36&#8226；52&#8226；10合成氨尿素甲醇裝置過
1.前言
中型合成氨工藝特點(diǎn)是工藝流程長，各工段獨(dú)立但卻相互關(guān)聯(lián)，生產(chǎn)原料以煤為主，一般都包括造氣、脫硫、變換、變脫、脫碳、精煉（或雙甲）、合成、提氫、壓縮、氨庫、冷凍、精甲醇等工段。各工段還有不同的工藝選擇，如：造氣有傳統(tǒng)的間歇式造氣；德士古水煤漿氣化；粉煤直接氣化三種工藝。脫硫有干法脫硫和濕法脫硫兩種。脫碳有NHD濕法和PSA變壓吸附干法兩種。變換有中串低變換和換熱式全低變耐硫低溫變換兩種。精煉有傳統(tǒng)的銅洗法和雙甲工藝法兩種。合成塔工藝方式較多，主要有三段冷激式、徑向換熱、軸向換熱、中心管換熱等。提氫有PSA變壓吸附和膜分離法兩種。針對上述不同的工藝工藝，控制方案也要不同的方法，下面針對不同工藝分別說明。根據(jù)和利時長期的控制經(jīng)驗(yàn)，造氣專業(yè)性很強(qiáng)，需專門著文進(jìn)行論述，這里就不多說了。變壓吸附PSA工藝也很特殊，也需專文闡述。脫硫，變脫工藝簡單，常規(guī)的單回路控制即可滿足要求，壓縮、氨庫、冷凍只有測量點(diǎn)假少量安全聯(lián)鎖，也比較簡單也不用闡述，重點(diǎn)說明下列工段的控制。
2.造氣工藝介紹
目前固定床常用氣化爐間歇制氣在國內(nèi)仍處于主導(dǎo)地位，而更為先進(jìn)的水煤漿氣化技術(shù)與粉煤直接氣化流化床氣化技術(shù)已開始在行業(yè)中得到推廣與認(rèn)可，并在其技術(shù)國產(chǎn)化方面取得了較快的發(fā)展，造氣裝置已經(jīng)出現(xiàn)由間歇過程向連續(xù)過程轉(zhuǎn)變的趨勢。
煤造氣通常有三種方法，固定床常用氣化爐有UG．I爐，屬于間歇制氣、德士古水煤漿氣化(濕法氣流床氣化\高溫加壓氣化)、粉煤直接氣化；
在粉煤直接氣化中，主要包括氣流床與流化床工藝。其中，氣流床有SHELL加壓氣化及PrenfloGSP(高溫加壓氣化)二種工藝；流化床工藝則包括溫克勒、灰熔聚流化床、恩德爐、U－Gas氣化爐、循環(huán)流化床（陜西聯(lián)合中西部煤氣工程技術(shù)中心）(常壓氣化)等工藝。
2.1恩德爐生產(chǎn)工藝簡介
►技術(shù)系列化：單爐生產(chǎn)能力有：5000立方米／時、10000立方米／時 20000立方米／時、40000立方米／時。
►凈化簡單：煤氣中不含焦油及油渣，凈化系統(tǒng)簡單、污染少；
►操作彈性大：氣化爐生產(chǎn)負(fù)荷可在設(shè)計(jì)負(fù)荷40％～110％范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
►開停爐方便：對于工業(yè)燃?xì)獾纳a(chǎn)組織和調(diào)度創(chuàng)造了條件；
►運(yùn)轉(zhuǎn)率高：由于取消了爐篦，氣化爐沒有傳動部分和易損件，故不需太多的維修即可獲得較高連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率，一般可達(dá)90％以上；
►氣化效率高：氣化強(qiáng)度大：恩德粉煤氣化爐的氣化效率達(dá)76％。
►投資小：設(shè)備已完全實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，恩德粉煤氣化爐投資僅為引進(jìn)氣化爐的30％～50％。
►生產(chǎn)成本低：氣化一般原料煤的成本占煤氣生產(chǎn)成本的40％～50％。
►煤種要求低：可以使用高灰份的劣質(zhì)粉煤，使煤源得到很大拓展，可適用于褐煤、長焰煤、不黏或弱黏結(jié)煤；
2.2控制難點(diǎn)
保持一個較高的轉(zhuǎn)化率是非常重要的，過量的富氧必然造成有效成份的消耗，過低的富氧會造成較低的煤轉(zhuǎn)化率，水碳比、氧碳比控制在合理的范圍內(nèi)非常關(guān)鍵，但因煤的質(zhì)量波動、負(fù)荷的波動都會對系統(tǒng)的平衡產(chǎn)生影響。
系統(tǒng)想要在高負(fù)荷下運(yùn)行，就必須解決循環(huán)流化床所特有的高溫結(jié)焦問題。
2.3控制策略
►富氧流量及控制系統(tǒng)的故障檢測、比對，報(bào)警與自動處理
►負(fù)荷、爐溫多參數(shù)結(jié)合的水碳比、氧碳比控制
►專有循環(huán)流化床負(fù)荷與爐溫協(xié)調(diào)防結(jié)焦優(yōu)化控制軟件包。
2.4氣化爐聯(lián)鎖控制
►氧量過高必須緊急停車，廢鍋壓力高、液位低等
►煤斗、煤鎖變壓加料操作及防止誤操作程控與聯(lián)鎖
►灰斗、灰鎖變壓加料操作及防止誤操作程控與聯(lián)鎖
►加煤機(jī)的斷料、廢熱鍋爐汽包液位超高聯(lián)鎖停車加料啟動聯(lián)鎖
3.變換工段飽和塔出口氣體溫度控制方案介紹
3.1飽和塔工藝流程簡介：
半水煤氣進(jìn)入飽和塔，與高溫循環(huán)水逆流接觸。半水煤氣被循環(huán)水飽和而富含水蒸汽。控制的目的是在工藝允許的前提下，盡量提高出飽和塔的水煤氣的溫度，使其中水蒸汽的含量最高。變換基本反應(yīng)為：半水煤氣中的一氧化碳與水蒸氣反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳，反應(yīng)放熱。
當(dāng)循環(huán)水量過小時，循環(huán)水在系統(tǒng)（經(jīng)第一水加熱器、第一、第二調(diào)溫水加熱器）循環(huán)中能獲得較高的溫升，但水容量畢竟偏小，所回收的熱量滿足不了混合煤氣溫升的需要，混合氣的飽和度難以達(dá)到要求。同時過小的水量易導(dǎo)致水循環(huán)中出現(xiàn)氣阻，且飽和塔水氣兩相間溫度差加大，塔內(nèi)氣液兩相接觸惡化，使運(yùn)行不合理。
當(dāng)循環(huán)水量過大時，水容量過大，熱水水溫偏低，限制了出口氣體的溫升。
出口溫度與循環(huán)水流量的動態(tài)關(guān)系圖：
3.2控制方案設(shè)計(jì)：
采用梯度優(yōu)化算法動態(tài)尋找溫度最高點(diǎn)。出口溫度（TI102）達(dá)到最高點(diǎn)后調(diào)節(jié)閥暫停。工況改變或出口溫度下降則再次開始尋找最高溫度點(diǎn)。
程序參數(shù)說明：
標(biāo)志位：“第一次尋優(yōu)”、“調(diào)節(jié)方向”。
調(diào)節(jié)系數(shù)：（尋優(yōu)）“周期”、“str”（調(diào)節(jié)幅度）。
3.3變換爐熱點(diǎn)溫度超前－滯后補(bǔ)償控制策略控制方案介紹
變換工段飽和塔出口氣體溫度與中變爐補(bǔ)加蒸汽串級變比值控制框圖如下：
3.4變換中串低工藝實(shí)施圖：
4.針對換熱式全低變耐硫低溫變換流程的主要控制方案
換熱式全低變耐硫低溫變換的工藝特點(diǎn)是沒有傳統(tǒng)工藝的中溫變換爐，因此它有變換觸媒溫度低的特點(diǎn)，該工藝能減少蒸汽的消耗，提高轉(zhuǎn)換率，但因沒有中溫變換爐作緩沖，相對教難操作，因此要在控制上要有別于傳統(tǒng)的控制方案。針對該工藝，和利時公司采用內(nèi)外環(huán)串級加變比例控制，即根據(jù)進(jìn)工段的氣量先調(diào)節(jié)加蒸汽的比例，同時根據(jù)工況調(diào)整內(nèi)外環(huán)切入及聯(lián)鎖。半水煤氣，與補(bǔ)加蒸汽混合，經(jīng)預(yù)熱器、熱交換器換熱升溫后由頂端進(jìn)入低變爐。
4.1變換爐熱點(diǎn)溫度超前－滯后補(bǔ)償：
變換爐熱點(diǎn)溫度存在一反對象特性，因變換爐是放熱反應(yīng)，進(jìn)氣量大反應(yīng)劇烈溫度升高，但因進(jìn)變換爐氣體溫度較低，剛開始時還沒反應(yīng)不放熱，所以剛開始加大進(jìn)氣量時溫度不但不升高反而先降低，后來再升高，這就是我們常說的反對象特性，針對這種現(xiàn)象，用普通的PID控制就會出現(xiàn)溫度反應(yīng)滯后，控制的反應(yīng)曲線搖擺不定，這也為什么很多甲醇情愿用手動的原因，和利時公司針對這種情況，利用超前－滯后算法可解決這個問題，即利用將變換爐進(jìn)氣量取一微分，將進(jìn)氣量的變化取出，這就是控制溫度所需的超前量，我們將此超前量進(jìn)行系數(shù)運(yùn)算后滯后處理，再將滯后處理后的數(shù)據(jù)與熱點(diǎn)觸媒溫度疊加，通過調(diào)整滯后時間和比例系數(shù)，使之剛好填平測量溫度的凹下去的曲線，這時雖然測量的溫度具有反對象特性，但給PID的溫度曲線已是我們常用的正常曲線了，這樣就可以用常規(guī)PID進(jìn)行控制了。
實(shí)施流程圖如下：
5.針對PSA脫碳和PSA制氫控制方案
