大型合成氨裝置氫氮比先進控制系統的設計

王賓（河北滄州大化集團公司，河北 滄州 061000）

張洪垠（中國自動化集團有限公司，北京 100013）

目前我國大型合成氨裝置基本都應用了DCS，有些廠家由DCS實現了H2/N2比控制，有些廠家還沒有，但大多數廠家控制效果和投用效果都不理想，自適應能力和抗干擾能力差，調節品質不良，或只能在工廠負荷70%～90%的范圍內可投用，效果一般。

滄州大化針對大型合成氨裝置，以DCS為基礎，圍繞工藝裝置的節能挖潛、降低消耗、減少停車、優化控制和操作以及保證長周期安全穩定生產方面，我們開發設計了H2/N2比節能型先進控制系統，同時，實現了安全可靠的聯鎖報警和優化操作邏輯順序控制策略；利用DCS的操作、顯示、記錄報表和數據管理功能，優化和方便了日常的生產監視和操作，提高了生產的管理水平，保證了合成氨裝置的長周期安全穩定運行。投運后的H2/N2比控制系統，實踐證明具有很強的自適應能力和抗干擾能力，調節品質與控制特性優良，在工廠負荷50%～105%的范圍內，均可投用，效果明顯，達到了增產、降耗、節能的目的。

1 系統設計概述

我們結合大型合成氨裝置的工藝特點和多年的操作經驗，開發設計了一套非常實用有效的H2/N2比節能型先進控制方案，如圖1所示。

H2/N2控制系統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象的“前饋-比值-多串級”調節系統。控制系統以水/碳控制系統的總碳流量FX0204 PV作該系統的前饋信號，由合成氣的H2/N2調節器AIC411、新鮮氣的H2/N2調節器AIC410與工藝空氣流量調節器FIC003組成多串級調節系統，對進入二段爐103-D的工藝空氣流量進行控制，以此來調節新鮮氣H2/N2和合成氣H2/N2。

圖1 氫氮比控制系統結構圖

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，由空氣流量調節器FIC003調節閥門FCV3，FIC003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進行空氣流量穩壓補償計算，并換算成質量流量，其PV作FIC003的測量。

該系統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，實現安全操作，穩定運行及無擾切換。

2 系統的構成與工作原理

圖2 氫氮比控制系統流程圖

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調節單元，如：AIC411、AIC410、FIC003調節器。

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/滯后環節，起滯后作用，克服滯后現象，提高自適應能力和調節質量， 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質量，如總碳濾波儀表FX0427。

工藝空氣管線上的儀表信號FT3、PT3A、TT3A均要靠硬接線引入DCS，而不使用MODBUS串口通訊。

該控制系統的方塊圖如圖2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控制系統的主環。

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，輸出經濾波單元FX0408作AIC410調節器的測量信號，在AIC410中與給定作比較，進行PID運算，輸出到

本系統是以合成塔入口循環氣H2/N2為主調（AIC411），以進入合成系統新鮮空氣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。

H2/N2控制系統共采用各種功能的DCS內部儀表20多塊，其中：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的空氣流量，以補充或減少系統所需的N2量，使控制系統有利于克服系統的大時滯現象，增強系統的自適應能力。在該系統中設置了一套超前滯后動態補償環節，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象和強烈擾動。因此，該控制系統的控制特性和調節品質優良，既提高了H2/N2的調節品質，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地遞增，避免造成系統擾動。

在DCS內部，FX0402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，FX0402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。第一調節通道由“氫/氮比控制--空氣流量調節器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。

3 系統的安全措施

從整個裝置的生產關聯性方面，設置了停車與事故處理程序，當原料氣中斷、水/碳聯鎖、空氣壓縮機停車、引風機停車及輔鍋滅火時，這些程序自動取代了操作人員需要進行的大量操作和緊急事故處理，減少停車時特別緊急停車時的擾動和失誤，從而大大提高了操作的安全性和可靠性。

3.1 空氣中斷聯鎖保護由DCS內部邏輯順序控制完成

條件：空氣流量PV（FI0003）≤7.0 t/h;

空氣流量PV（LFA110）≤7.0 t/h；

聯鎖投運PV（NSW）=1。

當以上條件如圖3所示，同時成立時，則有如下動作：

(1) FIC003自動變成手動，并使進入二段爐的空氣閥門全關，MV=0%；

(2) AIC411和AIC410自動變成手動；

(3) 向二段爐注蒸汽量增到最大，使調節閥MIC025全開，MV=100%；

(4) 空氣壓縮機調節器PIC048打手動；

(5) 出現聲響、變色、閃光報警信息和操作指導信息。

3.2 一次儀表的安全保護

對空氣流量變送器等重要的一次儀表采用“雙因素”方式，組成“與門”，目的提高控制系統和聯鎖保護系統的準確性和可靠性，避免因儀表故障造成誤動作或誤停車。

增加對一次儀表的故障和錯誤信息的判斷識別及相應的動作保護措施，如輸入開路、輸出開路、測量變化率大、偏差值過大、輸入信號越限等現象發生時，調節系統自動切除串級或自動狀態。

