氨合成危險工藝自動化控制改造的設計及探討

吳建穎WU Jian-ying

（河北華飛科技咨詢有限責任公司，石家莊 050091）

（Hebei Huafei Technology Consulting Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050091，China）

1 改造的必要性

氨合成工段原料氣中含有氫氣，生產(chǎn)的產(chǎn)品為液氨，均屬于易燃易爆物質，可與空氣混合形成爆炸性混合物，這些物質發(fā)生泄漏，遇明火、電氣火花、靜電火花都發(fā)生火災爆炸的危險。合成反應一般都為高溫、高壓，可使易燃易爆物質的爆炸極限擴大，增大了爆炸的危險性。如果氣體高速馳放，可以在管口因摩擦產(chǎn)生靜電聚集，瞬時產(chǎn)生高能量放電，造成著火爆炸。氨合成工段在放氨時，高低壓系統(tǒng)同時存在彼此緊密相連，如果放氨操作失誤或其它設備原因，極易造成高壓氣體竄入低壓系統(tǒng)，引起低壓系統(tǒng)超壓爆炸，并將導致大量氨泄漏，造成人員中毒，同時泄漏的氨有可能造成二次爆炸。高溫高壓可加速設備金屬材料發(fā)生蠕變、改變金相組織，還會加劇氫氣、氮氣對鋼材的氫蝕及氮滲，加劇設備的疲勞腐蝕，使其機械強度減弱，發(fā)生物料爆炸。在合成氨的生產(chǎn)中存在許多的危險因素，在生產(chǎn)活動中，如果不能對裝置進行較好的控制和改造，則容易發(fā)生安全事故，不僅會使企業(yè)的經(jīng)濟效益受損，同時也會造成人員傷亡，無論是對化工企業(yè)自身，還是對員工來說，都要付出巨大的經(jīng)濟和精神代價，因此，對氨合成工段進行自動化控制工藝改造是十分必要的。

2 改造方案

2.1 氨合成工段工藝流程敘述 循環(huán)機送來的經(jīng)過循環(huán)氣油器除去油沫、水霧的循環(huán)氣，在冷交換器換熱后，與壓縮工段來經(jīng)補充氣油分后的補充氣混合進入氨冷器，氣體走盤管內(nèi)，液氨在管外吸熱蒸發(fā)，以冷卻管內(nèi)氣體，使氣體中的氣氨冷凝為液氨，同時氣體中所含的一部分油、CO2、CH4和Ar 也溶于液氨中，氨冷器管內(nèi)氣體被冷卻至約為-5～-20℃，進入冷交換器下部的分離器，完成液氨的分離過程，同時分離出一部分液氨；經(jīng)除氨后冷氣體至上部換熱器管間與管內(nèi)氣體換熱回收冷量，溫度升20℃左右，從冷交換器上部出口流出進入塔前預熱器。

在塔前預熱器中與來自水加熱器的氣體進行熱交換，提高溫度至90℃左右，氣體分成五股，其主氣流通過主氣閥從塔頂入塔，沿內(nèi)外筒環(huán)隙下行，以冷卻和保護外筒，進入下部換熱器進行預熱，再經(jīng)下部中心管進入中部（二、三段間）換熱器加熱至370℃，經(jīng)中心管進入一段觸媒，另外有四股氣體分別經(jīng)四條付線入塔。一條付線進入的氣體在下部換熱器出口與主線進入的氣體混合可調(diào)節(jié)四段溫度，一條付線調(diào)節(jié)零米觸媒的溫度。一條付線冷氣下降進入菱形分布器，冷卻一段出口氣體，被加熱后的氣體經(jīng)升氣管入一段入口與中心管出來的中部換熱器主氣流混合一起進入一段觸媒層，另外一股氣體進入上部換熱器，調(diào)節(jié)三段觸媒層的溫度。經(jīng)中心管來的氣體與塔頂?shù)膬晒蓺怏w混合后，經(jīng)過一段觸媒反應，依次經(jīng)菱形分布器、進入二段觸媒層反應；經(jīng)上部換熱器換熱，在三段觸媒層反應；經(jīng)中部換熱器換熱，在四段觸媒層反應，最后經(jīng)下部換熱器降溫至290～330℃出合成塔。出合成塔的氣體進入廢熱鍋爐換熱，溫度降至190℃，副產(chǎn)蒸汽送蒸汽管網(wǎng)。

由廢鍋出來的氣體進入水加熱器，加熱由變換來熱水至120℃，本身被降至120～130℃左右，進入塔前預熱器，預熱進塔氣體90℃左右，然后進入噴淋式水冷卻器，氣體溫度降至20～35℃，再進入氨分離器，進一步降溫至10～15℃，使出塔氣體中氣氨部分冷凝成液氨，分離部分液氨后，剩余的大部分氫氮氣及氨氣等進入循環(huán)機加壓，經(jīng)循環(huán)氣油分后與精煉氣繼續(xù)下一循環(huán)。

