大型合成氨裝置技改中的自控改造方案

我國于20世紀70年代中期引進的一批以天然氣為原料、年產(chǎn)30萬噸合成氨裝置，是我國興建的第一批大型合成氨裝置。這批合成氨裝置投產(chǎn)已20多年，為改變我國合成氨生產(chǎn)的落后面貌作出了很大貢獻。然而，從合成氨生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的角度來看，目前這批合成氨裝置在節(jié)能增產(chǎn)方面存在不少困難，且部分設(shè)備老化也對安全生產(chǎn)造成威脅。因此，很多廠家把對這類裝置的技術(shù)改造提到議事日程。如云天化的合成氨裝置技改工作已完成工程設(shè)計，現(xiàn)已進入設(shè)備采購階段；瀘天化已完成引進技改專利技術(shù)的談判；川化和大慶化肥廠等已完成技改可研報告評估，正在積極開展建設(shè)前期工作。
這批合成氨裝置在引進時日產(chǎn)量為1000噸，能耗為9Gcal/MT。投產(chǎn)若干年后大都作過不同程度的技改，目前一般日產(chǎn)量達到1100多噸，能耗達到8.3Gcal/MT?，F(xiàn)在這批合成氨裝置節(jié)能增產(chǎn)技改的目標大多數(shù)為日產(chǎn)1500噸，能耗為7.8Gcal/MT。

合成氨裝置的技改涉及到生產(chǎn)流程、工藝管道、化工容器、轉(zhuǎn)動設(shè)備、電氣、儀表等的改造。由于這批大型合成氨裝置現(xiàn)均已完成DCS的改造工作，所以儀表改造主要是現(xiàn)場安裝儀表的改造和各類控制系統(tǒng)的改造，而DCS的改造只是硬件擴容和應(yīng)用軟件組態(tài)工作。本文以某合成氨裝置技改中現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)的改造為例，談?wù)劥笮秃铣砂毖b置技改中的自控改造方案。

1. 現(xiàn)場儀表改造的實施方案
在工藝、設(shè)備改造中，增加了工藝冷凝液汽提塔、分子篩干燥器、電動型空氣壓縮機等較大設(shè)備；改造和更換了一段轉(zhuǎn)化爐、氨合成塔、合成氣壓縮機等設(shè)備的部分結(jié)構(gòu)與內(nèi)件；新增和更換了部分工藝管道。工藝、設(shè)備的這些改造勢必需要新增和更換部分現(xiàn)場儀表。

新增和更換現(xiàn)場儀表較多的是流量計和控制閥。由于本文示例工程是購買國外技改工藝設(shè)計包和基礎(chǔ)工程設(shè)計包的工程，因而國外工程公司按工藝技改要求，對流量計、控制閥進行了計算和選型推薦。從這些計算和選型來看，有如下二個特點：

(1) 流量計選型多樣化及對節(jié)流元件上永久壓力損失的考慮
該技改工程采用了多種形式的流量計，除采用差壓式流量計外還采用渦街流量計和質(zhì)量流量計等。在差壓式流量計中，又采用多種形式的節(jié)流元件。一般情況下節(jié)流元件采用標準孔板，對于允許永久壓力損失要求較低及大管徑的場合，則采用其它不同形式的節(jié)流元件。如進入一段轉(zhuǎn)化爐的中壓蒸汽流量測量，以前采用的是孔板，技改后蒸汽流量增大而管徑未變，如繼續(xù)采用孔板，則永久壓力損失將超過允許值。這次技改改用文丘利管，既降低了永久壓力損失，又保證了足夠的測量精度(＜±1%)；而對于永久壓力損失要小，管道較大(φ200～300)，測量精度要求不太高的場合(±1%)采用阿留巴。如合成氣壓縮機段間的合成氣流量測量(防喘振控制系統(tǒng)流量測量)以前也是采用孔板，技改后流量增大管徑未變，這次技改改用阿留巴。

(2) V形球閥的采用及雙向流動控制閥的選型
由于新增管道和某些管道變大，該技改工程新增與更換的控制閥共有30余臺，約占全裝置控制閥總數(shù)的1/3。在30余臺控制閥中，新增與更換的控制閥約各占1/2。

對于脫除CO2的苯菲爾溶液，因是易結(jié)晶介質(zhì)，所以無論是流量控制，還是液位控制，控制閥都是采用V形球閥(Fisher公司V300閥)。以前這些場合采用的是雙座V形開口柱塞閥，運行效果不太好，這次技改在選型作了改進。

