合成氨基本工藝控制專項(xiàng)方案總結(jié)

合成氨工藝控制方案總結(jié)

一合成氨工藝介紹

中小型氮肥廠是以煤為關(guān)鍵原料，采取固定層間歇?dú)饣ㄖ圃旌铣砂痹蠚?。從原料氣制備、凈化到氨合成，?jīng)過造氣、脫硫、變換、碳化、壓縮、精煉、合成等工段。工藝步驟簡圖以下所表示：

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該裝置關(guān)鍵控制回路有：（1）洗滌塔液位；(P"O,S*l'e$b

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（2）洗滌氣流量；

（3）合成塔觸媒溫度；!S!~/T#b,n3s

（4）中置鍋爐液位；'|

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（5）中置鍋爐壓力；

（6）冷凝塔液位；

（7）分離器液位；$g'Z3C:u;}2{&U4g

（8）蒸發(fā)器液位。

其中觸媒溫度控制可采取全系數(shù)法自適應(yīng)控制，其它回路采取PID控制。6?8?:e'y7p

二關(guān)鍵控制方案!R-B'@&[8R)@

（一）造氣工段控制

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工藝介紹：

固定床間歇?dú)饣ㄉa(chǎn)水煤氣過程是以無煙煤為原料，周期循環(huán)操作，在每一循環(huán)時(shí)間里具體分為五個(gè)階段；(1)吹風(fēng)階段約37s；(2)上吹階段約39s；(3)下吹階段約56s；(4)二上吹階段約12s；(5)吹凈階段約6s.8g7G.`/K"d;X

l、吹風(fēng)階段7M4g2U2M4d)F"^3F8m$`%c

此階段是為了提升爐溫為制氣作準(zhǔn)備。這一階段時(shí)間長短決定爐溫高低，

時(shí)間過長，爐溫過高；時(shí)間過短，爐溫偏低而且全部影響發(fā)氣量，爐溫關(guān)鍵由這一階段控制。%E+e:D.t/T;I$b3p+o-{

般工藝要求此階段操作時(shí)間約為整個(gè)循環(huán)周期18％左右。,[,@"}0Z;u#@7y4J

2、上吹加氮制氣階段

在此階段是將水蒸汽和空氣同時(shí)加入。空氣加入增加了氣體中氮?dú)夂?，是調(diào)整(f+|&g$Q%H2t#B

H2/N2關(guān)鍵手段。不過為了確保造氣爐安全該段時(shí)間最多不超出整個(gè)循環(huán)周期26％。0E5K7m9p$_6N!m

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3、上吹制氣階段2X*C:f+e,^/B;e+a'U

該階段和上吹加氯制氣總時(shí)間為整個(gè)循環(huán)32％，伴隨上吹制氣進(jìn)行下部爐溫逐步下降，為了確保爐況和提升發(fā)氣量，在此階段蒸汽流量最好能得以控制。"}&u3g-A3j:d

4、下吹制氣階段

為了充足地利用爐頂部高溫、提升發(fā)氣量，下吹制氣也是很關(guān)鍵一個(gè)階段。這段時(shí)間2n8~*n2l2z9]#C&y9c)`#[

約占整個(gè)循環(huán)40％左右。

5、二次上吹階段

為了確保生產(chǎn)安全，造氣爐再度進(jìn)行吹風(fēng)升溫之前，須把下吹制氣時(shí)留在爐底及下部管4i7v+N(u9g0l9Y-b

道中半水煤氣吹凈以防不測(cè)，故進(jìn)行第二次上映。這段時(shí)間約占7％左右。3{)B3l'D6{(S4A*[9c

6、吹凈階段

這段時(shí)間關(guān)鍵是回收上行煤氣管線及設(shè)備內(nèi)半水煤氣。約占整個(gè)循環(huán)3％。該階段是由吹風(fēng)管路送風(fēng)，該段時(shí)間長短直接影響H2/N2.!]9A"r/W"S6M/{!c

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該控制系統(tǒng)是一個(gè)較復(fù)雜時(shí)變、間歇、非線性、大滯后控制系統(tǒng)。故將該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為串級(jí)控制。

造氣爐工作方法分為開車、停車、正常造氣、升溫和制惰等五種方法。每臺(tái)造氣爐需要控制15個(gè)電磁閥，為了預(yù)防多臺(tái)爐同時(shí)進(jìn)入吹風(fēng)階段而引發(fā)爭(zhēng)風(fēng)搶汽觀象，各臺(tái)爐之間必需進(jìn)行吹風(fēng)排隊(duì)次序控制。0L/h-k+J#p3T$R

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控制方案：

1、造氣工段H2/N2控制方案

造氣工段是經(jīng)過加減氮操作來進(jìn)行氫氮比控制，而加減氮操作又是經(jīng)過調(diào)整上下吹加氮時(shí)間和吹風(fēng)回收時(shí)間來實(shí)現(xiàn)，所以，該控制系統(tǒng)最終得到控制量要轉(zhuǎn)化為上下吹加氮時(shí)間或吹風(fēng)回收時(shí)間。本系統(tǒng)氫氮比控制采取調(diào)整吹風(fēng)回收時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。8P+~.\:O&U

