摘 要：介紹DCS系統(tǒng)在煤頭大化肥裝置的應(yīng)用，結(jié)果表明，該系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)化管理，安全生產(chǎn)的目的。
關(guān)鍵詞：合成氨；尿素；裝置；DCS系統(tǒng)
1 概述
DCS集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體，采用若干個(gè)控制器（過(guò)程站）對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的眾多控制點(diǎn)進(jìn)行控制，各控制器間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接并可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。采用計(jì)算機(jī)操作站，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與控制器連接，收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，傳達(dá)操作指令，可達(dá)到分散控制，集中管理的目的。
山西晉豐煤化工有限責(zé)任公司360kt／a合成氨、520kt／a尿素裝置的生產(chǎn)過(guò)程具有高溫高壓、易燃易爆、有毒有害環(huán)境，以及多變量、多耦合、非線性輸入/輸出等特點(diǎn)，對(duì)DCS系統(tǒng)提出了更高的要求。經(jīng)過(guò)綜合比較，該裝置的鍋爐、造氣車間分別選用了杭州威盛自動(dòng)化控制公司生產(chǎn)的FB一2000NS系統(tǒng)和長(zhǎng)沙儀峰自動(dòng)化公司生產(chǎn)的DCS控制系統(tǒng)；凈化、合成和尿素車間則采用北京和利時(shí)系統(tǒng)工程股份有限公司生產(chǎn)的SMART—PRO系統(tǒng)。
2 鍋爐控制系統(tǒng)
2．1 系統(tǒng)配置
鍋爐DCS系統(tǒng)設(shè)有控制站（FCS）1臺(tái)，操作站2臺(tái)，工程師站1臺(tái)，打印機(jī)站1臺(tái)。
2．2 控制要點(diǎn)
由于循環(huán)流化床鍋爐（CFB）的燃燒過(guò)程十分復(fù)雜、受到多種因素影響?？刂埔c(diǎn)為：①保證鍋爐蒸發(fā)量在額定范圍內(nèi)；②保證汽溫、汽壓在正常變化范圍內(nèi)，且蒸汽品質(zhì)合格；③穩(wěn)定燃燒、提高鍋爐熱效率。
2．3 控制方法
采用爐膛負(fù)壓控制、汽包水位控制和主蒸汽溫度控制來(lái)保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。
2．3．1 爐膛負(fù)壓
合適的爐膛負(fù)壓是鍋爐安全燃燒的保證，也是鍋爐燃燒控制的一部分，但具有相對(duì)的獨(dú)立性，以PID參數(shù)整定從燃燒控制中分散出來(lái)采用單回路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2．3．2 汽包水位
經(jīng)典的三沖量串級(jí)前饋控制在各種鍋爐汽包水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)中已得到廣泛應(yīng)用，但是存在鍋爐負(fù)荷的大擾動(dòng)和鍋爐汽包的不定期人工排污問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，引入了負(fù)荷變化率和汽包水位變化率兩個(gè)變量，正常水位調(diào)節(jié)時(shí)這兩個(gè)變量均在某一限值之內(nèi)，如超過(guò)該限值時(shí)，將按一定規(guī)則調(diào)節(jié)強(qiáng)行上拉或下拉水位調(diào)節(jié)閥，以保證汽包水位在安全范圍之內(nèi)。
2．3．3 主蒸汽溫度
主蒸汽溫度控制采用串級(jí)前饋方案，理想的是用減溫器出口溫度作為前饋以彌補(bǔ)主蒸汽溫度的大滯后，但由于工藝安裝的難度，所以用爐膛出口溫度作為前饋。
3 造氣工段控制系統(tǒng)
3．1 系統(tǒng)配置