PSA脫碳和PSA制氫都是利用變壓吸附原理的生產(chǎn)過程，其關(guān)鍵在開關(guān)閥門動作的準(zhǔn)確性實(shí)時性，為保證工藝參數(shù)的穩(wěn)定和品質(zhì)，需細(xì)化每個塔的時序，并再逆放、順放、終沖采用斜率控制，初始開度、斜率都可調(diào)。和利時SMARTPRO系統(tǒng)有大大快于一般DCS的掃描周期，一般DCS掃描周期為一秒，而和利時SMARTPRO系統(tǒng)工作掃描周期可達(dá)60ms，已接近PLC的速度，遠(yuǎn)高于別的DCS一秒的周期，是用于變壓吸附的理想DCS，它更有PLC不能比擬的顯示直觀和修改參數(shù)方便的特性，可在屏幕上很直觀顯示循環(huán)設(shè)時間、到了那一步，及當(dāng)前步的已進(jìn)行時間和剩余時間，進(jìn)行時間和剩余時間我們設(shè)計(jì)用光柱填充的方式顯示，操作工一眼通過從左至右的填充的光柱進(jìn)度知道生產(chǎn)到了那一步。和利時的做了大量的類似循環(huán)開關(guān)量控制工程，都能做到用鼠標(biāo)點(diǎn)擊屏幕上彈出數(shù)字鍵盤，就能方便修改循環(huán)時間和每一步時間。并有完善的安全聯(lián)鎖，防止閥門誤動作。
5.1變壓吸附實(shí)施圖例：
6.36萬噸/年合成氨裝置
6.1熱點(diǎn)溫度自動高選控制：
傳統(tǒng)的32Mpa高壓合成塔氣體出口、塔的下部，氣體出口也在下部。塔型有軸徑向冷激或?qū)娱g換熱型，但該技術(shù)的副線和冷激氣一樣，也是從塔上部兩側(cè)進(jìn)氣，也是用熱電偶插入不同深度測溫，觸媒分布也分三床層或四床層。和利時曾經(jīng)在河南駿馬集團(tuán)￠1600合成塔做過一套較完善的控制方案，具體方案是：選用24點(diǎn)中的可能成為熱點(diǎn)14點(diǎn)為觸媒溫度，一般為5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18點(diǎn)。用一自動高選功能塊自動選出當(dāng)前溫度最高的一個點(diǎn)來控制合成塔溫度，這樣才能保證觸媒溫度交替上升時始終是熱點(diǎn)在控制合成塔的工作狀態(tài)，在選用這14個點(diǎn)前，先要進(jìn)行壞點(diǎn)判斷，因?yàn)闊犭娕紨嗦窌r顯示最大，如這時選它就沒法控制了，因此我們是在壞點(diǎn)去掉的基礎(chǔ)上進(jìn)行自動高選。這時用該點(diǎn)來控制進(jìn)氣量，才能保證觸媒溫度穩(wěn)定。和利時系統(tǒng)在有自動高選擇的基礎(chǔ)上，還具有手動選擇功能，因?yàn)樵谏a(chǎn)中每層觸媒都有不同的溫度要求，甚至每層觸媒的進(jìn)出口根據(jù)不同階段工藝需要，也有不同的溫度要求。因此，和利時公司設(shè)計(jì)控制合成塔方案時，盡量提供多選擇、多組合的控制方案，由用戶根據(jù)每以階段的不同需要進(jìn)行靈活組合。用戶選擇手動時可任意選擇任一點(diǎn)作為熱點(diǎn)來控制。不但可控制副線，還可有選擇地投入/切除東西環(huán)隙溫度控制、冷激氣控制。因?yàn)橛|媒溫度有一定的滯后性，因此還要兼顧流量的變化，即要將流量變化的超前量提前引入控制中，補(bǔ)償溫度的滯后。
6.2合成塔冷激氣，環(huán)隙溫度控制：
合成塔另還有三個冷激氣控制回路分別調(diào)節(jié)三層觸媒溫度，東西兩個環(huán)隙溫度調(diào)節(jié)回路。
和利時根據(jù)長期的經(jīng)驗(yàn)將合成塔的觸媒分布，畫在圖中，同時也將端面熱偶的分布也畫在圖中，有每個熱偶的位號、插入深度、溫度值、單位、報(bào)警上下限設(shè)置、和趨勢。這樣負(fù)責(zé)合成塔的操作工能一目了然地了解塔內(nèi)部的情況，方便操作。
6.3安全聯(lián)鎖
針對放氨易出現(xiàn)超壓的故障，和利時公司設(shè)計(jì)有氨庫超壓保護(hù)，即在正常氨庫沒超壓時，放氨閥受氨分、冷交液位控制，當(dāng)氨庫壓力超標(biāo)時，氨分、冷交放氨閥緊急關(guān)死，并聲光報(bào)警提示防止帶液，只要氨庫壓力一正常，氨分、冷交液位又恢復(fù)正常受氨分、冷交液位控制。同時氨庫超壓聯(lián)鎖值設(shè)成可很方便修改的設(shè)定方式，用密碼進(jìn)行保護(hù)，只需輸入工段長級別密碼（普通操作員不允許修改），就可進(jìn)行修改設(shè)定值。具體工程實(shí)例如下圖：
7.10萬噸/年雙甲精制工藝的控制方案
氮肥廠在綜合利用、多種經(jīng)營的辦廠方針下，很多工廠已建成聯(lián)醇裝置。這部分工廠大多用串聯(lián)式流程，即甲醇合成是串聯(lián)在制氨系統(tǒng)內(nèi)的，如造氣>脫硫>變換>脫碳（或碳化）>甲醇合成>銅洗>氨合成。這種流程的優(yōu)點(diǎn)是：變換工序出口一氧化碳指標(biāo)適度放寬，降低變換的蒸汽消耗；壓縮機(jī)前幾段輸送的一氧化碳成為有效氣體，降低能耗；進(jìn)入銅洗工序的CO含量降低，減輕銅洗負(fù)荷，僅此幾項(xiàng)可使每噸氨節(jié)電約50kWh、節(jié)蒸汽約0.4t；折合能耗約2GJ。但由于甲醇是串聯(lián)在氨流程中的，因此合成氨與甲醇相互牽制，彼此影響；由于造氣氣量全部通過為甲醇所設(shè)的精脫硫裝置負(fù)荷增大；碳化流程進(jìn)行甲醇合成的新鮮氣要脫氨；醇后氣進(jìn)銅洗要脫醇。
7.1甲醇合成塔熱點(diǎn)溫度超前－滯后補(bǔ)償：
甲醇塔觸媒熱點(diǎn)溫度存在一反對象特性，因甲醇合成是放熱反應(yīng)，進(jìn)氣量大反應(yīng)劇烈溫度升高，但因進(jìn)合成塔氣體溫度較低，剛開始時還沒反應(yīng)不放熱，所以剛開始加大進(jìn)氣量時溫度不但不升高反而先降低，后來再升高，這就是我們常說的反對象特性，針對這種現(xiàn)象，用普通的PID控制就會出現(xiàn)溫度反應(yīng)滯后，控制的反應(yīng)曲線搖擺不定，這也為什么很多甲醇情愿用手動的原因，和利時公司針對這種情況，利用超前－滯后算法可解決這個問題，即利用將甲醇合成塔進(jìn)氣量取一微分，將進(jìn)氣量的變化取出，這就是控制溫度所需的超前量，我們將此超前量進(jìn)行系數(shù)運(yùn)算后滯后處理，再將滯后處理后的數(shù)據(jù)與熱點(diǎn)觸媒溫度疊加，通過調(diào)整滯后時間和比例系數(shù)，使之剛好填平測量溫度的凹下去的曲線，這時雖然測量的溫度具有反對象特性，但給PID的溫度曲線已是我們常用的正常曲線了，這樣就可以用常規(guī)PID進(jìn)行控制了。
7.2安全聯(lián)鎖
甲醇生產(chǎn)有一個最關(guān)鍵的安全條件，是甲醇分離器液位聯(lián)鎖，甲醇生產(chǎn)高壓低壓串在一起，最怕高壓氣體串到低壓設(shè)備上，甲醇是易燃易爆的，就會引起安全事故，和利時特別設(shè)計(jì)了超壓保護(hù)程序，在正常情況下，甲醇分離器用液位控制，在粗甲醇中間槽壓力超高時，緊急關(guān)門甲醇分離器到粗醇中間槽閥門，打開粗醇中間到馳放氣去燃燒爐，甲醇分離器是隔離高壓設(shè)備與第壓設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備，液位低低時會將高壓氣體串入低壓設(shè)備引起事故，因此甲醇分離器液位低低時要停循環(huán)機(jī)并放空，并強(qiáng)制關(guān)閉甲醇分離器出口閥。
7.3雙甲實(shí)施流程如圖：
7.4雙甲合成塔內(nèi)部觸媒溫度分布圖：
和利時根據(jù)長期的經(jīng)驗(yàn)將合成塔的觸媒分布，畫在圖中，同時也將端面熱偶的分布也畫在圖中，有每個熱偶的位號、插入深度、溫度值、單位、報(bào)警上下限設(shè)置、和趨勢。這樣負(fù)責(zé)合成塔的操作工能一目了然地了解塔內(nèi)部的情況，方便操作。
7.5精甲醇工段控制方案：
精餾塔是一個多輸入多輸出過程，它的通道多，動態(tài)響應(yīng)緩慢，變量間又相互關(guān)聯(lián)，而控制要求又較高，這些都給精餾塔的控制帶來了一定的困難。用于表征產(chǎn)品質(zhì)量的被控變量可選擇塔溫或溫差（存在一點(diǎn)或多點(diǎn)），操縱變量則主要包括加熱量、回流量等。要想在精餾過程中同時保證塔頂、塔釜的溫度穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)，在這兩個質(zhì)量控制系統(tǒng)之間必然會產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，加熱量和回流量如果采用單回路控制,在穩(wěn)工況下操作時還能滿足生產(chǎn)需要，一旦工況有較小的波動就有可能破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定，很難保證產(chǎn)品質(zhì)量，尤其是在對純度要求比較高的場合。