在分子篩干燥器單元，安裝在兩個分子篩干燥器之間的充壓閥，是一臺控制雙向流動介質(zhì)的控制閥。即當(dāng)?shù)谝桓稍锲髟偕^程完成后，需要由正在運行第二干燥器經(jīng)充壓控制閥向其充壓(介質(zhì)從閥A端進B端出)。而當(dāng)?shù)诙稍镌偕^程完成后，則由正在運行第一干燥器經(jīng)充壓控制閥向其充壓(介質(zhì)從閥B端進A端出) (見本文分子篩干燥器程控流程簡圖的PV-50)。這種控制互逆流動介質(zhì)的閥，以前在合成氨裝置沒有采用過。在與FISHER控制閥供貨商的技術(shù)討論中，他們也沒有更多的實用經(jīng)驗。后來借鑒某一成套引進裝置對這種閥的選型，確定采用單座柱塞型控制閥。開車投運后效果如何，還有待觀察。

現(xiàn)場新增的其它重要儀表是：

為了了解輔助鍋爐燒嘴的燃燒情況，在五臺輔鍋燒嘴旁分別增裝了新型火焰檢測器。這種火焰檢測器集檢測、變送、控制于一體，整機安裝在現(xiàn)場。

分子篩干燥器單元的程控閥是一種軌道式程控球閥。此閥在開、關(guān)閥門時，閥桿導(dǎo)槽沿導(dǎo)向銷作軌道運動，使球體偏離閥座后再轉(zhuǎn)動，從而消除了對閥座的磨損，較好地解決了閥長期使用后的泄漏問題。

2　自控系統(tǒng)與程控系統(tǒng)改造的實施方案

(1) 自控系統(tǒng)的改造

合成氨裝置的自控系統(tǒng)以單參數(shù)控制系統(tǒng)為主，復(fù)雜控制系統(tǒng)不多。該技改工程新增12套單參數(shù)自控系統(tǒng)(包括2套分程控制系統(tǒng))、1套遙控系統(tǒng)。由于新增電力驅(qū)動空壓機的運行與H/N控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，故技改中對這套H/N復(fù)雜控制系統(tǒng)進行了改造。

該合成氨裝置在原始引進時未設(shè)置H/N控制系統(tǒng)。由于這套系統(tǒng)關(guān)系到裝置節(jié)能增產(chǎn)效益，廠方曾經(jīng)想增設(shè)這套系統(tǒng)，后因分析H2、N2的分析器有問題，一直未能實施H/N的自動控制。本次技改前廠方購置了1臺單流路的氣相色譜儀，為增設(shè)H/N控制系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。
此套H/N控制系統(tǒng)為帶選擇空氣/原料或H/N比值控制的空氣流量串級控制系統(tǒng)，由國外工程公司設(shè)計，見控制系統(tǒng)原理圖。

H/N有2套控制器，1套設(shè)在合成氣壓縮機入口，另1套設(shè)在合成塔入口。因氣相色譜儀只有1個流路，該系統(tǒng)運行時只有1個控制器切入系統(tǒng)，切入的控制器對H/N控制起到精調(diào)作用。在造氣部分設(shè)置的空氣/原料氣控制器，對H/N控制起到粗調(diào)作用。H/N控制器和空氣/原料控制器的輸出通過低值選擇器作為空氣流量控制器的遠方設(shè)定信號，低值選擇器只將H/N和空氣/原料氣兩套系統(tǒng)中比值偏差較大的那一套控制器接至空氣流量控制器。該系統(tǒng)設(shè)計比較完善，為了保證系統(tǒng)的安全，采取有關(guān)限幅措施。

由于H/N控制系統(tǒng)是一個大純滯后系統(tǒng)，該系統(tǒng)中未考慮滯后補償問題A，今后能否實施有效控制還有待驗證。

(2)程控系統(tǒng)的增設(shè)
　　該技改裝置增加了分子篩干燥器單元，此單元由我公司設(shè)計。該單元安裝在合成氣壓縮機103-J的2段出口與3段入口之間。分子篩干燥器對合成氣進行干燥，脫除其中的微量CO2，起著提高氨合成率和保護合成觸媒的作用。該單元由2臺分子篩干燥器、1臺分子篩再生氣加熱器、1臺分子篩再生氣干燥器等設(shè)備組成，見分子篩干燥器程控流程簡圖。

2臺分子篩干燥器的在線運行和再生是互為交替的，按既定程序由程控單元進行控制。程序控制操作主要反映在干燥器再生過程，再生過程分干燥器泄壓、通入再生氣、再生氣加熱、干燥器升溫、干燥器冷卻、干燥器充壓等步驟，見分子篩干燥器程控系統(tǒng)邏輯圖。