造氣系統(tǒng)設(shè)有采集站（FCS）2臺(tái)，操作站4臺(tái)，工程師站1臺(tái)。
3．2 控制要點(diǎn)
造氣爐效率直接關(guān)系到煤耗和產(chǎn)氣率。采用固定床常用氣化爐間歇制氣，對(duì)此保持一個(gè)較高的轉(zhuǎn)化率是非常重要的，水碳比、氧碳比控制在合理的范圍內(nèi)非常關(guān)鍵。
3．3 控制方法
3．3．1 水碳比
（1）水碳比的控制主要是調(diào)整蒸汽量。針對(duì)工藝要求，采用單回路PID調(diào)節(jié)單臺(tái)煤氣爐的廢熱鍋爐液位、夾套鍋爐液位和低壓蒸汽總管壓力等。
?。?）在蒸汽調(diào)節(jié)中，因造氣用蒸汽的特殊性，常規(guī)蒸汽穩(wěn)壓存在嚴(yán)重滯后現(xiàn)象，因此采取常規(guī)穩(wěn)壓加前饋的方法，即在普通穩(wěn)壓調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，根據(jù)吹蒸汽時(shí)蒸汽總閥開(kāi)的數(shù)量的多少，提前成正比開(kāi)大蒸汽調(diào)節(jié)閥，加大蒸汽量；在不吹蒸汽時(shí)前饋調(diào)節(jié)關(guān)閉，蒸汽只起穩(wěn)定調(diào)節(jié)作用，利用吹蒸汽時(shí)爐膛溫度是由高向低的變化，提高蒸汽分解率。
3．3．2 氧碳比
氧碳比的控制主要是控制空氣量。公共部分的空氣流量采用單回路PID調(diào)節(jié)。它的優(yōu)點(diǎn)是：①控制系統(tǒng)與尋優(yōu)微機(jī)配合可合理分配吹風(fēng)時(shí)間，同時(shí)可根據(jù)爐子負(fù)荷、爐溫、灰渣情況及時(shí)調(diào)整各階段循環(huán)時(shí)間，從而穩(wěn)定爐況；②單爐循環(huán)過(guò)程響應(yīng)迅速，當(dāng)工藝出現(xiàn)異常時(shí)可及時(shí)報(bào)警，并給出操作提示；③可提供適宜的循環(huán)氫氮比，為管理人員提供準(zhǔn)確的爐況變化信息；④各個(gè)切換閥門(mén)的可靠切換、準(zhǔn)確快速到位，避免氣體在管道中發(fā)生爆炸；⑤可防止?fàn)t體被燒壞、爐內(nèi)結(jié)疤、床層產(chǎn)生風(fēng)洞、廢熱鍋爐汽包干鍋等；⑥確保半水煤氣成份（特別是氧含量）合格穩(wěn)定，降低煤耗。
4 凈化工段控制系統(tǒng)
4．1 系統(tǒng)配置
凈化系統(tǒng)設(shè)有控制站（FCS）1臺(tái)，操作站4臺(tái)，工程師站1臺(tái)，打印機(jī)站1臺(tái)。
4．2 控制要點(diǎn)
換熱式全低變耐硫低溫變換的工藝具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。所以變換爐溫度的穩(wěn)定控制是該系統(tǒng)的關(guān)鍵之處。
4．3 控制方法
4．3．1 內(nèi)外環(huán)串級(jí)中變比例控制
針對(duì)換熱式全低變耐硫低溫變換工藝，系統(tǒng)采用內(nèi)外環(huán)串級(jí)中變比例控制，即根據(jù)進(jìn)工段的氣量先調(diào)節(jié)加蒸汽的比例，同時(shí)根據(jù)工況調(diào)整內(nèi)外環(huán)切人及聯(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)入低端。
4．3．2 變換爐熱點(diǎn)溫度超前一滯后補(bǔ)償
變換爐熱點(diǎn)溫度存在反對(duì)象特性，用普通PID控制會(huì)出現(xiàn)溫度反應(yīng)滯后，導(dǎo)致控制曲線不穩(wěn)，針對(duì)這種情況，從變換爐進(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，將此超前量進(jìn)行系數(shù)運(yùn)算后滯后處理，再將其數(shù)據(jù)與熱點(diǎn)觸媒溫度疊加，通過(guò)調(diào)整滯后時(shí)間和比例系數(shù)，使之剛好填平測(cè)量溫度的凹下去的曲線，這時(shí)雖然測(cè)量的溫度具有反對(duì)象特性，但給PID的溫度曲線已是正常曲線。
5 合成工段控制系統(tǒng)
