合成氨工藝儀表選型及DCS自動化控制系統的設計

徐寧

（大慶石化工程有限公司，黑龍江大慶 163714）

0.引言

近年來，國內合成氨行業發展速度較快，合成工藝制備的氨占總用量的80%。在科技不斷發展下，該項工藝不斷更新換代，原料類型也不斷增加，如石油天然氣、潔凈煤等，利用煙煤、褐煤與含雜質煤合成氨不但可滿足國內生產的氨需求，還可促進低質量煤種利用率提升。在實際應用中，應注重儀表類型的選擇與DCS自控系統的創建，才可使合成氨工藝更加高效可靠。

1.合成氨工藝儀表選型

1.1 溫度儀表

在儀表選型時應結合相關標準規定，確保所選儀表與現實生產需求相符合。以溫度儀表為例，在煤化工廠中應用較為頻繁，較為常用的有熱電偶溫度計、熱電阻溫度計等，前者適用于高度低于500℃溫度內，后者適用溫度超過500℃。為使測量結果更加準確，還應將溫度計放入保護管內，通過法蘭連接后進行使用。

1.2 壓力儀表

該類儀表主要對生產期間壓力變化進行實時監測，因合成氨工藝涉及變換工段較多，且全部測點壓力值最大為3.67MPa。對此，最佳選擇為普通壓力變送器，但因該工藝中還存在有毒介質、易結晶，故而管路內壓力測量優先選擇隔膜密封壓力器[1]。根據需要監測位置的不同，還可在安裝常規壓力表的基礎上，再使用不銹鋼耐震壓力表，使測量結果更加準確客觀。

1.3 流量儀表

根據合成氨工藝，對流量儀表進行科學選型，如流量變送器、節流裝置與各類流量計等。因使用工況不同，所選儀表類型與參數也有所區別。例如，在用于蒸汽流量變換工況時，優選德爾塔流量計；用于管道直徑低于300mm、溫度低于500℃的蒸汽流量監測時，優選渦街路流量計；反之則選擇帶有節流效應的流量變送器。

2.DCS自動化控制系統設計與調試

該系統是基于計算機的集中分散控制系統，在工業中得到普及應用。該系統通訊網絡分為4層，即管理信息、過程控制、信息層以及I/O總線，組態內容是根據60萬t合成氨和80萬t尿素項目的工藝流程，采集測量點，繪制流程圖，并完成圖形變成與系統供電等工作，軟硬件設計與調試方法如下。

2.1 總體方案

根據合成氨工藝流程與規范要求，采用集散控制系統對操作期間涉及設備進行集中監控，并設置專門的保護生產裝置，檢驗有毒和可燃氣體。該項目的集散系統包括控制站、操作站、UPS等裝置構成，可用于合成氨工藝流程集中監控。根據該工藝由汽化到形成產品，共計要經歷24個階段，要求集散系統對各個環節實施監控，并對相關參數與報警信息做好記錄。在合成工藝中，循環水利用PLC系統進行監控，對給水、脫鹽水等系統用常規儀表監控，污水處理利用PLC控制器監控，壓縮機組用ITCC系統監控[2]。

2.2 系統設計

2.2.1 硬件設計

該項目監控點數量較多，且各個主項均單獨開展，針對變換工段進行分析。在系統整體設計中，結合變換工段的相關條件，制作DCS監控表，據統計工段內共有198個點數。結合實際點數與控制要求，該系統包括操作站（2個）、控制站（2個）、工程師站（1個）、過程控制網絡（1個）。在接地設計方面，該系統與儀表接地可提高運行安全性，因為各部件均為低壓配電系統，應遵循電氣相關標準予以設計，最終與等電位共用接地網絡相連接；在供電設計方面，該系統包括儀表盤、變送器以及相關閥門等部件，聯鎖控制系統獨立設置，單獨供電。在供電設計中還要考慮到冗余，如供電電源、UPS等，冗余電源選用雙回路電源為其提供電流。

