大型合成氨裝置技改中的自控改造方案

大型合成氨裝置技改中的自控改造方案

我國(guó)于20世紀(jì)70年代中期引進(jìn)的一批以天然氣為原料、年產(chǎn)30萬(wàn)噸合成氨裝置，是我國(guó)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(guó)合成氨生產(chǎn)的落后面貌作出了很大貢獻(xiàn)。然而，從合成氨生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)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(duì)安全生產(chǎn)造成威脅。因此，很多廠家把對(duì)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(jì)，現(xiàn)已進(jìn)入設(shè)備采購(gòu)階段；瀘天化已完成引進(jìn)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(bào)告評(píng)估，正在積極開展建設(shè)前期工作。
這批合成氨裝置在引進(jìn)時(shí)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(dá)到1100多噸，能耗達(dá)到8.3Gcal/MT。現(xiàn)在這批合成氨裝置節(jié)能增產(chǎn)技改的目標(biāo)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(dòng)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(chǎng)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(kuò)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(chǎng)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(chǎng)儀表改造的實(shí)施方案
在工藝、設(shè)備改造中，增加了工藝?yán)淠浩崴?、分子篩干燥器、電動(dòng)型空氣壓縮機(jī)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(jī)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(shì)必需要新增和更換部分現(xiàn)場(chǎng)儀表。

新增和更換現(xiàn)場(chǎng)儀表較多的是流量計(jì)和控制閥。由于本文示例工程是購(gòu)買國(guó)外技改工藝設(shè)計(jì)包和基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)包的工程，因而國(guó)外工程公司按工藝技改要求，對(duì)流量計(jì)、控制閥進(jìn)行了計(jì)算和選型推薦。從這些計(jì)算和選型來(lái)看，有如下二個(gè)特點(diǎn)：

(1) 流量計(jì)選型多樣化及對(duì)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(jì)，除采用差壓式流量計(jì)外還采用渦街流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)等。在差壓式流量計(jì)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(biāo)準(zhǔn)孔板，對(duì)于允許永久壓力損失要求較低及大管徑的場(chǎng)合，則采用其它不同形式的節(jié)流元件。如進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化爐的中壓蒸汽流量測(cè)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(cè)量精度(＜±1%)；而對(duì)于永久壓力損失要小，管道較大(φ200～300)，測(cè)量精度要求不太高的場(chǎng)合(±1%)采用阿留巴。如合成氣壓縮機(jī)段間的合成氣流量測(cè)量(防喘振控制系統(tǒng)流量測(cè)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(dòng)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(tái)，約占全裝置控制閥總數(shù)的1/3。在30余臺(tái)控制閥中，新增與更換的控制閥約各占1/2。

對(duì)于脫除CO2的苯菲爾溶液，因是易結(jié)晶介質(zhì)，所以無(wú)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(chǎng)合采用的是雙座V形開口柱塞閥，運(yùn)行效果不太好，這次技改在選型作了改進(jìn)。

在分子篩干燥器單元，安裝在兩個(gè)分子篩干燥器之間的充壓閥，是一臺(tái)控制雙向流動(dòng)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(yùn)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(jìn)B端出)。而當(dāng)?shù)诙稍镌偕^程完成后，則由正在運(yùn)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(jìn)A端出) (見本文分子篩干燥器程控流程簡(jiǎn)圖的PV-50)。這種控制互逆流動(dòng)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(shí)用經(jīng)驗(yàn)。后來(lái)借鑒某一成套引進(jìn)裝置對(duì)這種閥的選型，確定采用單座柱塞型控制閥。開車投運(yùn)后效果如何，還有待觀察。

現(xiàn)場(chǎng)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(tái)輔鍋燒嘴旁分別增裝了新型火焰檢測(cè)器。這種火焰檢測(cè)器集檢測(cè)、變送、控制于一體，整機(jī)安裝在現(xiàn)場(chǎng)。