5．1 系統(tǒng)配置
合成系統(tǒng)設(shè)有控制站（FCS）2臺(tái)，操作站4臺(tái)，工程師站1臺(tái)，打印站1臺(tái)。
5．2 控制要點(diǎn)
合成過(guò)程的控制要點(diǎn)是：氫氮比控制、合成塔觸媒層穩(wěn)定溫度控制、氨冷器溫度控制和吹出氣（弛放氣）控制。
5．3 控制方法
合成塔觸媒溫度的控制是比較難的，DCS系統(tǒng)對(duì)熱點(diǎn)溫度實(shí)行自動(dòng)高選控制，用合成塔冷激氣，環(huán)隙溫控制進(jìn)行輔助。另外由于氨庫(kù)的重大危險(xiǎn)性，此套系統(tǒng)特殊增加氨庫(kù)聯(lián)鎖。
5．3．1 熱點(diǎn)溫度自動(dòng)高選控制
?。?）針對(duì)傳統(tǒng)的32MPa高壓合成塔，選用24點(diǎn)中的可能成為熱點(diǎn)的14個(gè)點(diǎn)為觸媒溫度，一般選5到18點(diǎn)，用一自動(dòng)高選功能塊自動(dòng)選出當(dāng)前溫度最高一個(gè)點(diǎn)來(lái)控制合成塔溫度，才能保證觸媒溫度交替上升時(shí)始終是熱點(diǎn)在控制合成塔的工作狀態(tài)。
?。?）保持手動(dòng)選擇功能，，因?yàn)樵谏a(chǎn)中每層觸媒都有不同的溫度要求，工藝人員通過(guò)手動(dòng)選擇任一熱點(diǎn)作為控制，既可控制副線，又可有選擇地投入／切除東西環(huán)隙溫度控制，冷激氣控制。
?。?）由于觸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，以補(bǔ)償溫度的滯后。
5．3．2 合成塔冷激氣、環(huán)隙溫度控制
?。?）合成塔另有三個(gè)冷激氣控制回路分別調(diào)節(jié)三層觸媒溫度，東西兩個(gè)環(huán)隙溫度調(diào)節(jié)回路。
?。?）將合成塔的觸媒分布、各熱偶位號(hào)分布＼插人深度＼溫度值＼單位＼報(bào)警上下限設(shè)置和趨勢(shì)等在屏幕上顯示出來(lái)，方便操作。
5．3．3 安全聯(lián)鎖
針對(duì)放氨易出現(xiàn)超壓，控制設(shè)有氨庫(kù)超壓保護(hù)，即在氨庫(kù)未超壓時(shí)，放氨閥受氨分、冷激液位控制；當(dāng)氨庫(kù)壓力超壓時(shí)，氨分、冷激放氨閥緊急關(guān)閉，并聲光報(bào)警。同時(shí)把氨庫(kù)超壓聯(lián)鎖設(shè)置成普通操作員不允許修改級(jí)別。
6 尿素工段控制系統(tǒng)
6．1 系統(tǒng)配置
尿素系統(tǒng)設(shè)有控制站（FCS）2臺(tái)，操作員站3臺(tái)，工程師站1臺(tái)，打印站1臺(tái)。
6．2 控制要點(diǎn)
尿素系統(tǒng)控制要點(diǎn)是對(duì)尿素合成塔氨碳比、水碳比的控制。尿素工段整個(gè)控制主要圍繞減少原料損失，降低NH 耗、提高尿素產(chǎn)量和質(zhì)量，以及工藝的自控水平、方便生產(chǎn)管理等方面進(jìn)行。
以下僅介紹NH3／CO 控制、水碳比的控
制、CO 流量負(fù)荷控制和氧含量控制等內(nèi)容。
6．3 控制方法
6．3．1 NH3／CO2控制
NH3／CO2控制系統(tǒng)是一個(gè)“三串級(jí)一前饋一比值一純滯后補(bǔ)償”的綜合性復(fù)雜控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要控制參數(shù)是合成塔的氣相NH3／CO2和配料；副參數(shù)是進(jìn)人高壓系統(tǒng)的液氨流量和高壓氨泵的轉(zhuǎn)速；前饋信號(hào)是進(jìn)人尿素裝置的純干基CO2流量。對(duì)該控制系統(tǒng)，把NH3和CO2兩種物料聯(lián)系起來(lái)看，又有比值控制作用，以CO2為主動(dòng)物料，NH為從動(dòng)物料，一旦進(jìn)人尿素裝置的CO，量發(fā)生變化，就會(huì)造成總配料比失調(diào)，此時(shí)通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)液氨流量，來(lái)保證NH3／CO2控制在3．8～4．2。
6．3．2 水碳比控制