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在合成氨生產(chǎn)過程中，影響氫氮比關(guān)鍵干擾起源是造氣、脫硫兩個(gè)步驟，這部分僅有較小滯后，所以對(duì)脫硫制氫采取PID閉環(huán)控制和較高采樣頻率，這是控制內(nèi)環(huán)。然后將造氣脫硫和變換、脫碳、精煉及合成組成一個(gè)廣義外環(huán)，采取估計(jì)控制進(jìn)行控制，這是控制外環(huán)?？蛇x作控制量參數(shù)有：脫硫氫、變換氫、補(bǔ)充氫和循環(huán)氫，這四個(gè)氫值之間波動(dòng)有一個(gè)時(shí)間差，脫硫氫到變換氫大約有5min，變換氫到補(bǔ)充氫大約有15min,再由補(bǔ)充氫到循環(huán)氫又有20min，而且補(bǔ)充氫和循環(huán)氫之間存在積分關(guān)系，補(bǔ)充氫中氫氮比微小改變就會(huì)造成循環(huán)氫中氫增加和減小，即穩(wěn)定補(bǔ)充氫并不能確保循環(huán)氫穩(wěn)定。而循環(huán)氫是生產(chǎn)過程最終階段信號(hào)，所以采取循環(huán)氫作為主調(diào)整參數(shù)，并選擇脫硫氫作為副調(diào)參數(shù)，以克服循環(huán)氫巨大滯后。

2、H2/N2調(diào)整方法

采取改變加氮空氣量方法調(diào)整H2/N2，在上吹和下吹階段設(shè)置用／否加氮軟手動(dòng)開關(guān)決定是否啟用加氮空氣，同時(shí)采取上／下加氮調(diào)整閥來改變加氮空氣量，其次能夠經(jīng)過調(diào)整

吹凈時(shí)間方法來調(diào)整H2／N2，同時(shí)還采取打吹凈軟開關(guān)確定在吹風(fēng)階段是否提前關(guān)閉煙囪閥，以輔助調(diào)整H2/N2.

（三）CO變換工段控制

工藝介紹：工藝步驟圖以下：#E8l$~0M&G#x1};C;q

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中溫變換護(hù)正常操作應(yīng)該是將各段催化劑溫度控制在適宜范圍內(nèi)，以充足發(fā)揮催化劑活性。同時(shí)用最低蒸汽消耗實(shí)現(xiàn)最高CO變換率。影響中變爐催化劑床層溫度改變?cè)蚝芏?，如蒸汽加入量、蒸汽溫度、進(jìn)入催化劑前反應(yīng)氣體溫度、反應(yīng)氣體組成和生產(chǎn)負(fù)荷等。

該工段關(guān)鍵控制系統(tǒng)關(guān)鍵有：中變爐入口溫度定值控制，入中變護(hù)蒸汽流量定值控制，入中變滬中段蒸汽流量定值控制，中變爐下段溫度控制等。

（1）中變爐人口溫度定值控制系統(tǒng)

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該系統(tǒng)是經(jīng)過控制中變爐入口溫度來穩(wěn)定上段催化劑溫度。選中變爐人口氣體溫度作為被控變量，操作變量為中溫?fù)Q熱器半水煤氣副線流量。0G'["\-d2v3J

其關(guān)鍵干擾原因有：半水煤氣流量，半水煤氣溫度，蒸汽流量，蒸汽溫度，變換氣溫度等。

在這個(gè)系統(tǒng)中，中變爐人口溫度是依據(jù)生產(chǎn)要求由人工設(shè)定，當(dāng)受到干擾使該溫度偏離沒定值時(shí)，經(jīng)過改變中溫?fù)Q熱器副線流量來維持其入口溫度穩(wěn)定。

（2）

入爐蒸汽流量定值控制

控制步驟圖以下：

被控變量和操作變量均為和煤氣混合蒸汽流量。其關(guān)鍵干擾原因是蒸汽溫度和蒸汽管網(wǎng)壓力。求由人工設(shè)定，經(jīng)過改變蒸汽流量調(diào)整閥開度來維持蒸汽流量穩(wěn)定。當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷變動(dòng)或其它干擾因索引發(fā)中變爐上段催化劑溫度發(fā)生改變而需要改變?nèi)霠t蒸汽量時(shí)，只能經(jīng)過人工調(diào)整系統(tǒng)設(shè)定值來實(shí)現(xiàn)，可見該系統(tǒng)不能自動(dòng)跟蹤生產(chǎn)負(fù)荷，亦不能根據(jù)上段催化劑溫度改變來自動(dòng)控制所需蒸汽量。