干燥器的程控單元在合成氨裝置的DCS中組態(tài)，故DCS擔(dān)負了干燥器運行、再生過程的全部程控功能。此程控系統(tǒng)的特點是，在干燥器泄壓、再生氣加熱、干燥器降溫、干燥器充壓等步驟中，對控制其壓力和溫度控制器的設(shè)定采用程序設(shè)定方式，如干燥器泄壓或干燥器充壓以分鐘下降或上升300kPa速率泄壓或充壓；再生氣加熱以分鐘上升5°C速率升溫；干燥器降溫以分鐘下降48°C速率降溫，這些以速率形式變化的設(shè)定值，都由各個程序設(shè)定單元給出。這樣的程控方式可以保證工藝平穩(wěn)操作和設(shè)備安全。

3. 可供選擇的自控改造方案

大型合成氨裝置的儀表技改工作，可能因各方面條件的制約，如資金問題、技術(shù)基礎(chǔ)問題等，技改實施方案不一定很完善。但是從不斷提高合成氨裝置過程控制技術(shù)，更好地履行為企業(yè)節(jié)能增產(chǎn)、提高經(jīng)濟效益功能的角度出發(fā)，除上述及其它一些必要的改造方案外，還有一些改造方案可以考慮，本文提出兩個較大方案供儀表技改時選擇。這兩個方案在有的技改項目作了考慮。

(1) 透平-壓縮機的綜合控制

上世紀70年代引進的一批以天然氣為原料的大型合成氨裝置的壓縮機控制設(shè)施比較落后，可靠性低、故障率高。后來，有的裝置對控制設(shè)施作了些局部技改，有的對單臺壓縮機安裝了調(diào)速控制裝置，但控制效果大都不理想。

目前國際控制裝備市場上，推出了一種透平-壓縮機綜合控制系統(tǒng)，它是集蒸汽透平速度控制及抽氣控制、壓縮機防喘振控制、性能控制、解耦控制、分離器液位控制等以及自保護聯(lián)鎖邏輯控制為一體的集成綜合裝置。該系統(tǒng)是三重化容錯設(shè)計，具有很長的平均無故障運行時間，可靠性高。此外該系統(tǒng)組態(tài)靈活，控制程序修改及系統(tǒng)擴展都很方便。為了提高壓縮機運轉(zhuǎn)的安全可靠性，保證合成氨裝置長周期、連續(xù)運行，技改中選用這種綜合控制系統(tǒng)是一個很好的選擇。
美國TRICONEX公司的ITCC綜合控制系統(tǒng)TS3000已在新建的新疆澤普化肥廠20萬噸/年合成氨裝置上得到采用，投運效果良好。

(2)合成氨裝置的先進控制

上述首批引進的合成氨裝置因引進較早，控制水平是較低的(當(dāng)時人們認為控制水平還是很高的)，后來各裝置都作了程度不同的儀表改造，如將常規(guī)控制儀表改造為DCS是一大進步。但是，在采用DCS后將其先進功能用于提高過程控制水平方面還做得不夠。目前，人們對合成氨裝置的先進過程控制技術(shù)(APC)的認識不斷加深，因而利用合成氨裝置技術(shù)改造這個有利時機，在儀表改造中考慮采用APC將是一個好方案。這也是保證裝置長周期、連續(xù)安全運行，節(jié)省能量、降低消耗、提高經(jīng)濟效益的一條重要途徑。

合成氨裝置的APC類型有好幾種，由于首批引進的合成氨裝置大都是美國KBR公司(前身是Kellogg公司)的技術(shù)，故本文僅簡要提提KBR公司的合成氨裝置APC技術(shù)。

KBR公司APC的控制策略是“多變量預(yù)測控制”，其建立APC控制策略的原則是，減小關(guān)鍵過程參數(shù)的變化；減少外界擾動對過程操作的影響；執(zhí)行較好的操作和管理。APC控制項目是：H/N控制；一段轉(zhuǎn)化爐上升管溫度平衡控制；一段轉(zhuǎn)化爐過剩O2控制；合成回路控制；轉(zhuǎn)化率控制；合成氨生產(chǎn)控制(原料極限/生產(chǎn)制約控制)等。

該公司的APC技術(shù)先后在美國、加拿大、土爾其、荷蘭等國的十多個合成氨裝置得到采用，投運后產(chǎn)生的經(jīng)濟效益是，氨產(chǎn)量增加1～2%，能量有效率提高1～2。在APC投運半年時間內(nèi)，所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益足以收回其投資費用。

在合成氨裝置技改中采用APC技術(shù)，除引進國外技術(shù)外，還可以與高等院校、科研部門合作，共同開發(fā)APC技術(shù)。國內(nèi)有些院校、科研部門在這方面做了大量工作，取得了不少經(jīng)驗，為技術(shù)合作打下良好基礎(chǔ)。