聯堿氯化銨結晶工序氨冰機大型化與智能化控制

蔣 威，董文林2，霍小永2，楊亞軍，朱 雷

(1.浙江中控技術股份有限公司，浙江 杭州 310052； 2.河南金山化工集團，河南 鄭州 450046)

聯堿工藝中氯化銨結晶工序氨冰機是聯堿裝置的核心運轉設備之一。上世紀八九十年代，聯堿行業制冷一般采用活塞式壓縮機，其制冷量約為465～1163 kW(40～100萬kcal/h)，主電機功率一般為200～450 kW，單臺設備制冷能力較低，一般與4～20萬t/a聯堿裝置配套；2000年后，螺桿冰機以其制冷量大、維護保養費用低、操作簡單等優勢逐漸為聯堿行業所青睞，其單臺設備制冷量約為1 163～2 908 kW(100～250萬kcal/h)；近幾年，螺桿冰機大型化取得新進展，6 048 kW(520萬kcal/h)的螺桿冰機已經成熟，逐漸為大型聯堿企業所采用。

2000年后，聯堿生產能力約100萬t/a的大型聯堿企業一般配置10～12臺螺桿冰機，配備的主電機功率一般為900～1 200 kW，裝機容量約8 000～13 000 kW。聯堿結晶工序冰機崗位電耗約50～80 kW·h/t堿(聯堿行業制堿、制銨當量差別很大，且結晶工序投量AⅠ溫度差別也很大，故單位產品冰機電耗參差不齊，相差很多)。

近幾年，盡管螺桿冰機也實現了大型化，但是單臺螺桿冰機最大制冷量約5 815 kW(500萬kcal/h)，所以100萬t/a聯堿系統結晶工序仍需配置4～5臺大型化的螺桿冰機，設備數量多，且大型化的螺桿冰機配備的主電機功率一般為1 800～2 000 kW，如果采用蒸汽汽輪機拖動，需配置4～5臺汽輪機。不僅螺桿冰機配套的蒸汽汽輪機數量多，投資大，而且因螺桿冰機驅動軸功率一般低于2 000 kW，也存在蒸汽汽輪機運行效率偏低的問題。

目前，單臺離心冰機制冷量遠大于螺桿冰機。一臺離心冰機即可提供23 260～40 705 kW(2 000～35 00萬kcal/h)制冷量，能滿足年產100～120萬t/a大型聯堿裝置結晶工序制冷量之需。

若能將離心式冰機用于聯堿行業，不僅可解決聯堿冰機大型化問題，也可化解汽輪機拖動所面臨的投資性價比低的矛盾。大型化氨離心冰機采用汽輪機拖動，驅動軸功率遠高于螺桿冰機，一般高于6 500 kW，不僅具有投資性價比高的優勢，且機組系統自動化控制投資費用也會因冰機數量的減少(及配套汽輪機數量減少)而大幅度降低。

近幾年來，我國大型合成氨裝置(煤氣化空分制氣、等溫變換、低溫甲醇洗、液氮洗、循環壓縮機、合成氨工藝)中配置的冰機基本實現了大型化，且氨冰機運行穩定、可實現無人值守運行。需要說明的是合成氨工藝冰機進口氣氨壓力基本穩定，波動很小，而聯堿工藝提供的氣氨不具備此有利條件。

聯堿工藝氨冰機(進口)氣氨來自于結晶工序液氨蒸發外冷器，因聯堿工藝特性，外冷器出口的氣氨壓力存在持續衰減問題，且運行8 h，壓力因衰減到不足以維持生產繼續進行(氣氨壓力波動范圍可達23%～30%)，必須停車輪換(備用設備)。