2.2.2軟件設計

該項目中變換工段檢測點數量較多，共有198個。其中，變送器（54臺）、鉑熱電阻信號（53個）、熱電偶信號（28個）、氣動調節閥（34臺）。自動化程度較高，控制回路多采用常規控制，個別為串級調控。全部關鍵回路均選擇冗余配置，并用浙大中控軟件予以組態。在系統配置方面，根據提示安裝軟件并登陸，用戶名默認，選取組態文件的存放位置，再進入到組態界面。在過程控制網絡Scnet設置節點內的控制站、操作站組態內，將該工段名稱與編號填入。該工段內設定1個工程師站、2個操作站。例如，在4mA～20mA模擬輸入信號中，進入變換爐之前變換氣壓力指示，位號為20PI-1001，卡件可選擇FW315-2路，再對測點組態。將位號輸入后，描述功能，選取模擬量輸入。因該測點只需指示功能即可，無需對參數、報警等選項進行設定[3]。

在報警回路組態控制方面，該工段共有33臺閥門，各個回路均采用單回路進行調節，因此該調節回路共由33個測點和閥門構成。例如，在蒸汽流量指示調節報警中，結合工藝要求，當壓力值為3.2MPa時為低壓報警，壓力達到3.6MPa時為高壓報警，選擇趨勢設置，可在軟件中完成。在流程圖組態方面，根據PID繪制而成，將設備與儀表信號連接后繪制圖表，將生產工藝直觀準確的反應出來。在流程圖繪制期間，應準確識別工藝與自控專用圖形符號，還應掌握美工知識，例如在換熱器入口壓力調節回路中，先開啟流程圖繪制軟件SC DrawEx，采用庫中源文件與輔助工具，便可繪制相應流程圖，在繪制完畢后編譯調試，便可投入到工程內。

2.3 調試與驗收

（1）開車步驟。首先，開啟煤氣廢熱鍋爐的預熱蒸汽閥門，對廢熱鍋爐進行煮爐，當蒸汽壓力提高到0.06MPa后停止操作；然后，檢查變換系統大閥與小副線閥門，聯系氣化工段預熱系統進口總管，再排放空管低點倒淋。針對系統進口氣體取樣分析后，開啟入口閥門，再關閉放空閥；對煤氣副線與鍋爐閥門進行調節，控制變換爐進口處的溫度；最后將廢鍋預熱蒸汽閥門閉合，開啟給水泵進行鍋爐投運。

（2）系統測試。在工廠驗收測試方面，在變換工段內檢驗機柜內部布線合理性，測試是否可順利通過。通常采取打點方式，針對I/O通道逐一打點。判斷現場數據能否依靠組態搜索到數據，由此判斷網絡正常型，還應檢驗是否依照工藝條件實施軟件設計；結合技術標準檢驗硬件配置是否完善；在SIS驗收方面，包括應用軟件、軟硬件檢測等，判斷邏輯控制器能否與設計要求相符，剩余情況與DCS內容類似。

（3）應用效果。在變換工段方面，根據工藝條件需求，該項目采取控制系統完成各工段生產與管理自控的目標。通過運行結果可知，該設計切實可行，可使系統持續穩定運行沒能夠滿足生產期間對集中管理、分散控制等方面的要求，取得理想效果。工程開車后，現場儀表均可正常運行，自控運行運行良好，技術人員可在主控樓中對各個測點進行監控，自控回路可自動控制回路，使控制精度得到顯著提升，有效避免和預防人為因素引發的事故，促進變換工段可靠穩定運行。在裝置使用期間，幾乎沒有發生因控制系統故障而停車的事故，且生產效率顯著提升，系統運行更加良好。

3.結語

在化工行業發展中，合成氨工藝逐漸得到廣泛應用，作為無極化工類產品，對國民經濟發展具有重要推動作用。在實際應用中，應遵循工藝要求與技術規范，合理選擇儀表類型，并對各個工段獨立控制控制室，依靠DCS系統完成分散管理與集中控制目標。根據應用效果可知，工程開車后，現場儀表均可正常運行，自控回路可自動控制回路，生產效率顯著提升，系統運行更加穩定高效。