而甲醇精餾特別之處在于屬于三塔串聯(lián)工藝，尤其是常壓塔的加熱源來自加壓塔的熱負(fù)荷，同時這二個塔同時都采出成品。因此，加壓塔與常壓塔的協(xié)調(diào)操作是整個甲醇三塔精餾的關(guān)鍵，加壓塔的塔底溫度決定常壓塔的熱負(fù)荷，必須控制好二塔的物料平衡、熱量平衡及氣液平衡，否則容易造成常壓塔塔頂產(chǎn)生負(fù)壓，導(dǎo)致甲醇產(chǎn)品含水、純度質(zhì)量問題。在這里，即要考慮靜態(tài)平衡，又要考慮塔的動態(tài)平衡；加壓塔與常壓塔采出量比例、回流比是穩(wěn)定操作的關(guān)鍵之中的關(guān)鍵。
（1）預(yù)餾塔
►進(jìn)料控制
►為克服進(jìn)料流量波動帶來的擾動，提、降負(fù)荷時要緩慢變化，流量設(shè)定值需按預(yù)設(shè)定的曲線自動調(diào)整。
►多變量解耦控制方案框圖：
►控制方案可行性分析
在預(yù)餾塔控制方案中，選擇塔頂溫度T1作為產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的依據(jù)是：在一定的壓力下，沸點(diǎn)和產(chǎn)品成分之間有單獨(dú)的函數(shù)關(guān)系。因此，如果壓力恒定，塔板溫度就反映了成分。塔頂壓力P1的通道時間常數(shù)很小，采用單參數(shù)調(diào)節(jié)就能達(dá)到壓力的恒定。
在此基礎(chǔ)上采用解耦控制，協(xié)調(diào)加熱量與回流量，有效解除各通道間的關(guān)聯(lián)，并充分利用擾動觀測器及時調(diào)整加熱量與回流量，最大程度地減少進(jìn)入塔釜的低組分物，以防低組分物過料到加壓塔，造成不可逆轉(zhuǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量問題。
（2）加壓塔
►擾動觀測器的設(shè)計(jì)
加壓塔的進(jìn)料擾動包括流量和組分，而溫度就是預(yù)餾塔釜溫度，可以看成是恒定的。為克服進(jìn)料流量及組分波動帶來的擾動，為此，我們采用過料閥位作為擾動觀測器的變量，加之過料量本身就采用了預(yù)餾塔液位的均勻控制，系統(tǒng)的快速恢復(fù)平衡的能力是有保證的。至于組分的波動，只要預(yù)餾塔的輕組分分離的好，對加壓塔來講也不存在問題。
►多變量解耦控制方案框圖（略）
►控制方案可行性分析
在加壓塔控制方案中，選擇塔頂溫度T2作為產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的道理同預(yù)餾塔，在此基礎(chǔ)上同樣采用解耦控制，協(xié)調(diào)加熱量與回流量，有效解除各通道間的關(guān)聯(lián)，并充分利用擾動觀測器及時調(diào)整加熱量與回流量，確保塔頂甲醇的產(chǎn)品純度。
同時，根據(jù)產(chǎn)量負(fù)荷與加熱、冷卻能力模型，確定合適的回流比，實(shí)現(xiàn)加壓塔的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制。
（3）常壓塔
常壓塔最困難的是加壓塔的蒸發(fā)量作為再沸器的補(bǔ)充熱源，一旦加壓塔的操作產(chǎn)生波動過大，一定會殃及常壓塔的正常平衡。因此，常壓塔的加熱控制必須引入加壓塔塔頂壓力進(jìn)行補(bǔ)償，這是常壓塔特別之處。
（4）精餾塔的選擇性控制
塔不能出現(xiàn)液泛，某些類型的塔（如篩板塔等）也不應(yīng)出現(xiàn)漏液現(xiàn)象。當(dāng)塔出現(xiàn)液泛時，塔的壓差將超過一個限值。當(dāng)塔出現(xiàn)漏液時，塔的壓差將降到一個下限值。
為防止液泛和漏液現(xiàn)象，可以把約束條件加在再沸器上，這可以通過對加熱流量或閥位設(shè)置上、下限幅來實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)量與質(zhì)量是相互矛盾的，這又與能耗相關(guān)聯(lián)。精餾塔的選擇性控制任務(wù)是，使塔盡量操作在約束條件內(nèi)，即正常下的最大負(fù)荷生產(chǎn)，獲得最多的合格產(chǎn)品。
（5）實(shí)施流程如圖：
8.52萬噸/年大顆粒尿素裝置中的應(yīng)用
8.1前言
30萬噸/年尿素大顆粒造粒項(xiàng)目采用國產(chǎn)DCS控制系統(tǒng)，一舉打破了國外產(chǎn)品在此市場的壟斷局面，意味著國產(chǎn)系統(tǒng)的科技水平將會為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)改造以及新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供更加有力的技術(shù)支撐，將國產(chǎn)化的水平推進(jìn)到一個嶄新的高度。
8.2尿素裝置工藝流程簡介
三十萬噸大顆粒尿素裝置分為尿素主裝置和大顆粒裝置兩部分。
尿素主裝置工藝流程：
本尿素主裝置采用二氧化碳汽提法尿素生產(chǎn)工藝，其工藝流程主要包括:二氧化碳壓縮機(jī)和脫氫、液氨升壓、合成和汽提、循環(huán)、蒸發(fā)造粒、產(chǎn)品貯存和包裝、解吸和水解等工序。
8.3控制策略
根據(jù)設(shè)計(jì)要求和和利時公司豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，主要圍繞減少原料損失，降低HH3耗、增加產(chǎn)量和尿素質(zhì)量、提高工藝的自控水平和儀表的可靠性、方便生產(chǎn)管理等方面對項(xiàng)目進(jìn)行了整體控制方案設(shè)計(jì)。
HOLLiAS-MACS具有強(qiáng)大約反饋控制、邏輯順序控制和各種運(yùn)算功能。根據(jù)工藝要求，靈活地把這些功能有機(jī)地組合，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)復(fù)雜的控制策略，在年產(chǎn)30萬噸大顆粒尿素CO2汽提法工藝裝置中，設(shè)計(jì)了NH3／C02控制，尿素負(fù)荷控制，氧合量O2控制、情氣排放控制等25套典型復(fù)雜控制系統(tǒng)。
具有分區(qū)、分級別控制功能。4套操作員站理論上可以控制全系統(tǒng)所有點(diǎn)，但為了操作的安全性，可以定義每個操作員站的操作權(quán)限，便于專人專控。
具有冗余控制功能，將工藝上關(guān)鍵的參數(shù)都進(jìn)行了冗余配置。
具有完善的報(bào)警功能，有工藝模擬量報(bào)警、工藝開關(guān)量報(bào)警、模塊報(bào)警，系統(tǒng)報(bào)警，報(bào)警摘要，操作員可以很方便了解系統(tǒng)狀態(tài)及生產(chǎn)過程。
8.31模擬量控制方案
尿素裝置控制回路一覽表
8.32開關(guān)量控制策略---開關(guān)輸入三取二邏輯冗余控制
開關(guān)量的采用三取二邏輯冗錯控制方案，其可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冗余控制，可為緊急停車系統(tǒng)、重要聯(lián)鎖控制提供可靠的檢測、控制手段。采用冗錯控制的子系統(tǒng)如下：
合成氨系統(tǒng)故障、大顆粒緊急停車、停三臺高壓液氨泵、停三臺CO2壓縮機(jī)、停三臺高壓甲銨泵、手動關(guān)進(jìn)尿液閥PV-2221、手動停霧化CR101、液氨快開閥復(fù)位、液氨快開閥關(guān)、CO2快開閥復(fù)位、CO2快開閥關(guān)、手動開旁路閥HV-2220、旁路閥HV-2220復(fù)位、低壓蒸汽包a液位開關(guān)、鍋爐給水罐液位開關(guān)、進(jìn)界區(qū)儀表空氣壓力低報(bào)警。
8.4實(shí)施流程如圖:
9.生產(chǎn)管理系統(tǒng)
上世紀(jì)80年代后期，流程工業(yè)過程控制與生產(chǎn)管理發(fā)生了巨大變化，多學(xué)科間的相互滲透與結(jié)合，使過程控制與生產(chǎn)管理朝著一體化的方向發(fā)展，形成了企業(yè)綜合自動化的新模式。和利時公司為滿足工業(yè)發(fā)展的需要，研發(fā)了流程行業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)HOLLiAS-MES（ManufacturingExecutionSystem）。
生產(chǎn)管理系統(tǒng)以企業(yè)級實(shí)時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫為核心，提供實(shí)時信息系統(tǒng)、質(zhì)量分析系統(tǒng)、設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、批次管理系統(tǒng)、生產(chǎn)成本核算系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)等功能。為企業(yè)生產(chǎn)管理人員進(jìn)行過程監(jiān)控與管理、保證生產(chǎn)正常運(yùn)行，控制產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本提供了靈活有力的工具。HOLLiAS-MES具有豐富的與DCS、PLC等控制設(shè)備的通信接口，并可與ERP等企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)管控一體化。