此外，受大氣環境溫度及循環水溫度影響，聯堿冰機冬季與夏季實際運行負荷相差約20%，也增加了聯堿冰機大型化、自動化、智能化、無人值守運行的難度。

更主要的是聯堿冰機制冷量核算選型關系到設備的經濟運行。制冷量選擇偏高，在冬季會出現運行負荷低于其設計負荷的70%，易在喘振區運行不經濟現象；制冷量選擇偏低，夏季制冷能力不足，會表現出冰機滿負荷運行也不能滿足制冷量之需，影響生產能力的問題。

河南金山化工集團與浙江中控通過調速控制、負荷控制、壓力波動控制、喘振保護控制等相關技術方案成功解決了聯堿行業采用汽輪機拖動大型化離心冰機的相關技術難題。

1)汽輪機全自動一鍵啟機，穩定轉速波動基本控制在5 rpm以內；

2)離心冰機開停機實現一鍵自動加載和一鍵自動卸載。運行過程中防喘振控制和負荷控制全自動調整機組負荷，實時適應聯堿系統的負荷波動，縮短了從開機到穩定的制冷的時間，實現無人值守；

3)全自動防喘振控制，可以有效避免壓縮機喘振，并且可以自動實現空載待機運行，避免了零負荷停機；

4)對側流離心氨冰機的負荷控制效果穩定，入口壓力可控制在1 kPa的壓力波動范圍(0.25%的波動范圍以內)。

目前，僅開一臺離心式冰機，氯化銨日產量約2 500～3 600 t/d之間，可實現自動調節，無人值守運行，且氯化銨產能還有繼續提高的可能。

1 壓縮機控制算法介紹

浙江中控壓縮機機組防喘振控制方案是綜合考慮汽輪機調速控制，壓縮機負荷控制和防喘振控制的一體化整體解決方案，為離心式壓縮機組提供了先進的控制手段，可全面保障機組的安全穩定運行。

1.1 喘振控制

1.1.1 壓縮機喘振控制進展

總體來說，壓縮機防喘振控制經歷了定流量控制、變流量限控制的模擬量控制階段，目前正處于微信號處理機式計算機控制階段。

浙江中控壓縮機機組控制一體化解決方案以浙江中控先進的軟件系統，可靠的硬件系統為基礎，防喘振的基本原理采用最小流量限控制，但是考慮壓縮機正常工況，失速工況和喘振工況的不同特性，采取了不同的控制策略，可以有效的避免壓縮機發生喘振，并且使壓縮機在安全的工作區域達到最高的節能效果。

1.1.2 防喘振控制坐標系的建立

傳統的壓縮機防喘振控制坐標系是基于壓縮機特定的設計條件建立的。當壓縮機工作工況偏離設計工況，或者氣體介質分子量發生變化，相應的喘振線也會發生變化，不利于壓縮機防喘振控制。如圖1所示，隨著壓縮機工作介質分子量不同，壓縮機喘振線各不相同。為了保證壓縮機的安全運行，需要選取較大的安全裕度，或者選取最安全的喘振線，從而縮小了操作空間，造成了防喘閥開度相對較大，存在能耗浪費的現象。此外，壓縮機實際工作工況很可能與設計工況偏離較大，并且可能是實時變化的，喘振線的唯一性是防喘振精確控制的前提與保障。浙江中控壓縮機防喘振控制坐標系采用無量綱的坐標系,將多變的入口條件轉化成與入口條件無關的曲線，將不同工況和不同分子量多條喘振線歸一成唯一的一條，如圖2所示。

圖1 有量綱坐標系

圖2 無量綱坐標系的建立

1.1.3 算法簡介

如圖3所示，為壓縮機喘振控制矢量圖，圖中有4條線，代表不同的控制策略。

喘振線—Surge Limit Line，SLL

喘振控制線—Surge Control Line，SCL

階躍響應線—Step Response Line，SRL

喘振保護線— Surge Protect Line，SPL

圖3 矢量圖介紹

SLL是壓縮機實際喘振線，是其他不同控制策略線的基礎。正常情況下，壓縮機工作點在SCL線上運行，這是壓縮機安全和節能的最佳平衡點。當出現較大的擾動時，壓縮機工作在可能往左移動，直至SRL線，觸發階躍功能，防喘閥階躍打開，壓縮機迅速脫離喘振。SPL為喘振保護線，觸碰該線，防喘閥全開，快速脫離喘振，保護機組。