增加各儀表的報警功能和自動操作功能，各指示調節儀表均具有異常聲響報警、顏色變化、信息閃動提醒等功能，工藝異常時，調節系統根據工藝要求，自動完成開閥關閥、設定合理工藝參數等操作，并顯示漢字化的操作指導信息，提醒操作人員。

該系統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調節器均要設置偏差報警值DV，目的是對一次儀表和主要調節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、偏差報警等現象發生時，調節系統自動切除串級或自動狀態，并報警提醒操作人員。

(1) 當FT3、PT003A、TIOO3A之一輸入斷線IOP時， FIC00打手動MAN。

(2) 當FT3、PI003A、TI003A之一HI，或LO、或VL報警時，FIC003打手動MAN。

(3) 當FIC003偏差±DV報警時，FIC003打手動MAN。

(4) 當AIC410、AIC411之一偏差±DV報警時，或當DCS中AR5_2、AR5_3、AR3_1、 AR3_2之一HI或LO、或VL報警時，FIC003由串級CAS轉換成自動AUT。

(5) 當AIC410或AIC411測量值PV小于2.6或大于3.3時，FIC003由串級CAS轉換成自動AUT。

(6) 當FIC003不在串級CAS時，AIC410的輸出OP自動跟蹤FIC003內給定SP。

(7) 當AIC410不在串級CAS時，AIC411的輸出OP自動跟蹤AIC410內給定SP。

(8) AIC411、AIC410、FIC003在手動MAN時，相應的調節器自動跟蹤：

(9) 當FIC003不在CAS時，AIC410、AIC411均打手動MAN；

(10) 當FIC003在CAS時，AIC410變為AUT；當AIC410在CAS時，AIC411變為AUT。

(11) OOP輸出斷線報警時，相應的調節器自動打手動MAN。

3.3 溫壓補償

在DCS內部，空氣流量測量進行了溫壓補償校正，空氣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，保持上一周期的數據，停止數據采集，流量校正采用前一次采集的數據進行校正，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誤動作而造成事故。

4 系統投運與操作

利用DCS系統的邏輯順序控制功能，經過專門處理，實現了復雜控制的無平衡、無擾動一次投運，操作起來既簡單又方便。

4.1 投運步驟

(1) 首先檢查各儀表指示均正常；

(2) 把空氣流量FIC003調整到正常值，投自動；

(3) 確認在線氣相色譜儀分析正常，FIC003投串級，AIC410投自動，穩定后投串級；

(4) 合成氣H2/N2調節器AIC411投自動，給出H2/N2最終控制指標，SV=2.8；

(5) 空氣中斷連鎖保護系統投運。

4.2 系統切除

系統的切換十分簡單，有自動切除和人為切除兩種方式，不論哪一種方式，都視具體情況先切除哪一個和切除到哪一級，操作十分靈活方便，可以一次到位。AIC411為主級，AIC410為第一副級，FIC003為第二副級。由于該系統設置了許多操作、投運與切除方面的安全保證措施，異常狀況時，系統自動系統完成一系列的操作和切換。如自動脫除串級，自動開閥關閥，自動設定值等。而且各主要儀表均具有跟蹤、變化率限幅、高低限報警、偏差報警、儀表故障診斷報警和工藝操作范圍限制提醒等功能，依此配有一些安全邏輯順序控制操作與切換，并配有操作指導信息和聲響、變色、閃光報警，所以，對操作人員來說，既簡單方便，又安全可靠。

4.3 系統操作

(1) 由于異常狀況時，邏輯順序控制（SEQ）會自動切除串級，一旦AIC410和FIC003自動切除串級，需查明情況再投運。

(2) 經常檢查空氣壓縮機101-J的出口壓力PI0048和二段爐各點溫度。

(3) 注意空/碳FI0415指示變化與報警信息，進一步判斷加入的空氣流量是否進入一段爐的原料氣相一致。

5 系統投運效果

合成回路氫氮比控制是大型合成氨裝置提高氨產量、降低能耗的關鍵一環。該設計方案投運幾年來，氫氮比先進節能控制系統能根據工廠負荷的波動，能夠克服大時滯現象，具有很好的自適應能力和抗干擾能力，調節品質和控制特性優良，并具有可靠的安全保護措施，操作簡單、方便。既保證了氫氮比調節質量，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地遞增，避免造成系統波動。該系統實際投運驗證，技術指標均能達標：①工廠負荷正?？刂浦笜恕堋?.0%；②氫氮比正?？刂浦笜恕堋?.1，取得很好的經濟效果。

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