杭州和利时自动化有限公司

    张洪垠（1962-）
男，高级工程师，现任杭州和利时自动化公司工业自动化事业部工程总经理，兼公司副总工程师，负责完成了国家重点科技攻关项目《大型合成氨和尿素装置优化控制和调度》和《流程工艺CIMS应用工程》及典型的合成氨、尿素、双氧水、硝酸、烧碱、甲醇、制氢等数十套置的DCS新建和改造项目。

摘要：本文通过大型合成氨装置水/碳比控制、氢氮比控制，介绍了先进节能比值优化控制策略的设计思路和方法，并结合实际工艺操作特点和经验，设计出成熟、可靠和实用的先进节能比值控制方案，对石油化工过程控制方案的设计能提供有益的指导和参考。

关键词：合成氨；水/碳比；氢氮比；先进；节能；比值；控制

Abstract: This paper introduces the design idea and method of the advanced, energy-saving, optimized ratio control strategy through H2O/∑C ratio control in mass synthetic ammonia unit. Integrated with experiences and features of real process operation, a mature, reliable, practical, energy-saving and advanced ratio control strategy is developed. It will be instructive for design of control strategy in petro-chemical process.

Key words: Ammonia；H2O/∑C Ratio；H/N Ratio；Advanced；Energy-saving；Ratio；Control

    天然气为原料的年产20万吨、30万吨、45万吨等大型合成氨装置中，水/碳比控制、氢氮比控制是最为典型的两套先进节能比值控制系统，它们在整个合成氨装置生产中，发挥着节能挖潜、降低消耗、优化操作、保证装置安全稳定生产等重要作用。

    目前，在我国绝大多数类似装置上，虽然都采用了DCS系统和设计有相应的控制方案，但并没有很好的投用这些先进节能优化复杂控制策略，实际效果很不理想，多数厂家为手动控制或单回路控制，自适应能力、抗干扰能力和调节品质较差，究其原因，主要是设计方案存在问题，实用效果不佳。

    对大型合成氨装置的先进节能比值优化控制，不论是年产20万吨、30万吨合成氨，还是年产45万吨以上的合成氨装置，其控制策略和设计原理是一样的，下面就实践中已经成功应用、且成熟、可靠和实用的先进节能比值控制策略予以介绍。

1  水/碳比先进节能控制系统

    在以“烃类蒸汽转化法”生产合成氨的工艺中，水/碳比是一段转化炉十分关键的操作参数。从安全生产方面来看， 配入蒸汽不足，水碳比过低，将会造成触媒析碳，严重会造成事故而被迫停产。但配入过量的蒸汽，造成水/碳比过高，会带来能耗急剧增加，这是生产极不经济的状况，不但白白浪费了蒸汽，而且增大了一段炉的负荷。由此可见，水/碳比控制系统是生产中极为关键的控制回路。

    通过充分开发和利用先进的自动化控制技术和DCS功能，结合实际工艺操作特点和经验，设计出成熟、可靠和实用的水/碳比先进节能控制系统，如图1所示。

    本系统是以负荷给定为主控器，以原料气量和蒸汽量为付调，并以水碳比为目标进行控制的比值、双向串级、智能控制系统 ，并具有逻辑加/减功能。工艺系统在加负荷时，要先加蒸汽，待蒸汽量确实已增加后，增加天然气；系统减负荷时，先减天然气，后减蒸汽，从而保证水/碳比都不低于控制值（SP）。当蒸汽量不足时，系统能自动降低天然气量，以保证触媒不结碳，蒸汽或天然气量本身扰动时，自身付环进行自动调节。

    1.1 系统构成

    水/碳比控制系统主要由2个PID回路（FRCA1、FRCA2）、2个主要设定操作单元（FL0209、FL0215）和1个智能逻辑选择单元构成，如图2所示。

    统除了上述反馈控制功能外，还配有空/碳（FI0421）操作指导和报警提醒措施，实现安全操作，稳定运行及无扰切换。

    2.2 系统构成与工作原理

    本系统是以合成塔入口循环气H2/N2为主调（AIC411），以进入合成系统新鲜空气H2/N2为第一级副调（AIC410），以加入二段转化炉的空气流量调节器FIC003，以总碳流量FX0204 PV为前馈信号的“多串级-前馈-比值”控制系统。

