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張洪垠（1962-）
男，高級工程師，現(xiàn)任杭州和利時自動化公司工業(yè)自動化事業(yè)部工程總經(jīng)理，兼公司副總工程師，負責完成了國家重點科技攻關項目《大型合成氨和尿素裝置優(yōu)化控制和調度》和《流程工藝CIMS應用工程》及典型的合成氨、尿素、雙氧水、硝酸、燒堿、甲醇、制氫等數(shù)十套置的DCS新建和改造項目。
摘要：本文通過大型合成氨裝置水/碳比控制、氫氮比控制，介紹了先進節(jié)能比值優(yōu)化控制策略的設計思路和方法，并結合實際工藝操作特點和經(jīng)驗，設計出成熟、可靠和實用的先進節(jié)能比值控制方案，對石油化工過程控制方案的設計能提供有益的指導和參考。
關鍵詞：合成氨；水/碳比；氫氮比；先進；節(jié)能；比值；控制
Abstract: This paper introduces the design idea and method of the advanced, energy-saving, optimized ratio control strategy through H2O/∑C ratio control in mass synthetic ammonia unit. Integrated with experiences and features of real process operation, a mature, reliable, practical, energy-saving and advanced ratio control strategy is developed. It will be instructive for design of control strategy in petro-chemical process.
Key words: Ammonia；H2O/∑C Ratio；H/N Ratio；Advanced；Energy-saving；Ratio；Control
天然氣為原料的年產20萬噸、30萬噸、45萬噸等大型合成氨裝置中，水/碳比控制、氫氮比控制是最為典型的兩套先進節(jié)能比值控制系統(tǒng)，它們在整個合成氨裝置生產中，發(fā)揮著節(jié)能挖潛、降低消耗、優(yōu)化操作、保證裝置安全穩(wěn)定生產等重要作用。
目前，在我國絕大多數(shù)類似裝置上，雖然都采用了DCS系統(tǒng)和設計有相應的控制方案，但并沒有很好的投用這些先進節(jié)能優(yōu)化復雜控制策略，實際效果很不理想，多數(shù)廠家為手動控制或單回路控制，自適應能力、抗干擾能力和調節(jié)品質較差，究其原因，主要是設計方案存在問題，實用效果不佳。
對大型合成氨裝置的先進節(jié)能比值優(yōu)化控制，不論是年產20萬噸、30萬噸合成氨，還是年產45萬噸以上的合成氨裝置，其控制策略和設計原理是一樣的，下面就實踐中已經(jīng)成功應用、且成熟、可靠和實用的先進節(jié)能比值控制策略予以介紹。
1 水/碳比先進節(jié)能控制系統(tǒng)
在以“烴類蒸汽轉化法”生產合成氨的工藝中，水/碳比是一段轉化爐十分關鍵的操作參數(shù)。從安全生產方面來看， 配入蒸汽不足，水碳比過低，將會造成觸媒析碳，嚴重會造成事故而被迫停產。但配入過量的蒸汽，造成水/碳比過高，會帶來能耗急劇增加，這是生產極不經(jīng)濟的狀況，不但白白浪費了蒸汽，而且增大了一段爐的負荷。由此可見，水/碳比控制系統(tǒng)是生產中極為關鍵的控制回路。
通過充分開發(fā)和利用先進的自動化控制技術和DCS功能，結合實際工藝操作特點和經(jīng)驗，設計出成熟、可靠和實用的水/碳比先進節(jié)能控制系統(tǒng)，如圖1所示。
本系統(tǒng)是以負荷給定為主控器，以原料氣量和蒸汽量為付調，并以水碳比為目標進行控制的比值、雙向串級、智能控制系統(tǒng) ，并具有邏輯加/減功能。工藝系統(tǒng)在加負荷時，要先加蒸汽，待蒸汽量確實已增加后，增加天然氣；系統(tǒng)減負荷時，先減天然氣，后減蒸汽，從而保證水/碳比都不低于控制值（SP）。當蒸汽量不足時，系統(tǒng)能自動降低天然氣量，以保證觸媒不結碳，蒸汽或天然氣量本身擾動時，自身付環(huán)進行自動調節(jié)。
圖1 水/碳比控制系統(tǒng)的構成
1.1 系統(tǒng)構成
水/碳比控制系統(tǒng)主要由2個PID回路（FRCA1、FRCA2）、2個主要設定操作單元（FL0209、FL0215）和1個智能邏輯選擇單元構成，如圖2所示。