附圖為某366010合成氨尿素甲醇化工廠全部采用和利時公司產(chǎn)品構(gòu)成的管控一體化系統(tǒng)圖。
9.1實(shí)時信息系統(tǒng)功能
 實(shí)時歷史趨勢
 報(bào)表
 報(bào)警
 Web功能
9.2質(zhì)量分析系統(tǒng)
質(zhì)量分析系統(tǒng)容納了實(shí)驗(yàn)室分析系統(tǒng)和統(tǒng)計(jì)過程控制SPC。質(zhì)量管理貫穿于企業(yè)生產(chǎn)活動的全過程。QAS提供完整的實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)為原料采購、生產(chǎn)過程控制與管理、生產(chǎn)技術(shù)管理、產(chǎn)品銷售等活動所共享，完成樣品管理、樣品跟蹤、式樣數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)過程控制圖、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)管理等。
統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制（SPC），對關(guān)鍵過程控制參數(shù)和質(zhì)量檢測參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，幫助操作人員提高操作水平、控制影響產(chǎn)品質(zhì)量的參數(shù)，為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供支持。
控制圖：允許分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)變化，可以分析平均值、極差或標(biāo)準(zhǔn)差。此方法可用于分析操作平穩(wěn)度，可以用來判斷質(zhì)量變化是偶然波動還是由系統(tǒng)故障引起的。
工序能力圖：用特征值（如溫度、壓力、流量）分布圖分散特性來量度工序?qū)嶋H加工能力。并自動計(jì)算工序能力指標(biāo)（Cp、Cpk）、峰值和偏差。此方法可以計(jì)算工序在受控狀態(tài)下對加工質(zhì)量的保證能力。
l 排列圖：分析錯誤和故障發(fā)生頻率對產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度。
9.3生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)—PSS（ProductionSchedulingSystem）
PSS運(yùn)用化工流程模擬技術(shù)，為制定生產(chǎn)方案、確定物料平衡關(guān)系、能量需求關(guān)系提供支持；滿足制定多生產(chǎn)方案、生產(chǎn)不同產(chǎn)品的需要；化工流程模擬技術(shù)還為優(yōu)化操作、技術(shù)改造提供方便、快捷、經(jīng)濟(jì)的支持。
PSS具有強(qiáng)大生產(chǎn)調(diào)度預(yù)警功能，系統(tǒng)以裝置操作經(jīng)驗(yàn)和過程模擬為基礎(chǔ)，通過對實(shí)時數(shù)據(jù)的綜合分析，系統(tǒng)實(shí)時把握系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)和可能出現(xiàn)的情況，對可能發(fā)生的事故或波動提前給出預(yù)報(bào)分析并調(diào)用顯示相應(yīng)的處理方案等。
PSS集成了調(diào)度工作所需要的各種信息，是調(diào)度人員有力的信息工具。并包括了各種事故處理預(yù)案、預(yù)警及在工況波動或產(chǎn)品調(diào)整要求下的，合理、優(yōu)化的調(diào)度策略預(yù)案。
9.4其它子系統(tǒng)
►設(shè)備管理系統(tǒng)
主要功能包括設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、設(shè)備臺帳管理、預(yù)防維護(hù)管理、維護(hù)工作單管理等。
►能源管理系統(tǒng)
與生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)密切配合，完成生產(chǎn)與能源的協(xié)調(diào)管理。
►生產(chǎn)成本核算系統(tǒng)
主要是直接生產(chǎn)成本（物料、能源消耗），加上工資成本、設(shè)備折舊及管理費(fèi)用分?jǐn)偅梢运愠錾a(chǎn)的實(shí)際成本。
10.結(jié)束語
經(jīng)過十多年不懈努力，和利時公司DCS系統(tǒng)在石化、化工行業(yè)上取得了顯著的成績，石化化工項(xiàng)目總數(shù)達(dá)1000多個。分布如下：煤化工280個，石化化工260個，氯堿60個，精細(xì)化工240個，制藥120個，其它包括化工廠的生產(chǎn)管理系統(tǒng)150個左右。和利時公司的優(yōu)勢在于，公司的工程師大多來自于企業(yè)基層，有著出色的項(xiàng)目組織、過程質(zhì)量的控制能力。
同時具有豐富的工藝與控制知識與經(jīng)驗(yàn)，尤其在控制與工藝的結(jié)合上有自己的特色，擅長穩(wěn)態(tài)優(yōu)化與動態(tài)優(yōu)化控制技術(shù)的應(yīng)用。再有就是和利時的DCS產(chǎn)品經(jīng)過多年的改進(jìn)與提高，其可靠性、易用性、先進(jìn)性已在廣泛的行業(yè)上如核電站、輕軌地鐵、600MW機(jī)組以及上萬點(diǎn)的大型化工行業(yè)得到了現(xiàn)場驗(yàn)證，并在5000多個項(xiàng)目上得到了應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
中型合成氨工藝特點(diǎn)是工藝流程長，各工段獨(dú)立但卻相互關(guān)聯(lián)，生產(chǎn)原料以煤為主，一般都包括造氣、脫硫、變換、變脫、脫碳、精煉（或雙甲）、合成、提氫、壓縮、氨庫、冷凍、精甲醇等工段。各工段還有不同的工藝選擇，如：造氣有傳統(tǒng)的間歇式造氣；德士古水煤漿氣化；粉煤直接氣化三種工藝。脫硫有干法脫硫和濕法脫硫兩種。脫碳有NHD濕法和PSA變壓吸附干法兩種。變換有中串低變換和換熱式全低變耐硫低溫變換兩種。精煉有傳統(tǒng)的銅洗法和雙甲工藝法兩種。合成塔工藝方式較多，主要有三段冷激式、徑向換熱、軸向換熱、中心管換熱等。提氫有PSA變壓吸附和膜分離法兩種。針對上述不同的工藝工藝，控制方案也要不同的方法，下面針對不同工藝分別說明。根據(jù)和利時長期的控制經(jīng)驗(yàn)，造氣專業(yè)性很強(qiáng)，需專門著文進(jìn)行論述，這里就不多說了。變壓吸附PSA工藝也很特殊，也需專文闡述。脫硫，變脫工藝簡單，常規(guī)的單回路控制即可滿足要求，壓縮、氨庫、冷凍只有測量點(diǎn)假少量安全聯(lián)鎖，也比較簡單也不用闡述，重點(diǎn)說明下列工段的控制。
2.造氣工藝介紹
目前固定床常用氣化爐間歇制氣在國內(nèi)仍處于主導(dǎo)地位，而更為先進(jìn)的水煤漿氣化技術(shù)與粉煤直接氣化流化床氣化技術(shù)已開始在行業(yè)中得到推廣與認(rèn)可，并在其技術(shù)國產(chǎn)化方面取得了較快的發(fā)展，造氣裝置已經(jīng)出現(xiàn)由間歇過程向連續(xù)過程轉(zhuǎn)變的趨勢。
煤造氣通常有三種方法，固定床常用氣化爐有UG．I爐，屬于間歇制氣、德士古水煤漿氣化(濕法氣流床氣化\高溫加壓氣化)、粉煤直接氣化；
在粉煤直接氣化中，主要包括氣流床與流化床工藝。其中，氣流床有SHELL加壓氣化及PrenfloGSP(高溫加壓氣化)二種工藝；流化床工藝則包括溫克勒、灰熔聚流化床、恩德爐、U－Gas氣化爐、循環(huán)流化床（陜西聯(lián)合中西部煤氣工程技術(shù)中心）(常壓氣化)等工藝。
2.1恩德爐生產(chǎn)工藝簡介
►技術(shù)系列化：單爐生產(chǎn)能力有：5000立方米／時、10000立方米／時 20000立方米／時、40000立方米／時。
►凈化簡單：煤氣中不含焦油及油渣，凈化系統(tǒng)簡單、污染少；
►操作彈性大：氣化爐生產(chǎn)負(fù)荷可在設(shè)計(jì)負(fù)荷40％～110％范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