1.2 負荷控制

1.2.1 負荷控制的定義及控制目標

負荷控制是指壓縮機為了滿足工藝需求，通過自動調整轉速或者壓縮機入口導葉開度，滿足工藝需求的控制功能。

開車初期時，聯堿系統的產量存在不穩定問題，會造成冷量需求的實時變動，此外，設備的故障，臨時檢修等也會影響生產負荷，從而影響結晶工序冷量的穩定需求，這就要求壓縮機能夠自適應工藝需求，實現自動變負荷以適用聯堿生產。

1.2.2 負荷控制策略

1)工藝操作的負荷控制，首先通過調節轉速或入口導葉來實現最高效率的負荷控制；

2)多回路協調優化控制；

3)負荷控制與喘振控制之間的解耦、喘振控制回路之間的解耦；

4)限制控制，性能超弛控制；

5)自動加載卸載功能，可將壓縮機自動平穩地并入和切出工藝系統。

1.3 調速控制

汽輪機轉速控制采用專用快速PID算法調節汽輪機轉速，此外，還具備以下輔助功能：

1)全自動啟動：汽輪機可以通過按下控制面板的啟動按鈕自動啟動、升速、暖機、越過臨界轉速直到最小調速轉速Ngovmin，投入正常運行。全自動啟動可以組態為熱啟動和冷啟動兩種模式。

2)半自動啟動：通過按怠速1、怠速2和額定按鈕，可以將汽輪機升速到工作轉速，升速過程中可以通過“暫停”和“繼續”按鈕來停止升速和繼續升速。

3)手動操作：當汽輪機沖轉達到最小控制轉速Nmin，操作員也可以通過按升速、降速按鈕或者直接輸入轉速目標值來進行升速降速調節。

4)超速試驗：正常運行中汽輪機轉速不能超過最大連續轉速Nmax，超速試驗功能將暫時屏蔽這個轉速限制功能，使得汽輪機能夠升到超速跳車轉速，以測試超速保護裝置的功能。

5)抽汽控制：速度控制可以與抽汽控制回路配合實現單抽、雙抽、抽注汽汽輪機的控制。

2 浙江中控機組控制在河南金大地聯堿項目中的應用

2.1 項目簡介

氨冰機制冷原理是通過離心式氨冰機將液氨蒸發外冷器蒸發的氣氨(0.33～0.42 MPa)壓縮到一定的壓力(1.2～1.55 MPa)，在此壓力(1.2～1.55 MPa)下，通過循環水(或蒸發冷凝器)將離心式冰機出口的高溫氣氨冷凝成低溫液氨；然后將冷凝的液氨送至結晶工序液氨蒸發外冷器內，通過減壓氣化蒸發成氣氨，再進入離心式冰機進行壓縮，繼續進行循環。液氨蒸發外冷器內液氨通過減壓蒸發吸收熱量，用于降低液氨蒸發外冷器列管內母液以及冷析結晶器內母液溫度，冷析結晶器內可析出NH4Cl產品。此前，國內聯堿行業基本采用螺桿機進行氨制冷，本項目是我國聯堿行業首次采用大型化離心冰機進行氨制冷。