圖2 水/碳比控制系統(tǒng)原理圖
該系統(tǒng)共采用各種類型的DCS內部儀表40多塊，其主要應用的內部儀表類型有：
① 指示單元， 具有輸入指示、報警（高報警HI、低報警LO、變化率報警VL、輸入斷線IOP等）功能。
② 數(shù)據(jù)設定單元，具有數(shù)據(jù)設定功能，其PV為指示，SP為設定值。如分子量設定FL0202、水/碳比指示設定FL0209、工廠負荷指示設定FL0215。
③ PID調節(jié)單元，如總碳流量FRCA1調節(jié)器和蒸汽流量FRCA2調節(jié)器。
④智能邏輯選擇單元，高/低智能選擇和邏輯加減量控制，如FX0210（K=1.02）和FX0228（K=0.9），通過系數(shù)K的設置實現(xiàn)加減速率的限制。
⑤ 濾波單元， 防止信號急劇變化而影響調節(jié)質量， 如總碳濾波儀表FX0202和負荷設定濾波儀表FX0217。
⑥ 運算單元，如對輸入信號進行的各種算術運算、溫壓補償運算等，如乘法器FX0213、除法器FX0212。
⑦ 低選器（均為自動），如邏輯單元中的FX0211、FX0229。
⑧ 高選器（均為自動），如邏輯單元中的FX0218、FX0219。
1.2 工作原理
本系統(tǒng)是一個以負荷給定FL0215 SP為主控制器，以原料氣量FRCA1和蒸汽量FRCA2為副調，并且以H2O/C給定FL0209 SP為目標而進行控制的“雙向串級-比值-邏輯”控制系統(tǒng)。
對原料天然氣組份的人工分析結果，設定CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C5H12的百分含量，自動計算出總碳數(shù)FI0201 PV，根據(jù)總碳流量和負荷設定，自動調整蒸汽量，以保證所要控制的水/碳比FL0209 SP。
系統(tǒng)在加負荷（FL0215 SP）時，先加蒸汽FRCA2，待蒸汽量確實已增加后，再增加天然氣FRCA1；系統(tǒng)減負荷（FL0215 SP）時，先減天然氣FRCA1，后減蒸汽FRCA2，從而保證任何時候水/碳比（FL0209 PV）都不低于控制值（SP）。當蒸汽量不足時，系統(tǒng)能自動降低天然氣量，以保證觸媒不結碳，蒸汽或天然氣量本身擾動時，自身付環(huán)進行超前自動調節(jié)。
該系統(tǒng)對天然氣流量進行溫壓補償，并換算成質量流量，進行分子量補償，然后轉換成總碳流量，參與水/碳比計算和調節(jié)，同時根據(jù)總碳流量換算出工廠負荷。對中壓蒸汽流量也進行溫壓補償，參與水/碳比計算和調節(jié)。
該系統(tǒng)向后段工序的氫/氮比、一段爐出口溫度等控制系統(tǒng)輸出負荷變化的前饋信號FX0204 PV（總碳流量），由于此信號使得水/碳比、氫/氮比和一段爐出口溫度三個控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，形成一個從一段爐到合成塔的大的多變量控制網(wǎng)絡。在正常生產和工藝允許時，只要改變工廠負荷FL0215一塊儀表的給定SP值，就可以使整個合成氨裝置穩(wěn)定的自動加減負荷。對工廠負荷FL0215設計有加減量速率自動控制，即使操作人員如何的快速加減工廠負荷，系統(tǒng)都會自動的使加負荷時，每步小于2%；減負荷時每步小于10%。操作十分簡便，并保證整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
1.3 系統(tǒng)的安全措施
在水/碳比先進節(jié)能控制系統(tǒng)中，設置了完善的操作、切投與運行方面的安全保護措施，異常狀況時，系統(tǒng)自動完成一系列的操作和切換，如自動脫除串極、自動跟蹤、無擾切換等。 而且各主要儀表具有跟蹤、變化率限幅、高低限報警、偏差報警、儀表故障診斷報警等，依此配有可靠的安全邏輯順序控制策略。該系統(tǒng)對一次儀表均要設置正常工藝操作上下限報警值（HI、LO）、變化率報警值VL、輸入斷線報警值IOP，對PID調節(jié)器均要設置偏差報警值DV，目的是對一次儀表和主要調節(jié)器的故障和錯誤信息進行判斷、識別，采取相應的安全保護措施，如輸入開路、測量變化率大、輸入信號越限、偏差報警等現(xiàn)象發(fā)生時，調節(jié)系統(tǒng)自動切除串級或自動狀態(tài)，并報警提醒操作人員。如天然氣和蒸汽的流量溫壓補償，為了避免儀表故障導致流量測量錯誤，采取了間斷性溫壓補償方式，即當參與校正的溫度、壓力測量值正常時，5秒鐘一刷新；異常（HI、或LO、或VL、或IOP）時，保持上一周期的數(shù)據(jù)，停止數(shù)據(jù)采集，流量校正采用前一次采集的數(shù)據(jù)進行校正，當該儀表正常后，又恢復5秒鐘采集一次。采用此方法進行校正的目的是防止參與的儀表失靈造成整個控制系統(tǒng)誤動作而造成事故。