水碳比的控制是保持塔內(nèi)的溫度從下到上有一定的梯度，即采用合成塔水碳比單回路PID控制+前饋：用合成塔底部溫度為測(cè)量信號(hào)，同時(shí)用合成塔中部溫度、上部溫度的變化趨勢(shì)經(jīng)過(guò)計(jì)算得出參數(shù)作為前饋，調(diào)節(jié)一段甲氨泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)H2O／CO2為0．6～0．8。
6．3．3 CO2流量負(fù)荷控制
CO2流量負(fù)荷控制系統(tǒng)是一個(gè)帶有溫壓補(bǔ)償各種運(yùn)算的三串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在此控制系統(tǒng)中，CO2壓縮機(jī)的人口壓力為關(guān)鍵變量主參數(shù)。通過(guò)控制機(jī)組的轉(zhuǎn)數(shù)，改變進(jìn)人系統(tǒng)的CO2流量作為副參數(shù)。若壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)增加，CO2的流量也增加，而壓縮機(jī)的人口壓力則相應(yīng)減少，從而保證人口壓力恒定在一個(gè)期望值上。
6．3．4 氧含量控制
氧含量控制是一套前饋一串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。根據(jù)工藝要求氧含量以實(shí)際流量的CO2的0．8％。經(jīng)在線氧分析儀測(cè)得二者之差，確定進(jìn)人系統(tǒng)的空氣量，以達(dá)高壓系統(tǒng)防腐目的。
7 效果
以DCS系統(tǒng)作為現(xiàn)代化生產(chǎn)控制的核心，以O(shè)PC協(xié)議2．0為通訊標(biāo)準(zhǔn)，組建的生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)，在投人兩年多來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，控制指標(biāo)精確，達(dá)到預(yù)期效果，在生產(chǎn)中起到了顯著作用。
?。?）通過(guò)對(duì)關(guān)鍵影響過(guò)程的參數(shù)監(jiān)控，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)生產(chǎn)狀態(tài)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能及時(shí)做出反應(yīng)，減少非計(jì)劃停車次數(shù)。
（2）生產(chǎn)管理人員可利用適時(shí)的和歷史的數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)的工藝過(guò)程進(jìn)行在線分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)程運(yùn)行的規(guī)律，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量及質(zhì)量。
?。?）當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以利用適時(shí)的和歷史的數(shù)據(jù)，對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)的分析，明確發(fā)生的原因，以避免故障的再次發(fā)生。
?。?）DCS控制系統(tǒng)可以根據(jù)不同的生產(chǎn)狀況，進(jìn)行多回路的關(guān)聯(lián)控制，提高控制的準(zhǔn)確性和可靠性，顯著提高生產(chǎn)的效率。
8 結(jié)語(yǔ)
選用的DCS系統(tǒng)均由國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的軟、硬件組成，具備了硬軟件自診斷、權(quán)限保密和冗余等附屬功能，有較高的可靠性和實(shí)用性，且方便操作、提高生產(chǎn)效率，達(dá)到節(jié)能增效的目標(biāo)。
（轉(zhuǎn)載）