圖4 浙江中控汽輪機升速控制原理圖

2.2 項目重點和難點

如圖5 所示，為河南金大地化工聯堿項目離心冰機主流程圖，主要顯示了離心冰機氣氨工藝圖。來自液氨蒸發外冷器的氨氣先進入壓縮機入口的一級氣液分離器，然后進入壓縮機，此外，還有一股側流氨氣進入壓縮機，兩股氣體混合之后，經過壓縮機做功，高溫高壓的氨氣首先經后冷卻器初步冷卻，然后再去氨蒸發冷凝器進一步冷凝。該壓縮機有兩段防喘和一個出口壓力高限制放空閥。壓縮機后冷卻器后氨氣經2個防喘振閥分別回到一級氣液分離器和二級氣液分離器。壓縮機出口有一個高壓放空閥，正常該閥門關死，當壓力過高，該閥門打開，氨氣直接回到一級氣液分離器。整個控制過程非常復雜，存在許多難點。

1)控制復雜：氨氣通過兩段壓縮冷卻后，冷凝成液氨去液氨儲罐。每一段入口分離器的溫度都對應相應的飽和蒸汽壓和過熱度。主要控制目標是一段入口壓力控制、溫度控制和喘振控制，以及每段入口的溫度和防喘振控制。壓縮機入口壓力控制、溫度控制和喘振控制之間互相影響、互相干擾，壓力的變化會引起溫度的變化，溫度的變化會影響喘振控制，喘振控制回流會升高溫度。這是一個多變量影響的復雜邏輯過程，控制難度大。

2)開工困難：由于制冷壓縮機各段入口壓力與冷段溫度是相對應的。在開工初期，壓縮機是全回流啟動，各冷段溫度沒有降到設計溫度。壓縮機的加載過程就是隨著各冷段溫度的下降，逐步關閉各段防喘閥。在這一過程中，任何一個波動或操作失誤都會打亂平衡，造成壓縮機喘振或停車。因此，靠手動操作壓縮機極易喘振，致使開工時很難穩定。即使最有經驗的操作員手動操作也需很長時間才能穩定。

3)容易波動：運行過程中一旦工藝操作波動，制冷壓縮機控制不好會放大波動，造成控制振蕩，很難恢復。對于壓縮機的每一段入口來說，溫度壓力都是一個動態平衡的過程，平衡的要素是冷源(冷劑)和熱源(喘振回流量)的平衡，這兩個要素任何一點波動都會帶來整個壓縮機和制冷過程的波動，甚至于停車(冷劑加入過多會造成泛液聯鎖停車)。因此，防喘振控制要與溫度控制(激冷控制)協調解耦。

4)喘振的側流控制：氨制冷壓縮機的二段除了有一段壓縮來的氣體，還有入口分離器來的氣體，這種應用稱之為側流控制。側流控制非簡單意義上的上一段來的流量和本段氣體流量的相加，而是經過嚴格的側流計算。浙江中控開發的側流控制算法解決了這一問題。

2.3 項目實施過程及控制效果

如圖5所示，為河南金大地化工聯堿離心冰機主流程圖，左側為汽輪機蒸汽流程圖，主要顯示蒸汽壓力和溫度和抽汽閥門輸出；右側主要顯示了離心冰機氨氣工藝圖。

該壓縮機為側流壓縮機，壓縮機二段中的氨氣量為一段和二段的總和，不同狀態的氣體由于密度不同，不能直接相加，此處的處理采用了浙江中控壓縮機控制的側流算法，取得較好控制效果。

圖5 河南金大地化工聯堿項目離心冰機主流程圖(100%負荷運行)

2.3.1 汽輪機啟機效果

如圖6所示，河南金大地聯堿冰機汽輪機啟機升速過程。B線條為轉速目標值，C線為轉速實際值，A線條為閥門輸出值。在滿足汽輪機啟機條件之后，按下控制面板的啟動按鈕，汽輪機自動啟動、升速、暖機、越過臨界轉速直到到達最小調速轉速，投入正常運行。整個升速過程中，轉速穩定，實際轉速歷史趨勢線與汽輪機升速曲線基本重合。汽輪機控制實現了全自動一鍵啟機，穩定轉速波動基本控制在5 rpm以內。