►開停爐方便：對于工業(yè)燃?xì)獾纳a(chǎn)組織和調(diào)度創(chuàng)造了條件；
►運(yùn)轉(zhuǎn)率高：由于取消了爐篦，氣化爐沒有傳動部分和易損件，故不需太多的維修即可獲得較高連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率，一般可達(dá)90％以上；
►氣化效率高：氣化強(qiáng)度大：恩德粉煤氣化爐的氣化效率達(dá)76％。
►投資小：設(shè)備已完全實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，恩德粉煤氣化爐投資僅為引進(jìn)氣化爐的30％～50％。
►生產(chǎn)成本低：氣化一般原料煤的成本占煤氣生產(chǎn)成本的40％～50％。
►煤種要求低：可以使用高灰份的劣質(zhì)粉煤，使煤源得到很大拓展，可適用于褐煤、長焰煤、不黏或弱黏結(jié)煤；
2.2控制難點(diǎn)
保持一個較高的轉(zhuǎn)化率是非常重要的，過量的富氧必然造成有效成份的消耗，過低的富氧會造成較低的煤轉(zhuǎn)化率，水碳比、氧碳比控制在合理的范圍內(nèi)非常關(guān)鍵，但因煤的質(zhì)量波動、負(fù)荷的波動都會對系統(tǒng)的平衡產(chǎn)生影響。
系統(tǒng)想要在高負(fù)荷下運(yùn)行，就必須解決循環(huán)流化床所特有的高溫結(jié)焦問題。
2.3控制策略
►富氧流量及控制系統(tǒng)的故障檢測、比對，報(bào)警與自動處理
►負(fù)荷、爐溫多參數(shù)結(jié)合的水碳比、氧碳比控制
►專有循環(huán)流化床負(fù)荷與爐溫協(xié)調(diào)防結(jié)焦優(yōu)化控制軟件包。
2.4氣化爐聯(lián)鎖控制
►氧量過高必須緊急停車，廢鍋壓力高、液位低等
►煤斗、煤鎖變壓加料操作及防止誤操作程控與聯(lián)鎖
►灰斗、灰鎖變壓加料操作及防止誤操作程控與聯(lián)鎖
►加煤機(jī)的斷料、廢熱鍋爐汽包液位超高聯(lián)鎖停車加料啟動聯(lián)鎖
3.變換工段飽和塔出口氣體溫度控制方案介紹
3.1飽和塔工藝流程簡介：
半水煤氣進(jìn)入飽和塔，與高溫循環(huán)水逆流接觸。半水煤氣被循環(huán)水飽和而富含水蒸汽。控制的目的是在工藝允許的前提下，盡量提高出飽和塔的水煤氣的溫度，使其中水蒸汽的含量最高。變換基本反應(yīng)為：半水煤氣中的一氧化碳與水蒸氣反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳，反應(yīng)放熱。
當(dāng)循環(huán)水量過小時，循環(huán)水在系統(tǒng)（經(jīng)第一水加熱器、第一、第二調(diào)溫水加熱器）循環(huán)中能獲得較高的溫升，但水容量畢竟偏小，所回收的熱量滿足不了混合煤氣溫升的需要，混合氣的飽和度難以達(dá)到要求。同時過小的水量易導(dǎo)致水循環(huán)中出現(xiàn)氣阻，且飽和塔水氣兩相間溫度差加大，塔內(nèi)氣液兩相接觸惡化，使運(yùn)行不合理。
當(dāng)循環(huán)水量過大時，水容量過大，熱水水溫偏低，限制了出口氣體的溫升。
出口溫度與循環(huán)水流量的動態(tài)關(guān)系圖：
3.2控制方案設(shè)計(jì)：
采用梯度優(yōu)化算法動態(tài)尋找溫度最高點(diǎn)。出口溫度（TI102）達(dá)到最高點(diǎn)后調(diào)節(jié)閥暫停。工況改變或出口溫度下降則再次開始尋找最高溫度點(diǎn)。
程序參數(shù)說明：
標(biāo)志位：“第一次尋優(yōu)”、“調(diào)節(jié)方向”。
調(diào)節(jié)系數(shù)：（尋優(yōu)）“周期”、“str”（調(diào)節(jié)幅度）。
3.3變換爐熱點(diǎn)溫度超前－滯后補(bǔ)償控制策略控制方案介紹
變換工段飽和塔出口氣體溫度與中變爐補(bǔ)加蒸汽串級變比值控制框圖如下：
3.4變換中串低工藝實(shí)施圖：
4.針對換熱式全低變耐硫低溫變換流程的主要控制方案
換熱式全低變耐硫低溫變換的工藝特點(diǎn)是沒有傳統(tǒng)工藝的中溫變換爐，因此它有變換觸媒溫度低的特點(diǎn)，該工藝能減少蒸汽的消耗，提高轉(zhuǎn)換率，但因沒有中溫變換爐作緩沖，相對教難操作，因此要在控制上要有別于傳統(tǒng)的控制方案。針對該工藝，和利時公司采用內(nèi)外環(huán)串級加變比例控制，即根據(jù)進(jìn)工段的氣量先調(diào)節(jié)加蒸汽的比例，同時根據(jù)工況調(diào)整內(nèi)外環(huán)切入及聯(lián)鎖。半水煤氣，與補(bǔ)加蒸汽混合，經(jīng)預(yù)熱器、熱交換器換熱升溫后由頂端進(jìn)入低變爐。
4.1變換爐熱點(diǎn)溫度超前－滯后補(bǔ)償：
變換爐熱點(diǎn)溫度存在一反對象特性，因變換爐是放熱反應(yīng)，進(jìn)氣量大反應(yīng)劇烈溫度升高，但因進(jìn)變換爐氣體溫度較低，剛開始時還沒反應(yīng)不放熱，所以剛開始加大進(jìn)氣量時溫度不但不升高反而先降低，后來再升高，這就是我們常說的反對象特性，針對這種現(xiàn)象，用普通的PID控制就會出現(xiàn)溫度反應(yīng)滯后，控制的反應(yīng)曲線搖擺不定，這也為什么很多甲醇情愿用手動的原因，和利時公司針對這種情況，利用超前－滯后算法可解決這個問題，即利用將變換爐進(jìn)氣量取一微分，將進(jìn)氣量的變化取出，這就是控制溫度所需的超前量，我們將此超前量進(jìn)行系數(shù)運(yùn)算后滯后處理，再將滯后處理后的數(shù)據(jù)與熱點(diǎn)觸媒溫度疊加，通過調(diào)整滯后時間和比例系數(shù)，使之剛好填平測量溫度的凹下去的曲線，這時雖然測量的溫度具有反對象特性，但給PID的溫度曲線已是我們常用的正常曲線了，這樣就可以用常規(guī)PID進(jìn)行控制了。
實(shí)施流程圖如下：
5.針對PSA脫碳和PSA制氫控制方案
PSA脫碳和PSA制氫都是利用變壓吸附原理的生產(chǎn)過程，其關(guān)鍵在開關(guān)閥門動作的準(zhǔn)確性實(shí)時性，為保證工藝參數(shù)的穩(wěn)定和品質(zhì)，需細(xì)化每個塔的時序，并再逆放、順放、終沖采用斜率控制，初始開度、斜率都可調(diào)。和利時SMARTPRO系統(tǒng)有大大快于一般DCS的掃描周期，一般DCS掃描周期為一秒，而和利時SMARTPRO系統(tǒng)工作掃描周期可達(dá)60ms，已接近PLC的速度，遠(yuǎn)高于別的DCS一秒的周期，是用于變壓吸附的理想DCS，它更有PLC不能比擬的顯示直觀和修改參數(shù)方便的特性，可在屏幕上很直觀顯示循環(huán)設(shè)時間、到了那一步，及當(dāng)前步的已進(jìn)行時間和剩余時間，進(jìn)行時間和剩余時間我們設(shè)計(jì)用光柱填充的方式顯示，操作工一眼通過從左至右的填充的光柱進(jìn)度知道生產(chǎn)到了那一步。和利時的做了大量的類似循環(huán)開關(guān)量控制工程，都能做到用鼠標(biāo)點(diǎn)擊屏幕上彈出數(shù)字鍵盤，就能方便修改循環(huán)時間和每一步時間。并有完善的安全聯(lián)鎖，防止閥門誤動作。
5.1變壓吸附實(shí)施圖例：
6.36萬噸/年合成氨裝置
6.1熱點(diǎn)溫度自動高選控制：
傳統(tǒng)的32Mpa高壓合成塔氣體出口、塔的下部，氣體出口也在下部。塔型有軸徑向冷激或?qū)娱g換熱型，但該技術(shù)的副線和冷激氣一樣，也是從塔上部兩側(cè)進(jìn)氣，也是用熱電偶插入不同深度測溫，觸媒分布也分三床層或四床層。和利時曾經(jīng)在河南駿馬集團(tuán)￠1600合成塔做過一套較完善的控制方案，具體方案是：選用24點(diǎn)中的可能成為熱點(diǎn)14點(diǎn)為觸媒溫度，一般為5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18點(diǎn)。用一自動高選功能塊自動選出當(dāng)前溫度最高的一個點(diǎn)來控制合成塔溫度，這樣才能保證觸媒溫度交替上升時始終是熱點(diǎn)在控制合成塔的工作狀態(tài)，在選用這14個點(diǎn)前，先要進(jìn)行壞點(diǎn)判斷，因?yàn)闊犭娕紨嗦窌r顯示最大，如這時選它就沒法控制了，因此我們是在壞點(diǎn)去掉的基礎(chǔ)上進(jìn)行自動高選。這時用該點(diǎn)來控制進(jìn)氣量，才能保證觸媒溫度穩(wěn)定。和利時系統(tǒng)在有自動高選擇的基礎(chǔ)上，還具有手動選擇功能，因?yàn)樵谏a(chǎn)中每層觸媒都有不同的溫度要求，甚至每層觸媒的進(jìn)出口根據(jù)不同階段工藝需要，也有不同的溫度要求。因此，和利時公司設(shè)計(jì)控制合成塔方案時，盡量提供多選擇、多組合的控制方案，由用戶根據(jù)每以階段的不同需要進(jìn)行靈活組合。用戶選擇手動時可任意選擇任一點(diǎn)作為熱點(diǎn)來控制。不但可控制副線，還可有選擇地投入/切除東西環(huán)隙溫度控制、冷激氣控制。因?yàn)橛|媒溫度有一定的滯后性，因此還要兼顧流量的變化，即要將流量變化的超前量提前引入控制中，補(bǔ)償溫度的滯后。