該系統(tǒng)，既構成為一個獨立的先進節(jié)能復雜控制系統(tǒng)，又構成一個完整的合成氨控制大系統(tǒng)，通過工廠負荷一表控制，實現(xiàn)對整個合成氨裝置的前后工序的全局調整和協(xié)調控制，實現(xiàn)合成氨裝置整體節(jié)能控制，能適用于大范圍、大幅度的工廠負荷波動場合，具有較強的自適應能力和抗干擾能力，調節(jié)品質和控制特性優(yōu)良，在工廠負荷50%～105%的范圍內均可投用。該方案已經(jīng)在年產30萬噸和年產45萬噸的合成氨裝置成功投用，實際投運驗證，技術指標控制能夠達到：
（1） 工廠負荷正常控制指標≤±1.0%；
（2） 水/碳比正常控制指標≤±0.1。
2 氫氮比先進節(jié)能控制系統(tǒng)
氫氮比先進節(jié)能控制系統(tǒng)，是提高大型合成氨裝置氨產量、降低能耗的關鍵一環(huán)。工藝特點為負荷波動大，存在大時滯現(xiàn)象，通過充分開發(fā)和利用先進的自動化控制技術和DCS功能，結合實際工藝操作特點和經(jīng)驗，設計出成熟、可靠和實用的氫氮比先進節(jié)能控制系統(tǒng)，使之具有很好的自適應能力和抗干擾能力和克服大時滯現(xiàn)象，調節(jié)品質和控制特性優(yōu)良，并具有可靠的安全保護措施，操作簡單、方便、實用。
2.1 系統(tǒng)概述
H2/N2控制系統(tǒng)是一套具有較強的自適應能力、抗干擾能力和克服大時滯現(xiàn)象的“前饋-比值-多串級”調節(jié)系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以水/碳控制系統(tǒng)的總碳流量FX0204 PV作該系統(tǒng)的前饋信號，由合成氣的H2/N2調節(jié)器AIC411、新鮮氣的H2/N2調節(jié)器AIC410與工藝空氣流量調節(jié)器FIC003組成多串級調節(jié)系統(tǒng)，對進入二段爐103-D的工藝空氣流量進行控制，以此來調節(jié)新鮮氣H2/N2和合成氣H2/N2 。既保證氫氮比調節(jié)質量，又使二段爐溫度波動小。當總碳流量降低時，快速減少空氣量，不致引起進入二段爐的空氣過多造成設備超溫，而當總碳流量增加時，使進入二段爐的空氣量平穩(wěn)地遞增，避免造成系統(tǒng)波動。如圖3、圖4所示。
合成氣H2/N2作主調AIC411；新鮮H2/N2作第一級副調AIC410；主調AIC411的輸出作第一級副調AIC410的外給定（SP）；第一級輻調AIC410的輸出與總碳流量在FX0414進行前饋運算，得出所需的空氣流量值，作副調FIC003的外給定，由空氣流量調節(jié)器FIC003調節(jié)閥門FCV3，F(xiàn)IC003的輸出控制進入二段爐的空氣流量，達到最終控制合成氣H2/N2的目的。FX0402進行空氣流量穩(wěn)壓補償計算，并換算成質量流量，其PV作FIC003的測量。
圖3 氫氮比控制系統(tǒng)的構成
圖4 氫氮比控制系統(tǒng)原理圖
統(tǒng)除了上述反饋控制功能外，還配有空/碳（FI0421）操作指導和報警提醒措施，實現(xiàn)安全操作，穩(wěn)定運行及無擾切換。
2.2 系統(tǒng)構成與工作原理
本系統(tǒng)是以合成塔入口循環(huán)氣H2/N2為主調（AIC411），以進入合成系統(tǒng)新鮮空氣H2/N2為第一級副調（AIC410），以加入二段轉化爐的空氣流量調節(jié)器FIC003，以總碳流量FX0204 PV為前饋信號的“多串級-前饋-比值”控制系統(tǒng)。
H2/N2控制系統(tǒng)共采用各種功能的DCS內部儀表20多塊，其中：
① 指示單元， 具有輸入指示、報警（高報警HI、低報警LO、變化率報警VL、輸入斷線IOP等）功能。
② PID調節(jié)單元，如：AIC411、AIC410、FIC003調節(jié)器。
③ 運算單元，如對輸入信號進行的各種算術運算、溫壓補償運算等，如前饋運算FX0414、溫壓補償運算FX0402。
④低選器（均為自動），如：FX0424。
⑤一階超前/滯后環(huán)節(jié)，起滯后作用，克服滯后現(xiàn)象，提高自適應能力和調節(jié)質量， 如FX0425、FX408、FX0409。