氣體在循環(huán)過程中，氣體中的惰性氣組分不斷積累，為保證氨反應良好，需設置放空，因此在流程中設置放空管線，塔前設在循環(huán)機油分后，塔后設在氨分離器后。

冷交換器、氨分離器分離下來的液氨經(jīng)放氨閥，減壓至1.6MPa 左右送氨站。

氨冷蒸發(fā)后的氣氨經(jīng)頂部除沫分離器分離掉液氨霧后經(jīng)氣氨總管送入冰機系統(tǒng)。

2.2 原有系統(tǒng)控制方式：由于歷史原因，我國一些合成氨企業(yè)大部分還是20 世紀70年代建成的工廠，很多企業(yè)的工藝控制過程還是操作人員手動操作，PLC 系統(tǒng)監(jiān)控重點操作參數(shù)，沒有實現(xiàn)自動化控制和調(diào)節(jié)，不能滿足安全生產(chǎn)的求。

2.3 改造過程采用的自動控制

2.3.1 溫度顯示報警及調(diào)節(jié) ①合成氨塔塔壁設置三個溫度監(jiān)測高限報警點，隨時監(jiān)測不同段塔壁溫度，以保證合成塔的安全運行。②合成氨觸媒層設熱點溫度指示報警點，監(jiān)測合成塔內(nèi)的反應。當溫度超過熱點溫度±5℃時，啟動報警。合成塔進料管線上安裝程控閥，遠程手動調(diào)節(jié)的合成塔的進料量和冷激線氣體流量以控制各觸媒層溫度。③合成塔出口、各個換熱器進出口溫度顯示。

2.3.2 壓力顯示報警及調(diào)節(jié) ①氨合成塔進出口設壓力指示和壓差高限報警，當合成塔進口壓力超過設定值1MPa 時，DCS 系統(tǒng)發(fā)出報警，并手動打開氨分離器出口放空閥，防止系統(tǒng)超壓，同時合成塔進出口壓差超過設定值DCS 系統(tǒng)發(fā)出報警。②廢鍋蒸汽管線上設置壓力自動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)廢熱鍋爐的壓力并設蒸汽壓力高、低限報警，以保證廢熱鍋爐的安全運行。③氨冷器壓力高限報警以保證氨冷卻器的安全運行。

2.3.3 在線分析 ①合成裝置新鮮補充氣管道上安裝CO+CO2+H2在線分析儀，以保證合成反應的良好地進行防止合成催化中毒。②合成裝置循環(huán)氣管道上安裝CH4+H2在線分析儀，以防止惰性氣不斷積累影響合成反應的速率。③合成裝置合成塔進氣管線上安裝NH3在線分析儀，防止進塔氣帶氨造成合成塔溫度驟降。

2.3.4 液位調(diào)節(jié) ①設置氨分離器液位自動調(diào)節(jié)閥，液位高、低限報警，防止高壓氣體進入低壓液氨儲存系統(tǒng)。②設置冷交換器液位自動調(diào)節(jié)閥，液位高、低限報警，防止高壓氣體進入低壓液氨儲存系統(tǒng)。③設置廢熱鍋爐液位自動調(diào)節(jié)閥，液位高、低限報警，以保證廢熱鍋爐的安全運行。④設置氨冷器液位自動調(diào)節(jié)閥，液位高、低限報警，以保證氨冷器的安全運行。

2.3.5 流量顯示調(diào)節(jié) ①合成裝置循環(huán)機的進出口設副線，采用程控閥遠程控制循環(huán)氣流量以調(diào)節(jié)合成塔的溫度壓力。②合成裝置設有系統(tǒng)大副線，采用程控閥遠程控制循環(huán)氣流量以調(diào)節(jié)合成塔的溫度壓力。③合成裝置合成塔進口管線設置在線流量計，監(jiān)控進入合成塔不同部位的氣體流量。

2.3.6 安全泄放系統(tǒng) ①氨冷凝器、軟水加熱器、廢熱鍋爐等高壓設備均設置安全閥，防止高壓氣體泄漏到低壓空間造成物理爆炸。②正常運行中合成塔前后的氫氮氣系統(tǒng)放空管線設置程控閥，放空氣去氫回收系統(tǒng)。③循環(huán)機出口管設安全閥和緊急放空管。

2.3.7 可燃有毒氣體檢測 設置可燃、有毒氣體檢測報警裝置。

3 結論

本論文在原有生產(chǎn)控制系統(tǒng)的基礎上，引進合成氨裝置溫度、壓力、液位報警、增設自動調(diào)節(jié)裝置，遠程手控裝置、在線氣體分析，并要求在相關場所增設可燃、有毒氣體檢測報警裝置，大大提高了合成工段運行的安全可靠性，對提高企業(yè)的安全生產(chǎn)管理水平、防止及控制事故發(fā)生，乃至減輕作業(yè)人員的工作、勞動強度起到了積極作用。

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