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張洪垠（1962－） 男，高級工程師，（杭州和利時自動化有限公司，北京 100096）現任杭州和利時自動化公司工業自動化事業部工程總經理，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、制氫等數十套置的DCS新建和改造項目。
摘要: 本文針對年產45萬噸大型合成氨裝置，介紹了以DCS為基礎圍繞氨合成塔的節能挖潛、降低消耗、以及保證安全穩定生產方面，開發設計了氨合成塔各段床層出口溫度先進節能控制系統以及實現二級優化控制的方法和思路。
關鍵詞: 合成塔；溫度；先進；節能；優化；控制
Abstract: Based on DCS system and consideration of energy-saving and safety working of synthesis converter in 450,000 t/a synthetic ammonia unit, this paper introduces an advanced temperature control system, the design conception, and the optimized control method.
Key words: Synthesis Converter; Temperature; Advance; Energy-saving; Optimized; Control
1 概述
在中石油最大的年產45萬噸合成氨裝置中，合成塔為托普索200系列徑向、二段冷激式。塔由外筒和內筒組成，內筒有二層催化劑和兩臺內部熱交換器；催化劑為鐵系氨合成催化劑；氣體分三路進塔。主氣路，由合成塔頂部的兩個對稱進口入塔，沿內外筒環隙下流，為外筒屏熱，到塔底入下部熱交換器殼側，被二段催化劑層出來的熱氣體加熱，然后沿中心管向上流動。
冷激氣（約占41%），由塔頂進入上段床床間換熱器管程，與出一段床的熱氣體換熱，然后在中心管上部與主氣流混合。由于混合氣體溫度較高，超過一段反應溫度，為此可用另一路進塔氣（約占18%），即從合成塔底部導入的冷付線控制一段床入口溫度。
出一段床的氣體溫度達500℃，流經上段床床間換熱器殼程，溫度降至400℃，然后進入下段床。下段床的入口溫度由手動控制。氣體由外向內徑向流過二段催化劑層。在中心管與催化劑筐內壁間的環隙向下流動，匯集后入下部換熱器管程，加熱去一段催化劑層的冷氣體，降溫至330℃從塔底部流出，離開合成塔。
實踐證明，要想使合成塔真正有較高的合成效率，充分發揮催化劑的作用和延長其使用壽命，提高氨合成效率和減小合成塔阻力，達到降低能耗提高氨產量的目的，必須控制好合成塔催化劑床層的出口溫度，催化劑床層的溫度是大型氨廠非常重要的工藝控制指標之一。
2 影響合成塔催化劑床層溫度的因素
為了控制好合成塔催化劑床層溫度，我們首先對影響合成塔催化劑床層溫度的因素分別作一些簡單的定性分析。
(1)合成塔的工作壓力：提高工作壓力，會使溫度上升，為了使反應平穩地進行，應控制合成塔工作壓力的穩定。在大化肥裝置中，主要控制手段是在合成塔的外圍對合成塔的新鮮氣流量實現自動調節。
(2)合成塔的進料濃度：合成塔的進料是新鮮氣和循環氣的混合氣。目前在大化肥裝置中基本上都成功地由DCS實現了H2/N2控制和惰氣含量控制。
(3)總負荷量：裝置的總負荷量一般是由前段生產工序所決定，對合成塔催化劑床層溫度來說屬于不可控因素，是一種干擾因素。
(4)催化劑老化情況：隨著催化劑的老化，在其它條件不變時，將使溫度下降。這也屬一種不可控因素。
(5)反應床層的入口溫度：入口溫度愈高，則塔內熱點溫度愈高，其控制手段是調節進氣冷激量的閥門開度。
以上是影響合成塔溫度的五大因素，同時，合成塔內催化劑床層的溫度并非均勻分布，隨著各種干擾因素的影響，也會使塔內反應放出的熱量有所差別。因此塔內每個床層都存在一個溫度最高的點，即“熱點”。熱點是合成塔中關鍵的被控參數。這是因為溫度超過一定限度后將會損壞催化劑，同時熱點溫度又較能準確的反映化學反應的情況，而且在擾動作用下變化較為顯著。熱點的溫度并非一成不變，它是一個動態點，如何控制好熱點溫度直接影響著合成氨能耗和產量。
3 改造前合成塔催化劑床層溫度控制
合成塔原設計是通過設置在每個冷激管線上的流量手動調節閥，改變冷激氣量來控制床層的入口溫度，試圖保證合成塔床層的出口溫度穩定。合成塔共有二層催化劑，一、二層各設有一套手動冷激進氣調節閥（FV-3、FV-2）。