⑥一階滯后單元，起滯后作用，克服擾動與滯后現(xiàn)象，提高自適應能力和抗干擾能力，如FX0423。
⑦濾波單元，防止信號急劇變化而影響調節(jié)質量，如總碳濾波儀表FX0427。
該控制系統(tǒng)的方塊圖如圖4所示。合成氣的H2和N2組分由在線分析儀把每次分析的結果送給計算機內部儀表，然后在FX0407中進行除法運算，得到合成氣H2/N2，輸出經(jīng)濾波單元FX0409做主調AIC411的測量信號，在AIC411中與給定作比較，進行PID運算，輸出作新鮮氣H2/N2調節(jié)器AIC410的外給定，以調整新鮮氣的H2/N2來控制合成氣的H2/N2，此回路為H2/N2控制系統(tǒng)的主環(huán)。
在線分析儀把每次分析的新鮮氣H2和N2組分在FX0406中進行除法運算，得到新鮮氣H2/N2，輸出經(jīng)濾波單元FX0408作AIC410調節(jié)器的測量信號，在AIC410中與給定作比較，進行PID運算，輸出到前饋運算單元FX0414，與總碳流量進行前饋運算，得出所需的空氣流量。
前饋運算單元FX0414輸出作空氣流量調節(jié)器FIC003的外給定，由于總碳流量FX0204 PV前饋信號的引入，它可以在原料氣變化時，相應地事先改變加入系統(tǒng)的空氣流量，以補充或減少系統(tǒng)所需的N2量，使控制系統(tǒng)有利于克服系統(tǒng)的大時滯現(xiàn)象，增強系統(tǒng)的自適應能力。在該系統(tǒng)中設置了一套超前滯后動態(tài)補償環(huán)節(jié)，由一塊滯后單元FX0423，一塊超前滯后單元FX0425后一塊低選器FX0424組成，用來補償因工廠負荷變化到H2/N2變化，再來改變加入空氣流量時間上的大時滯現(xiàn)象和強烈擾動。因此，該控制系統(tǒng)的控制特性和調節(jié)品質優(yōu)良，既提高了H2/N2的調節(jié)品質，又使二段爐溫度波動很小。FX0425具有一階滯后作用，它與低選器FX0424組合在一起，可以保證當總碳流量低選時，快速減少空氣流量，不致引起進入二段爐的空氣量過多造成設備超溫，而當總碳流量增加時，使進入二段爐的空氣量平穩(wěn)地遞增，避免造成系統(tǒng)擾動。
在DCS內部，F(xiàn)X0402中進行溫壓補償運算，得出進入二段爐的實際空氣質量流量，F(xiàn)X0402的輸出一路去FX0421與原料天總碳流量FX0204.PV進行除法計算，得出空/碳比，由FI0421完成指示和報警；另一路去FIC003作測量，進行空氣流量控制。第一調節(jié)通道由“氫/氮比控制--空氣流量調節(jié)器FIC003”通過改變空氣流量來調整新鮮氣H2/N2，嚴格控制合成氣的H2/N2，達到提高合成效率，最大限度地利用原料氣，提高裝置的生產能力。
2.3 系統(tǒng)的安全措施
該系統(tǒng)對一次儀表均要設置正常工藝操作上下限報警值（HI、LO）、變化率報警值VL、輸入斷線報警值IOP，對PID調節(jié)器均要設置偏差報警值DV，目的是對一次儀表和主要調節(jié)器的故障和錯誤信息進行判斷、識別，采取相應的安全保護措施，如輸入開路、測量變化率大、輸入信號越限、偏差報警等現(xiàn)象發(fā)生時，調節(jié)系統(tǒng)自動切除串級或自動狀態(tài)，并報警提醒操作人員。
該系統(tǒng)實際投用表明，具有較強的自適應能力、抗干擾能力和克服大時滯現(xiàn)象，能適用于大范圍、大幅度的工廠負荷波動場合調節(jié)品質和控制特性優(yōu)良，在工廠負荷50%～105%的范圍內均可投用。該方案已經(jīng)在年產30萬噸和年產45萬噸的合成氨裝置成功投用，實際投運驗證，技術指標控制能夠達到：氫氮比正常控制指標≤±0.1。
上述先進節(jié)能比值優(yōu)化控制策略，雖然介紹的是在大型合成氨裝置中的典型應用，但在實際工作中，其控制策略和設計原理的思路與方法適用于眾多的石油化工裝置。石油化工裝置一般都有多種物料參與過程化學反應，為了達到節(jié)能和優(yōu)良的控制效果，充分利用先進的自動化控制技術和發(fā)揮DCS的作用，通過結合實際工藝操作特點和經(jīng)驗，開發(fā)和設計成熟、可靠和實用的先進節(jié)能比值優(yōu)化控制策略很有必要。
作者信息：
張洪垠，石宏圖，王會民，吳 彬 （杭州和利時自動化有限公司，北京 100096）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號