6.2合成塔冷激氣，環(huán)隙溫度控制：
合成塔另還有三個冷激氣控制回路分別調(diào)節(jié)三層觸媒溫度，東西兩個環(huán)隙溫度調(diào)節(jié)回路。
和利時根據(jù)長期的經(jīng)驗(yàn)將合成塔的觸媒分布，畫在圖中，同時也將端面熱偶的分布也畫在圖中，有每個熱偶的位號、插入深度、溫度值、單位、報(bào)警上下限設(shè)置、和趨勢。這樣負(fù)責(zé)合成塔的操作工能一目了然地了解塔內(nèi)部的情況，方便操作。
6.3安全聯(lián)鎖
針對放氨易出現(xiàn)超壓的故障，和利時公司設(shè)計(jì)有氨庫超壓保護(hù)，即在正常氨庫沒超壓時，放氨閥受氨分、冷交液位控制，當(dāng)氨庫壓力超標(biāo)時，氨分、冷交放氨閥緊急關(guān)死，并聲光報(bào)警提示防止帶液，只要氨庫壓力一正常，氨分、冷交液位又恢復(fù)正常受氨分、冷交液位控制。同時氨庫超壓聯(lián)鎖值設(shè)成可很方便修改的設(shè)定方式，用密碼進(jìn)行保護(hù)，只需輸入工段長級別密碼（普通操作員不允許修改），就可進(jìn)行修改設(shè)定值。具體工程實(shí)例如下圖：
7.10萬噸/年雙甲精制工藝的控制方案
氮肥廠在綜合利用、多種經(jīng)營的辦廠方針下，很多工廠已建成聯(lián)醇裝置。這部分工廠大多用串聯(lián)式流程，即甲醇合成是串聯(lián)在制氨系統(tǒng)內(nèi)的，如造氣>脫硫>變換>脫碳（或碳化）>甲醇合成>銅洗>氨合成。這種流程的優(yōu)點(diǎn)是：變換工序出口一氧化碳指標(biāo)適度放寬，降低變換的蒸汽消耗；壓縮機(jī)前幾段輸送的一氧化碳成為有效氣體，降低能耗；進(jìn)入銅洗工序的CO含量降低，減輕銅洗負(fù)荷，僅此幾項(xiàng)可使每噸氨節(jié)電約50kWh、節(jié)蒸汽約0.4t；折合能耗約2GJ。但由于甲醇是串聯(lián)在氨流程中的，因此合成氨與甲醇相互牽制，彼此影響；由于造氣氣量全部通過為甲醇所設(shè)的精脫硫裝置負(fù)荷增大；碳化流程進(jìn)行甲醇合成的新鮮氣要脫氨；醇后氣進(jìn)銅洗要脫醇。
7.1甲醇合成塔熱點(diǎn)溫度超前－滯后補(bǔ)償：
甲醇塔觸媒熱點(diǎn)溫度存在一反對象特性，因甲醇合成是放熱反應(yīng)，進(jìn)氣量大反應(yīng)劇烈溫度升高，但因進(jìn)合成塔氣體溫度較低，剛開始時還沒反應(yīng)不放熱，所以剛開始加大進(jìn)氣量時溫度不但不升高反而先降低，后來再升高，這就是我們常說的反對象特性，針對這種現(xiàn)象，用普通的PID控制就會出現(xiàn)溫度反應(yīng)滯后，控制的反應(yīng)曲線搖擺不定，這也為什么很多甲醇情愿用手動的原因，和利時公司針對這種情況，利用超前－滯后算法可解決這個問題，即利用將甲醇合成塔進(jìn)氣量取一微分，將進(jìn)氣量的變化取出，這就是控制溫度所需的超前量，我們將此超前量進(jìn)行系數(shù)運(yùn)算后滯后處理，再將滯后處理后的數(shù)據(jù)與熱點(diǎn)觸媒溫度疊加，通過調(diào)整滯后時間和比例系數(shù)，使之剛好填平測量溫度的凹下去的曲線，這時雖然測量的溫度具有反對象特性，但給PID的溫度曲線已是我們常用的正常曲線了，這樣就可以用常規(guī)PID進(jìn)行控制了。
7.2安全聯(lián)鎖
甲醇生產(chǎn)有一個最關(guān)鍵的安全條件，是甲醇分離器液位聯(lián)鎖，甲醇生產(chǎn)高壓低壓串在一起，最怕高壓氣體串到低壓設(shè)備上，甲醇是易燃易爆的，就會引起安全事故，和利時特別設(shè)計(jì)了超壓保護(hù)程序，在正常情況下，甲醇分離器用液位控制，在粗甲醇中間槽壓力超高時，緊急關(guān)門甲醇分離器到粗醇中間槽閥門，打開粗醇中間到馳放氣去燃燒爐，甲醇分離器是隔離高壓設(shè)備與第壓設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備，液位低低時會將高壓氣體串入低壓設(shè)備引起事故，因此甲醇分離器液位低低時要停循環(huán)機(jī)并放空，并強(qiáng)制關(guān)閉甲醇分離器出口閥。
7.3雙甲實(shí)施流程如圖：
7.4雙甲合成塔內(nèi)部觸媒溫度分布圖：
和利時根據(jù)長期的經(jīng)驗(yàn)將合成塔的觸媒分布，畫在圖中，同時也將端面熱偶的分布也畫在圖中，有每個熱偶的位號、插入深度、溫度值、單位、報(bào)警上下限設(shè)置、和趨勢。這樣負(fù)責(zé)合成塔的操作工能一目了然地了解塔內(nèi)部的情況，方便操作。
7.5精甲醇工段控制方案：
精餾塔是一個多輸入多輸出過程，它的通道多，動態(tài)響應(yīng)緩慢，變量間又相互關(guān)聯(lián)，而控制要求又較高，這些都給精餾塔的控制帶來了一定的困難。用于表征產(chǎn)品質(zhì)量的被控變量可選擇塔溫或溫差（存在一點(diǎn)或多點(diǎn)），操縱變量則主要包括加熱量、回流量等。要想在精餾過程中同時保證塔頂、塔釜的溫度穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)，在這兩個質(zhì)量控制系統(tǒng)之間必然會產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，加熱量和回流量如果采用單回路控制,在穩(wěn)工況下操作時還能滿足生產(chǎn)需要，一旦工況有較小的波動就有可能破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定，很難保證產(chǎn)品質(zhì)量，尤其是在對純度要求比較高的場合。
而甲醇精餾特別之處在于屬于三塔串聯(lián)工藝，尤其是常壓塔的加熱源來自加壓塔的熱負(fù)荷，同時這二個塔同時都采出成品。因此，加壓塔與常壓塔的協(xié)調(diào)操作是整個甲醇三塔精餾的關(guān)鍵，加壓塔的塔底溫度決定常壓塔的熱負(fù)荷，必須控制好二塔的物料平衡、熱量平衡及氣液平衡，否則容易造成常壓塔塔頂產(chǎn)生負(fù)壓，導(dǎo)致甲醇產(chǎn)品含水、純度質(zhì)量問題。在這里，即要考慮靜態(tài)平衡，又要考慮塔的動態(tài)平衡；加壓塔與常壓塔采出量比例、回流比是穩(wěn)定操作的關(guān)鍵之中的關(guān)鍵。
（1）預(yù)餾塔
►進(jìn)料控制
►為克服進(jìn)料流量波動帶來的擾動，提、降負(fù)荷時要緩慢變化，流量設(shè)定值需按預(yù)設(shè)定的曲線自動調(diào)整。
►多變量解耦控制方案框圖：
►控制方案可行性分析
在預(yù)餾塔控制方案中，選擇塔頂溫度T1作為產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的依據(jù)是：在一定的壓力下，沸點(diǎn)和產(chǎn)品成分之間有單獨(dú)的函數(shù)關(guān)系。因此，如果壓力恒定，塔板溫度就反映了成分。塔頂壓力P1的通道時間常數(shù)很小，采用單參數(shù)調(diào)節(jié)就能達(dá)到壓力的恒定。
在此基礎(chǔ)上采用解耦控制，協(xié)調(diào)加熱量與回流量，有效解除各通道間的關(guān)聯(lián)，并充分利用擾動觀測器及時調(diào)整加熱量與回流量，最大程度地減少進(jìn)入塔釜的低組分物，以防低組分物過料到加壓塔，造成不可逆轉(zhuǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量問題。
（2）加壓塔
►擾動觀測器的設(shè)計(jì)
加壓塔的進(jìn)料擾動包括流量和組分，而溫度就是預(yù)餾塔釜溫度，可以看成是恒定的。為克服進(jìn)料流量及組分波動帶來的擾動，為此，我們采用過料閥位作為擾動觀測器的變量，加之過料量本身就采用了預(yù)餾塔液位的均勻控制，系統(tǒng)的快速恢復(fù)平衡的能力是有保證的。至于組分的波動，只要預(yù)餾塔的輕組分分離的好，對加壓塔來講也不存在問題。
►多變量解耦控制方案框圖（略）
►控制方案可行性分析
在加壓塔控制方案中，選擇塔頂溫度T2作為產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的道理同預(yù)餾塔，在此基礎(chǔ)上同樣采用解耦控制，協(xié)調(diào)加熱量與回流量，有效解除各通道間的關(guān)聯(lián)，并充分利用擾動觀測器及時調(diào)整加熱量與回流量，確保塔頂甲醇的產(chǎn)品純度。
同時，根據(jù)產(chǎn)量負(fù)荷與加熱、冷卻能力模型，確定合適的回流比，實(shí)現(xiàn)加壓塔的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制。