這種控制方式主要靠人工手動控制每段床層的入口溫度，投用效果不佳。每段床層的出口溫度是大型合成氨廠非常重要的工藝控制指標，由于這種控制方式，床層的出口溫度不是閉環自動控制，而是開環人工控制，實踐證明，這種控制方式自適應能力和抗干擾能力差，調節品質和控制特性偏差大，系統不穩定，反應不平穩，容易造成床層溫度出口指標波動偏離，直接影響著合成塔的轉化效率，對穩產、高產和催化劑的使用壽命均不利。
4 改造后合成塔床層溫度控制方案與原理
在實際操作過程中，根據實踐經驗探索得知，合成塔的催化劑床層溫度、壓力、流量、負荷及成份變量之間耦合作用并不十分明顯，而每一床層入口溫度對出口溫度影響比較顯著，出口溫度的變化來自入口溫度的明顯變化，入口溫度變化超前、靈敏，且直接影響出口溫度的變化，所以只要控制好入口溫度，就能保證出口溫度的穩定。在DCS中以每一層的出口溫度作為主調，以其入口溫度作為副調，通過自動調節每層的入口冷激氣量閥門的開度，來達到控制塔內溫度平衡的目的。
該方案把原來每層的出口溫度指示改成溫度自動調節系統，作為主調，使之成為被調參數；每層的入口溫度為自動調節系統，使之成為第一副調，每層的入口冷激流量為自動調節系統，使之成為第二副調，直接控制原2個手動調節閥。其中，第一層冷激進氣調節閥為FIC-3；第二段床層冷激進氣調節閥為FIC-2，共構成2套溫度三串級自動控制系統。
圖1 控制方案圖
圖2 控制回路原理圖
表1
上述方案是針對年產45萬噸合成氨裝置，以DCS為基礎圍繞氨合成塔的節能挖潛、降低消耗、以及保證安全穩定生產方面，開發設計了氨合成塔各段床層出口溫度先進節能控制系統。改造后氨合成塔床層出口溫度先進節能控制系統具有較強的抗干擾能力和超前調節、純滯后補償能力；調節品質優良，控制效果良好；從而穩定和方便了工藝操作，提高了合成塔轉化效率，降低了能耗，增加了合成氨產量，延長了催化劑使用壽命。在工藝條件允許的情況下，能在工廠負荷50%～105%的范圍內，均可投用，效果良好。
5 調節系統安全措施（邏輯控制策略）
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和輸出斷線報警OOP，目的是對儀表故障和錯誤信息進行判斷、識別，采取相應的安全保護措施。
在系統投運狀態時，如有輸入開路、測量變化率大、輸入信號越限、偏差報警、OOP輸出斷線報警等現象發生時，調節系統自動切除串級或自動狀態，并報警提醒操作人員。
6 為合成塔的計算機二級優化（SPC）控制奠定基礎
本次通過開發DCS強大的功能實現合成塔催化劑床層的溫度自動控制，也是為今后實現二級計算機優化控制（即“熱點”控制）打下良好的基礎。在DCS這一基礎上，將來可以利用上位機建立以能表述合成氨產量、轉化率為目標，以最優熱點溫度為控制手段的數學模型，由數學模型進行計算機二級優化運算，二級優化得到最優的輸出作為DCS系統溫度控制系統的外部設定值SP，構成計算機的二級優化SPC系統。
圖3 合成塔的計算機優化(SFC)系統
有了DCS良好的開發應用和投運基礎之后，將來具備條件時可以考慮下一步的“合成塔催化劑床層溫度二級優化控制”，進一步提高合成塔的轉化效率，增加合成氨產量，降低能耗。為此，需要對合成塔的工藝機理和熱點溫度進行深入的實踐研究，建立可行的合成塔數學模型，由上位機完成優化運算的在線熱點二級優化控制。
圖5 合成塔溫度熱點優化控制曲線圖
結合建立數學模型的分析和實驗測試兩種方案，研究生產過程中各操作參數、控制指標之間的關系，找出描述過程的輸入向量（包括控制向量和擾動向量）、狀態向量和輸出向量（被控向量）之間的數學關系式，即建立數學模型，然后通過計算機仿真求解，采用合理的調優技術，尋求合成塔內熱點溫度參數的最佳設定值，由上位機輸出給DCS作溫度控制系統的外給定，以合成塔的2套串級溫度控制系統為手段，實現催化劑床層溫度在線優化控制。上位機從DCS中采集與工藝過程有關聯的過程變量，經過優化運算輸出變量2個，它們分別作每一層溫度控制系統主調的外給定，構成閉環在線優化控制。優化運算在上位機完成，溫度串級控制在DCS中完成，組成典型的計算機二級優化控制SPC系統。
圖6 大型合成氨裝置－合成塔溫度先進節能控制系統
其他作者：
石宏圖，王會民，吳 彬（杭州和利時自動化有限公司，北京 100096）
石宏圖，王會民，吳 彬（杭州和利時自動化有限公司，北京 100096）
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