    H2/N2控制系统共采用各种功能的DCS内部仪表20多块，其中：

    ① 指示单元， 具有输入指示、报警（高报警HI、低报警LO、变化率报警VL、输入断线IOP等）功能。

    ② PID调节单元，如：AIC411、AIC410、FIC003调节器。

    ③ 运算单元，如对输入信号进行的各种算术运算、温压补偿运算等，如前馈运算FX0414、温压补偿运算FX0402。

    ④低选器（均为自动），如：FX0424。

    ⑤一阶超前/滞后环节，起滞后作用，克服滞后现象，提高自适应能力和调节质量， 如FX0425、FX408、FX0409。

    ⑥一阶滞后单元，起滞后作用，克服扰动与滞后现象，提高自适应能力和抗干扰能力，如FX0423。

    ⑦滤波单元，防止信号急剧变化而影响调节质量，如总碳滤波仪表FX0427。

    该控制系统的方块图如图4所示。合成气的H2和N2组分由在线分析仪把每次分析的结果送给计算机内部仪表，然后在FX0407中进行除法运算，得到合成气H2/N2，输出经滤波单元FX0409做主调AIC411的测量信号，在AIC411中与给定作比较，进行PID运算，输出作新鲜气H2/N2调节器AIC410的外给定，以调整新鲜气的H2/N2来控制合成气的H2/N2，此回路为H2/N2控制系统的主环。

    在线分析仪把每次分析的新鲜气H2和N2组分在FX0406中进行除法运算，得到新鲜气H2/N2，输出经滤波单元FX0408作AIC410调节器的测量信号，在AIC410中与给定作比较，进行PID运算，输出到前馈运算单元FX0414，与总碳流量进行前馈运算，得出所需的空气流量。

    前馈运算单元FX0414输出作空气流量调节器FIC003的外给定，由于总碳流量FX0204 PV前馈信号的引入，它可以在原料气变化时，相应地事先改变加入系统的空气流量，以补充或减少系统所需的N2量，使控制系统有利于克服系统的大时滞现象，增强系统的自适应能力。在该系统中设置了一套超前滞后动态补偿环节，由一块滞后单元FX0423，一块超前滞后单元FX0425后一块低选器FX0424组成，用来补偿因工厂负荷变化到H2/N2变化，再来改变加入空气流量时间上的大时滞现象和强烈扰动。因此，该控制系统的控制特性和调节品质优良，既提高了H2/N2的调节品质，又使二段炉温度波动很小。FX0425具有一阶滞后作用，它与低选器FX0424组合在一起，可以保证当总碳流量低选时，快速减少空气流量，不致引起进入二段炉的空气量过多造成设备超温，而当总碳流量增加时，使进入二段炉的空气量平稳地递增，避免造成系统扰动。

    在DCS内部，FX0402中进行温压补偿运算，得出进入二段炉的实际空气质量流量，FX0402的输出一路去FX0421与原料天总碳流量FX0204.PV进行除法计算，得出空/碳比，由FI0421完成指示和报警；另一路去FIC003作测量，进行空气流量控制。第一调节通道由“氢/氮比控制--空气流量调节器FIC003”通过改变空气流量来调整新鲜气H2/N2，严格控制合成气的H2/N2，达到提高合成效率，最大限度地利用原料气，提高装置的生产能力。

    2.3 系统的安全措施

    该系统对一次仪表均要设置正常工艺操作上下限报警值（HI、LO）、变化率报警值VL、输入断线报警值IOP，对PID调节器均要设置偏差报警值DV，目的是对一次仪表和主要调节器的故障和错误信息进行判断、识别，采取相应的安全保护措施，如输入开路、测量变化率大、输入信号越限、偏差报警等现象发生时，调节系统自动切除串级或自动状态，并报警提醒操作人员。

    该系统实际投用表明，具有较强的自适应能力、抗干扰能力和克服大时滞现象，能适用于大范围、大幅度的工厂负荷波动场合调节品质和控制特性优良，在工厂负荷50%～105%的范围内均可投用。该方案已经在年产30万吨和年产45万吨的合成氨装置成功投用，实际投运验证，技术指标控制能够达到：氢氮比正常控制指标≤±0.1。

    上述先进节能比值优化控制策略，虽然介绍的是在大型合成氨装置中的典型应用，但在实际工作中，其控制策略和设计原理的思路与方法适用于众多的石油化工装置。石油化工装置一般都有多种物料参与过程化学反应，为了达到节能和优良的控制效果，充分利用先进的自动化控制技术和发挥DCS的作用，通过结合实际工艺操作特点和经验，开发和设计成熟、可靠和实用的先进节能比值优化控制策略很有必要。

作者信息：

    张洪垠，石宏图，王会民，吴   彬  （杭州和利时自动化有限公司，北京 100096）