（3）常壓塔
常壓塔最困難的是加壓塔的蒸發(fā)量作為再沸器的補(bǔ)充熱源，一旦加壓塔的操作產(chǎn)生波動過大，一定會殃及常壓塔的正常平衡。因此，常壓塔的加熱控制必須引入加壓塔塔頂壓力進(jìn)行補(bǔ)償，這是常壓塔特別之處。
（4）精餾塔的選擇性控制
塔不能出現(xiàn)液泛，某些類型的塔（如篩板塔等）也不應(yīng)出現(xiàn)漏液現(xiàn)象。當(dāng)塔出現(xiàn)液泛時，塔的壓差將超過一個限值。當(dāng)塔出現(xiàn)漏液時，塔的壓差將降到一個下限值。
為防止液泛和漏液現(xiàn)象，可以把約束條件加在再沸器上，這可以通過對加熱流量或閥位設(shè)置上、下限幅來實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)量與質(zhì)量是相互矛盾的，這又與能耗相關(guān)聯(lián)。精餾塔的選擇性控制任務(wù)是，使塔盡量操作在約束條件內(nèi)，即正常下的最大負(fù)荷生產(chǎn)，獲得最多的合格產(chǎn)品。
（5）實(shí)施流程如圖：
8.52萬噸/年大顆粒尿素裝置中的應(yīng)用
8.1前言
30萬噸/年尿素大顆粒造粒項(xiàng)目采用國產(chǎn)DCS控制系統(tǒng)，一舉打破了國外產(chǎn)品在此市場的壟斷局面，意味著國產(chǎn)系統(tǒng)的科技水平將會為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)改造以及新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供更加有力的技術(shù)支撐，將國產(chǎn)化的水平推進(jìn)到一個嶄新的高度。
8.2尿素裝置工藝流程簡介
三十萬噸大顆粒尿素裝置分為尿素主裝置和大顆粒裝置兩部分。
尿素主裝置工藝流程：
本尿素主裝置采用二氧化碳汽提法尿素生產(chǎn)工藝，其工藝流程主要包括:二氧化碳壓縮機(jī)和脫氫、液氨升壓、合成和汽提、循環(huán)、蒸發(fā)造粒、產(chǎn)品貯存和包裝、解吸和水解等工序。
8.3控制策略
根據(jù)設(shè)計(jì)要求和和利時公司豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，主要圍繞減少原料損失，降低HH3耗、增加產(chǎn)量和尿素質(zhì)量、提高工藝的自控水平和儀表的可靠性、方便生產(chǎn)管理等方面對項(xiàng)目進(jìn)行了整體控制方案設(shè)計(jì)。
HOLLiAS-MACS具有強(qiáng)大約反饋控制、邏輯順序控制和各種運(yùn)算功能。根據(jù)工藝要求，靈活地把這些功能有機(jī)地組合，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)復(fù)雜的控制策略，在年產(chǎn)30萬噸大顆粒尿素CO2汽提法工藝裝置中，設(shè)計(jì)了NH3／C02控制，尿素負(fù)荷控制，氧合量O2控制、情氣排放控制等25套典型復(fù)雜控制系統(tǒng)。
具有分區(qū)、分級別控制功能。4套操作員站理論上可以控制全系統(tǒng)所有點(diǎn)，但為了操作的安全性，可以定義每個操作員站的操作權(quán)限，便于專人專控。
具有冗余控制功能，將工藝上關(guān)鍵的參數(shù)都進(jìn)行了冗余配置。
具有完善的報(bào)警功能，有工藝模擬量報(bào)警、工藝開關(guān)量報(bào)警、模塊報(bào)警，系統(tǒng)報(bào)警，報(bào)警摘要，操作員可以很方便了解系統(tǒng)狀態(tài)及生產(chǎn)過程。
8.31模擬量控制方案
尿素裝置控制回路一覽表
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序號 |
控制系統(tǒng)名稱 |
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能說明 |
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1 |
高壓系統(tǒng)NH3／C02控制 |
前饋比值三串級純滯后補(bǔ)償控制 |
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2 |
C02流量負(fù)荷控制系統(tǒng) |
帶溫壓補(bǔ)償及運(yùn)算三串級控制 |
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3 |
高壓冷凝器壓力控制 |
分程控制 |
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4 |
O2含量控制 |
前饋串級控制 |
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5 |
高壓系統(tǒng)壓力控制 |
優(yōu)化控制 |
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6 |
汽提塔蒸汽壓力控制 |
優(yōu)化控制 |
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7 |
高壓系統(tǒng)惰氣排放控制 |
前饋、串級、反饋控制 |
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8 |
高壓洗滌器熱負(fù)荷控制 |
人工干預(yù)開環(huán)系統(tǒng) |
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9 |
循環(huán)系統(tǒng)溫度控制 |
分程控制 |
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10 |
低壓吸收器液位控制 |
邏緝自適應(yīng)順控串級控制 |
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11 |
循環(huán)加熱器溫度控制 |
串統(tǒng)調(diào)節(jié) |
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12 |
蒸發(fā)系統(tǒng)流量控制 |
串級調(diào)節(jié) |
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13 |
一段蒸發(fā)組分控制 |
兩變量串級控制 |
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14 |
一段蒸發(fā)溫度控制 |
串級調(diào)節(jié) |
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15 |
二段蒸發(fā)溫度控制 |
串級調(diào)節(jié) |
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16 |
二段蒸發(fā)組分控制 |
溫壓計(jì)算組分 |
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17 |
解吸塔溫度控制 |
串統(tǒng)調(diào)節(jié) |
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18 |
合成塔液位控制 |
自動反饋控制 |
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19 |
中壓冷凝器壓力控制 |
分程調(diào)節(jié) |
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20 |
汽包液位控制 |
分程調(diào)節(jié) |
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21 |
中壓冷凝器液位控制 |
分程調(diào)節(jié) |
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22 |
低壓冷凝器液位控制 |
分程調(diào)節(jié) |
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23 |
造粒機(jī)尿液槽液位控制 |
分程調(diào)節(jié) |
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24 |
造粒機(jī)進(jìn)料壓力控制 |
邏輯控制 |