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(shí)，閥桿導(dǎo)槽沿導(dǎo)向銷作軌道運(yùn)動(dòng)，使球體偏離閥座后再轉(zhuǎn)動(dòng)，從而消除了對(duì)閥座的磨損，較好地解決了閥長(zhǎng)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(shí)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(dòng)空壓機(jī)的運(yùn)行與H/N控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，故技改中對(duì)這套H/N復(fù)雜控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造。

該合成氨裝置在原始引進(jìn)時(shí)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(shí)施H/N的自動(dòng)控制。本次技改前廠方購(gòu)置了1臺(tái)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(jí)控制系統(tǒng)，由國(guó)外工程公司設(shè)計(jì)，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(jī)入口，另1套設(shè)在合成塔入口。因氣相色譜儀只有1個(gè)流路，該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)只有1個(gè)控制器切入系統(tǒng)，切入的控制器對(duì)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(duì)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(yuǎn)方設(shè)定信號(hào)，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(jì)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(gè)大純滯后系統(tǒng)，該系統(tǒng)中未考慮滯后補(bǔ)償問題A，今后能否實(shí)施有效控制還有待驗(yàn)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(jì)。該單元安裝在合成氣壓縮機(jī)103-J的2段出口與3段入口之間。分子篩干燥器對(duì)合成氣進(jìn)行干燥，脫除其中的微量CO2，起著提高氨合成率和保護(hù)合成觸媒的作用。該單元由2臺(tái)分子篩干燥器、1臺(tái)分子篩再生氣加熱器、1臺(tái)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(jiǎn)圖。

2臺(tái)分子篩干燥器的在線運(yùn)行和再生是互為交替的，按既定程序由程控單元進(jìn)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(fù)了干燥器運(yùn)行、再生過程的全部程控功能。此程控系統(tǒng)的特點(diǎn)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(duì)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(gè)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(shí)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(jì)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(gè)較大方案供儀表技改時(shí)選擇。這兩個(gè)方案在有的技改項(xiàng)目作了考慮。

(1) 透平-壓縮機(jī)的綜合控制

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

目前國(guó)際控制裝備市場(chǎng)上，推出了一種透平-壓縮機(jī)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(jī)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(hù)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(cuò)設(shè)計(jì)，具有很長(zhǎng)的平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)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(kuò)展都很方便。為了提高壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全可靠性，保證合成氨裝置長(zhǎng)周期、連續(xù)運(yùn)行，技改中選用這種綜合控制系統(tǒng)是一個(gè)很好的選擇。
美國(guó)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(wàn)噸/年合成氨裝置上得到采用，投運(yùn)效果良好。

(2)合成氨裝置的先進(jìn)控制

上述首批引進(jìn)的合成氨裝置因引進(jìn)較早，控制水平是較低的(當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為控制水平還是很高的)，后來(lái)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(jìn)步。但是，在采用DCS后將其先進(jìn)功能用于提高過程控制水平方面還做得不夠。目前，人們對(duì)合成氨裝置的先進(jìn)過程控制技術(shù)(APC)的認(rèn)識(shí)不斷加深，因而利用合成氨裝置技術(shù)改造這個(gè)有利時(shí)機(jī)，在儀表改造中考慮采用APC將是一個(gè)好方案。這也是保證裝置長(zhǎng)周期、連續(xù)安全運(yùn)行，節(jié)省能量、降低消耗、提高經(jīng)濟(jì)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(jìn)的合成氨裝置大都是美國(guó)KBR公司(前身是Kellogg公司)的技術(shù)，故本文僅簡(jiǎn)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(cè)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(dòng)對(duì)過程操作的影響；執(zhí)行較好的操作和管理。APC控制項(xiàng)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(guó)、加拿大、土爾其、荷蘭等國(guó)的十多個(gè)合成氨裝置得到采用，投運(yùn)后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是，氨產(chǎn)量增加1～2%，能量有效率提高1～2。在APC投運(yùn)半年時(shí)間內(nèi)，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益足以收回其投資費(fèi)用。

在合成氨裝置技改中采用APC技術(shù)，除引進(jìn)國(guó)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(guó)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(yàn)，為技術(shù)合作打下良好基礎(chǔ)。