（3）

中變爐中段蒸汽流量定值控制

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（六）氨合成工段控制9K9h%p#J4a5Y

在合成氨生產(chǎn)中，合成塔人塔氣體氫氣和氮?dú)獍俜直仁枪に嚿弦粋€(gè)極為關(guān)鍵控制指標(biāo)。氫氯比合格率對(duì)于全廠生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定、提升產(chǎn)量和降低原料及能源消耗起著關(guān)鍵作用，氫氮比過高或過低，全部會(huì)直接影響合成效率，造成合成系統(tǒng)超壓放空，使合成氨產(chǎn)量降低，消耗增加。但合成氨氫氮比對(duì)象是一個(gè)純滯后和容積滯后大，無自衡能力和時(shí)變工藝過程，所以氫氮比控制是氨合成工段關(guān)鍵控制對(duì)象。

方案一：

采取變比控制方案，對(duì)負(fù)荷改變和加氮空氣量進(jìn)行估計(jì)控制其工作框圖以下：

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原料氣中各有效成份分析合成總含H2量作為主物料信號(hào)，乘上一個(gè)比值系數(shù)K,就作為空氣調(diào)整閥輸入信號(hào)，驅(qū)動(dòng)調(diào)整閥以得到所需要和總含H2成百分比N2量。假如因?yàn)槟撤N原因使H2/N2比值偏離給定值，就經(jīng)過調(diào)整器GC輸出信號(hào)修正比值系數(shù)K,使H2/N2比回到給定值上來。對(duì)于空氣流量干擾，設(shè)置一個(gè)副環(huán)，組成串級(jí)控制，對(duì)空氣測(cè)量，采取壓力和溫度賠償。5r(~$d9\3r*O#q+z&x

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方案2估計(jì)加PID控制方案;K7}:B"c

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上述方案由兩個(gè)回路組成：內(nèi)回路是由造氣到脫磕和可調(diào)控制器組成線性反饋回

路；外回路由變換到精煉和通推參數(shù)估量器及校正器組成。

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方案3估計(jì)＋PID串級(jí)控制方案

氫氮比經(jīng)過改變二段爐空氣量來調(diào)整，針對(duì)被控對(duì)象特點(diǎn)，本文采取多步MAC7[3m,Y#D2G!w*k

估計(jì)控制算法、PID算法及前饋調(diào)整相結(jié)合控制規(guī)律組成氫氮比前饋中級(jí)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方塊圖以下所表示：&@.G-L7_)U2R+W9i$E%B

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因?yàn)樨?fù)荷（原料氣流量）改變是系統(tǒng)可測(cè)不可控干擾，為此，采取前饋調(diào)整系統(tǒng)，方便立即克服負(fù)荷波動(dòng)干擾。

因?yàn)榭諝饬髁坎▌?dòng)大，必需采取閉環(huán)控制，空氣流量調(diào)整回路采取YS－80單回路調(diào)整器實(shí)現(xiàn)。

因?yàn)橄到y(tǒng)滯后時(shí)間長，為了能立即克服轉(zhuǎn)化、改變工段干擾，引入變換氫副調(diào)回路，此回路純滯后時(shí)間短，可采取PID調(diào)整；主被控對(duì)象氫氮比系統(tǒng)純滯后時(shí)間長，慣性大，干擾多，所以主控器采取MAC估計(jì)控制5l5u;H)X#U7|7J2l

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（八）精餾塔控制方案

工藝介紹：

合成氨廠氨精餾塔是氨回收單元，以水為溶劑，吸收氨合成回路放空氣和液氨貯槽放空氣中氨，然后利用外部供熱使氨水溶液解吸，水作為吸收劑循環(huán)使用。其工藝步驟圖以下：3d2d(u(I2w2`:W

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因?yàn)楸揪s工段受多個(gè)干擾原因如進(jìn)料量、進(jìn)料溫度、冷凝器冷卻水溫度、環(huán)境溫度改變等影響，而且難以直接測(cè)量產(chǎn)品濃度作為被調(diào)參數(shù)，故選擇間接參數(shù)溫度、壓力作為被調(diào)參數(shù)。

控制方案：

1．壓力控制

針對(duì)壓力設(shè)置了一套壓力分程調(diào)整系統(tǒng)，由PRC-10001檢測(cè)塔內(nèi)壓力，分別控制塔頂排出情氣量和塔頂冷卻器回水量。其調(diào)整過程為：

當(dāng)PRC-10001測(cè)量值增加時(shí)，其輸出值若在100%~50%內(nèi)，則情氣閥PV—10001A全關(guān)(F.C)，

冷卻水閥PV-10001B(F．0)逐步開大，直至全開，

以充足冷凝氣體中氨；若輸出值小于50％，則PV—10001B全.X8Y%Z)b"K)n-m

開，PV—1000lA逐步開大，從而使塔內(nèi)壓力降低，反之亦然。以此達(dá)成塔內(nèi)壓力恒定。

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2、溫度控制

因?yàn)槌善钒辟|(zhì)量和溫度有直接關(guān)系，液氨流量直接影響著溫度，為確保精餾塔溫度，$E(T0j&[$B'n"k0z

設(shè)置一套以惰餾塔溫度TICAH—10004和液氨流量FIC—10006組成串級(jí)系統(tǒng)。其中流星為副參數(shù)，克服影響氨水流量波動(dòng)多種擾動(dòng)原因；以溫度為主參數(shù)，確保精餾塔溫度，其工藝控制步驟圖以下：

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