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25 |
造粒機(jī)溫度控制 |
串級調(diào)節(jié) |
8.32開關(guān)量控制策略---開關(guān)輸入三取二邏輯冗余控制
開關(guān)量的采用三取二邏輯冗錯控制方案，其可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冗余控制，可為緊急停車系統(tǒng)、重要聯(lián)鎖控制提供可靠的檢測、控制手段。采用冗錯控制的子系統(tǒng)如下：
合成氨系統(tǒng)故障、大顆粒緊急停車、停三臺高壓液氨泵、停三臺CO2壓縮機(jī)、停三臺高壓甲銨泵、手動關(guān)進(jìn)尿液閥PV-2221、手動停霧化CR101、液氨快開閥復(fù)位、液氨快開閥關(guān)、CO2快開閥復(fù)位、CO2快開閥關(guān)、手動開旁路閥HV-2220、旁路閥HV-2220復(fù)位、低壓蒸汽包a液位開關(guān)、鍋爐給水罐液位開關(guān)、進(jìn)界區(qū)儀表空氣壓力低報(bào)警。
8.4實(shí)施流程如圖:
9.生產(chǎn)管理系統(tǒng)
上世紀(jì)80年代后期，流程工業(yè)過程控制與生產(chǎn)管理發(fā)生了巨大變化，多學(xué)科間的相互滲透與結(jié)合，使過程控制與生產(chǎn)管理朝著一體化的方向發(fā)展，形成了企業(yè)綜合自動化的新模式。和利時公司為滿足工業(yè)發(fā)展的需要，研發(fā)了流程行業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)HOLLiAS-MES（ManufacturingExecutionSystem）。
生產(chǎn)管理系統(tǒng)以企業(yè)級實(shí)時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫為核心，提供實(shí)時信息系統(tǒng)、質(zhì)量分析系統(tǒng)、設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、批次管理系統(tǒng)、生產(chǎn)成本核算系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)等功能。為企業(yè)生產(chǎn)管理人員進(jìn)行過程監(jiān)控與管理、保證生產(chǎn)正常運(yùn)行，控制產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本提供了靈活有力的工具。HOLLiAS-MES具有豐富的與DCS、PLC等控制設(shè)備的通信接口，并可與ERP等企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)管控一體化。
附圖為某366010合成氨尿素甲醇化工廠全部采用和利時公司產(chǎn)品構(gòu)成的管控一體化系統(tǒng)圖。
9.1實(shí)時信息系統(tǒng)功能
 實(shí)時歷史趨勢
 報(bào)表
 報(bào)警
 Web功能
9.2質(zhì)量分析系統(tǒng)
質(zhì)量分析系統(tǒng)容納了實(shí)驗(yàn)室分析系統(tǒng)和統(tǒng)計(jì)過程控制SPC。質(zhì)量管理貫穿于企業(yè)生產(chǎn)活動的全過程。QAS提供完整的實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)為原料采購、生產(chǎn)過程控制與管理、生產(chǎn)技術(shù)管理、產(chǎn)品銷售等活動所共享，完成樣品管理、樣品跟蹤、式樣數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)過程控制圖、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)管理等。
統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制（SPC），對關(guān)鍵過程控制參數(shù)和質(zhì)量檢測參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，幫助操作人員提高操作水平、控制影響產(chǎn)品質(zhì)量的參數(shù)，為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供支持。
控制圖：允許分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)變化，可以分析平均值、極差或標(biāo)準(zhǔn)差。此方法可用于分析操作平穩(wěn)度，可以用來判斷質(zhì)量變化是偶然波動還是由系統(tǒng)故障引起的。
工序能力圖：用特征值（如溫度、壓力、流量）分布圖分散特性來量度工序?qū)嶋H加工能力。并自動計(jì)算工序能力指標(biāo)（Cp、Cpk）、峰值和偏差。此方法可以計(jì)算工序在受控狀態(tài)下對加工質(zhì)量的保證能力。
l 排列圖：分析錯誤和故障發(fā)生頻率對產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度。
9.3生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)—PSS（ProductionSchedulingSystem）
PSS運(yùn)用化工流程模擬技術(shù)，為制定生產(chǎn)方案、確定物料平衡關(guān)系、能量需求關(guān)系提供支持；滿足制定多生產(chǎn)方案、生產(chǎn)不同產(chǎn)品的需要；化工流程模擬技術(shù)還為優(yōu)化操作、技術(shù)改造提供方便、快捷、經(jīng)濟(jì)的支持。
PSS具有強(qiáng)大生產(chǎn)調(diào)度預(yù)警功能，系統(tǒng)以裝置操作經(jīng)驗(yàn)和過程模擬為基礎(chǔ)，通過對實(shí)時數(shù)據(jù)的綜合分析，系統(tǒng)實(shí)時把握系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)和可能出現(xiàn)的情況，對可能發(fā)生的事故或波動提前給出預(yù)報(bào)分析并調(diào)用顯示相應(yīng)的處理方案等。
PSS集成了調(diào)度工作所需要的各種信息，是調(diào)度人員有力的信息工具。并包括了各種事故處理預(yù)案、預(yù)警及在工況波動或產(chǎn)品調(diào)整要求下的，合理、優(yōu)化的調(diào)度策略預(yù)案。
9.4其它子系統(tǒng)
►設(shè)備管理系統(tǒng)
主要功能包括設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、設(shè)備臺帳管理、預(yù)防維護(hù)管理、維護(hù)工作單管理等。
►能源管理系統(tǒng)
與生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)密切配合，完成生產(chǎn)與能源的協(xié)調(diào)管理。
►生產(chǎn)成本核算系統(tǒng)
主要是直接生產(chǎn)成本（物料、能源消耗），加上工資成本、設(shè)備折舊及管理費(fèi)用分?jǐn)偅梢运愠錾a(chǎn)的實(shí)際成本。
10.結(jié)束語
經(jīng)過十多年不懈努力，和利時公司DCS系統(tǒng)在石化、化工行業(yè)上取得了顯著的成績，石化化工項(xiàng)目總數(shù)達(dá)1000多個。分布如下：煤化工280個，石化化工260個，氯堿60個，精細(xì)化工240個，制藥120個，其它包括化工廠的生產(chǎn)管理系統(tǒng)150個左右。和利時公司的優(yōu)勢在于，公司的工程師大多來自于企業(yè)基層，有著出色的項(xiàng)目組織、過程質(zhì)量的控制能力。
同時具有豐富的工藝與控制知識與經(jīng)驗(yàn)，尤其在控制與工藝的結(jié)合上有自己的特色，擅長穩(wěn)態(tài)優(yōu)化與動態(tài)優(yōu)化控制技術(shù)的應(yīng)用。再有就是和利時的DCS產(chǎn)品經(jīng)過多年的改進(jìn)與提高，其可靠性、易用性、先進(jìn)性已在廣泛的行業(yè)上如核電站、輕軌地鐵、600MW機(jī)組以及上萬點(diǎn)的大型化工行業(yè)得到了現(xiàn)場驗(yàn)證，并在5000多個項(xiàng)目上得到了應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
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