要调节器的故障和错误信息进行判断、识别，采取相应的安全保护措施，如输入开路、测量变化率大、输入信号越限、偏差报警等现象发生时，调节系统自动切除串级或自动状态，并报警提醒操作人员。例如：天然气和蒸汽的流量温压补偿，为了避免仪表故障导致流量测量错误，采取了间断性温压补偿方式，即：当参与校正的温度、压力测量值正常时，5秒钟一刷新；异常（HI、或LO、或VL、或IOP）时，保持上一周期的数据，停止数据采集，流量校正采用前一次采集的数据进行校正，当该仪表正常后，又恢复5秒钟采集一次。采用此方法进行校正的目的是防止参与的仪表失灵造成整个控制系统误动作而造成事故。该系统，既构成为一个独立的先进节能复杂控制系统，又构成一个完整的合成氨控制大系统，通过工厂负荷一表控制，实现对整个合成氨装置的前后工序的全局调整和协调控制，实现合成氨装置整体节能控制，能适用于大范围、大幅度的工厂负荷波动场合，具有较强的自适应能力和抗干扰能力，调节品质和控制特性优良，在工厂负荷50%～105%的范围内均可投用。该方案已经在年产30万吨和年产45万吨的合成氨装置成功投用，实际投运验证，技术指标控制能够达到：1)工厂负荷正常控制指标≤±1.0%2)水/碳比正常控制指标≤±0.1。二、氢氮比先进节能控制系统氢氮比先进节能控制系统，是提高大型合成氨装置氨产量、降低能耗的关键一环。工艺特点为负荷波动大，存在大时滞现象，通过充分开发和利用先进的自动化控制技术和DCS功能，结合实际工艺操作特点和经验，设计出成熟、可靠和实用的氢氮比先进节能控制系统，使之具有很好的自适应能力和抗干扰能力和克服大时滞现象，调节品质和控制特性优良，并具有可靠的安全保护措施，操作简单、方便、实用。1、系统概述PDFcreatedwithFinePrintpdfFactoryProtrialversion控制系统是一套具有较强的自适应能力、抗干扰能力和克服大时滞现象的“前馈-比值-多串级”调节系统。控制系统以水/碳控制系统的总碳流量FX0204PV作该系统的前馈信号，由合成气的H2/N2调节器AIC411、新鲜气的H2/N2调节器AIC410与工艺空气流量调节器FIC003组成多串级调节系统，对进入二段炉103-D的工艺空气流量进行控制，以此来调节新鲜气H2/N2和合成气H2/N2。既保证氢氮比调节质量，又使二段炉温度波动小。当总碳流量降低时，快速减少空气量，不致引起进入二段炉的空气过多造成设备超温，而当总碳流量增加时，使进入二段炉的空气量平稳地递增，避免造成系统波动。见图3、图4所示。合成气H2/N2作主调AIC411；新鲜H2/N2作第一级副调AIC410；主调AIC411的输出作第一级副调AIC410的外给定（SP）；第一级辐调AIC410的输出与总碳流量在FX0414进行前馈运算，得出所需的空气流量值，作副调FIC003的外给定，由空气流量调节器FIC003调节阀门FCV3，FIC003的输出控制进入二段炉的空气流量，达到最终控制合成气H2/N2的目的。FX0402进行空气流量稳压补偿计算，并换算成质量流量，其PV作FIC003的测量。该系统除了上述反馈控制功能外，还配有空/碳（FI0421）操作指导和报警提醒措施，实现安全操作，稳定运行及无扰切换。图3：氢氮比控制系统的构成PDFcreatedwithFinePrintpdfFactoryProtrialversion：氢氮比控制系统原理图2、系统构成与工作原理本系统是以合成塔入口循环气H2/N2为主调（AIC411），以进入合成系统新鲜空气H2/N2为第一级副调（AIC410），以加入二段转化炉的空气流量调节器FIC003，以总碳流量FX0204PV为前馈信号的“多串级-前馈-比值”控制系统。H2/N2控制系统共采用各种功能的DCS内部仪表20多块，其中：①指示单元，具有输入指示、报警（高报警HI、低报警LO、变化率报警VL、输入断线IOP等）功能。②PID调节单元，如：AIC411、AIC410、FIC003调节器。③运算单元，如对输入信号进行的各种算术运算、温压补偿运算等，如前馈运算FX0414、温压补偿运算FX