圖6 聯堿冰機汽輪機啟機升速過程

2.3.2 壓縮機防喘振控制效果

如圖7所示，為壓縮機喘振負荷控制畫面，主要顯示了壓縮機正常運行工況，防喘振副線全部關閉，符合設計工況要求。

如圖8和圖9所示，壓縮機加載完成之后，一段工作點被控制在了壓縮機喘振控制線上，達到了安全和節能的最佳平衡點。開車初期，整體生產負荷較低，防喘閥開度相對較大。二段防喘閥已經關死，工作點落在壓縮機安全工作區內。

圖7 聯堿離心冰機喘振負荷控制畫面(100%負荷運行)

圖8 聯堿離心冰機喘一段振性壓線控制圖

圖9 聯堿離心冰機二段喘振控制效果

2.3.3 負荷控制效果

聯堿項目結晶工序離心冰機最直接的工藝指標變量應為實時需求的制冷量。因離心冰機制冷量指標冷量不易直接量化監測，且工藝所需的冷量目標值更難以實時設定，故需找出與工藝所需制冷量有邏輯關系工藝指標作為控制目標值。

對于制冷離心冰機而言，在出口氣氨壓力基本恒定，入口氣氨壓力可以間接反映離心冰機做功能力，也可間接反映工藝所需的冷量。因此，聯堿項目結晶工序采用壓縮機入口壓力作為負荷控制的主要工藝指標。

可以依據聯堿工藝生產對冷量的需求變化，設置相應的入口壓力值，通過升速或者降速調整壓縮穩定的做功輸出，保證聯堿工藝生產。當氣氨進入離心冰機入口的壓力高于設定值，負荷控制器自動計算轉速的調整量，在100 ms的控制周期內做出及時準確的指令，提高工作轉數，以增加制冷能力；當氣氨進入離心冰機入口壓力低于設定值，同理，降低工作轉速，以保證壓縮機入口壓力的穩定，以降低制冷能力。

當聯堿系統工藝生產負荷提高后，提高了產量，對冷劑的需求也相應的增加，此時，防喘閥會關小，同時，壓縮機轉速同步升高；當防喘閥關死之后，如果還不能滿足聯堿工藝制冷量的需求，只需要將氨離心冰機入口壓力設定值進一步下調，氨離心冰機會根據工藝需求自動提高轉速，以滿足生產之需。

當聯堿系統工藝生產減負荷運行后，防喘閥會自動打開，轉速會自動降低，無需人工參與，即可完成調整。如果聯堿其它工序突然停產，也不會引起氨離心冰機跳車，氨離心冰機控制系統會自動調整防喘閥開度和轉速，實現空載待機，可以有效避免壓縮機喘振，并且可以自動實現空載待機運行，避免了零負荷停機。

如圖10所示，聯堿正常生產過程中負荷控制效果，隨著壓力的波動，負荷控制器通過計算輸出汽輪機目標轉速，然后串級調速控制器，實現氨離心冰機轉速的實時調整。結果表明，負荷控制穩定，轉速調整及時。

3 項目總結

聯堿汽輪機拖動的大型化離心冰機智能化控制的成功運行，不僅可降低聯堿項目投資，提高聯堿勞動生產率，而且還可大幅度降低聯堿運行成本。初步估算，河南金大地化工聯堿項目大型氨離心冰機裝置年可降低電耗約4 000～5 000萬度，綜合效益可觀。

浙江中控壓縮機智能化解決方案，可為聯堿工藝“汽輪機拖動的大型化離心氨冰機”機組提供可靠、穩定的運行保障，機組控制成功實現了全自動控制，無人值守操作，且節能效果顯著。

河南金山化工集團的河南金大地化工聯堿項目“汽輪機拖動的大型化離心氨冰機”的成功運行，開創了我國聯堿行業冰機大型化、智能化之先河，對聯堿行業節能、減排、高質量發展意義深遠。