DCS控制系統(tǒng)在40 kt/a合成氨聯(lián)醇裝置中的應用

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DCS控制系統(tǒng)在40 kt/a合成氨聯(lián)醇裝置中的應用

王磊

威海恒邦化工有限公司

山東威海264501)

威海恒邦化工有限公司現(xiàn)有1套40 kt/a合成氨聯(lián)醇裝置，采用變壓吸附工藝和非等壓醇烷化工藝。雖然該裝置各系統(tǒng)配置了DCS控制系統(tǒng)，例如：造氣系統(tǒng)的尋優(yōu)微機優(yōu)化控制系統(tǒng)、脫碳系統(tǒng)的變壓吸附控制系統(tǒng)等，但存在控制點分散、控制聯(lián)鎖水平低、系統(tǒng)需要優(yōu)化等弊端。為此，決定利用檢修機會，對分散的控制系統(tǒng)及相關聯(lián)鎖進行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)自控水平、強化安全生產(chǎn)、降低用工成本。

1原有自控現(xiàn)狀

1.1　造氣系統(tǒng)

(1) 尋優(yōu)控制站。充分利用造氣爐上、下行煤氣溫度這2個最能反應爐內(nèi)宏觀運行狀態(tài)的參數(shù)，將造氣爐視作一個蓄熱的容器，運用模糊控制和優(yōu)選法的原理，分析上、下行煤氣溫度的動態(tài)變化帶來爐內(nèi)蓄熱狀況的變化，結合工藝控制規(guī)律，對控制參數(shù)進行優(yōu)化，逐步使造氣爐達到單位時間內(nèi)蓄熱能力最大、熱損最小、穩(wěn)定性最高的生產(chǎn)狀態(tài)。

(2) 閥位檢測。承擔由尋優(yōu)微機繼電器輸出控制閥門在每個步序是否開啟或關閉到位，分上檢測、下檢測和上下檢測；能實時監(jiān)控閥門動作是否到位，并提供報警和歷史數(shù)據(jù)記錄等功能，發(fā)現(xiàn)異常情況及時處理，確保造氣爐安全運行。

(3) 聯(lián)鎖。配合尋優(yōu)微機能實現(xiàn)停爐與下灰操作聯(lián)鎖，確保造氣爐安全運行。

1.2　脫碳系統(tǒng)

脫碳系統(tǒng)采用變壓吸附技術對原料氣進行凈化，主要硬件有8臺吸附塔、72只程序控制閥、2只流量計，主要軟件有控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)和流量計量系統(tǒng)，彼此之間通過工藝、儀表管線連接構成，可隨時切除故障塔進行檢修，可實現(xiàn)8臺塔運行或7臺塔運行之間的切換。該控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)靠周期性地進行閥門切換來實現(xiàn)，為實現(xiàn)整個過程穩(wěn)定連續(xù)，要求自動控制水平極高，整個過程的完成基本在程序控制下實現(xiàn)；人工操作極少，主要對吸附周期進行修正。該系統(tǒng)主要包括：自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、手動參數(shù)修正系統(tǒng)及運行程序控制系統(tǒng)各1套。運行程序控制系統(tǒng)按照預先設置的運行方式輸出4～20 mA直流信號，經(jīng)過電磁先導閥進行信號切換，并由功率放大器放大后驅(qū)動程序控制閥，可實現(xiàn)裝置自動化運行。

1.3　水處理系統(tǒng)

配備超濾、反滲透等水質(zhì)處理設備，含電導率、流量、壓力、壓力變送器、自動取樣等自動控制儀表?？刂葡到y(tǒng)由1臺西門子S7系列PLC、電動閥等組成，可通過人機界面實現(xiàn)全程自動化控制及就地現(xiàn)場控制。

1.4　其他

目前除以上系統(tǒng)可全部實現(xiàn)自動化運行外，其他生產(chǎn)系統(tǒng)雖然也采用DCS控制系統(tǒng)進行操作，但僅實現(xiàn)了生產(chǎn)指標、系統(tǒng)運行狀況及異常報警等參數(shù)的輸出，供操作人員生產(chǎn)時參考，操作人員可根據(jù)反饋的信息手動輸入控制指令，對生產(chǎn)狀態(tài)進行調(diào)整。由于存在自動化控制回路少、控制繁瑣、工藝控制狀態(tài)偏離最優(yōu)狀態(tài)及配備人員數(shù)量多等弊端，故在智能協(xié)調(diào)控制以及控制回路增設、聯(lián)鎖方面需進一步優(yōu)化。

2新增自控措施

2.1　蒸汽自調(diào)回路

實現(xiàn)入爐蒸汽自動調(diào)節(jié)，可有效地解決制氣階段后期爐溫下降快、蒸汽分解率低、熱量損失大、消耗高等弊端。該系統(tǒng)選用“可調(diào)程、可調(diào)速油壓調(diào)節(jié)裝置”結合DCS控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)入爐蒸汽階段性遞減節(jié)能自調(diào)，主要由可調(diào)程電磁閥、可調(diào)速油缸、自控閥門、閥位檢測及控制部分組成。

控制系統(tǒng)根據(jù)造氣DCS系統(tǒng)設置上吹實際時間A、上吹蒸汽調(diào)節(jié)時間B、下吹實際時間C、下吹調(diào)節(jié)時間D。投入運行后，裝置在上吹階段時間運行到B和D步序時，分別由控制微機系統(tǒng)階段性輸出信號，入爐蒸汽調(diào)節(jié)閥勻速關閉，實現(xiàn)入爐蒸汽量逐漸減少，使爐內(nèi)蒸汽趨于穩(wěn)定，爐溫降低少，蒸汽分解率保持在較高的水平。裝置自投用以來，消耗指標表明效果較好。入爐蒸汽自調(diào)回路控制原理示意見圖1。

圖1　入爐蒸汽自調(diào)回路控制原理示意

2.2　半脫安全控制回路

根據(jù)安全標準化以及合成氨工藝的安全控制系統(tǒng)改造要求，對本崗位的重點設備羅茨風機設置2套安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，其中：壓縮機運行保護聯(lián)鎖系統(tǒng)主要是控制出現(xiàn)下游的氫氮壓縮機一段入口壓力低于最低限壓力情況時，氫氮壓縮機主動停止運行；氣柜防抽負壓保護聯(lián)鎖系統(tǒng)主要是控制出現(xiàn)上游氣柜處于最低限儲量而羅茨風機依然在運行、存在氣柜抽癟風險時，羅茨風機主動停止運行。2套安全聯(lián)鎖系統(tǒng)互相配合，當其中任意聯(lián)鎖系統(tǒng)觸發(fā)時，均可保證生產(chǎn)裝置處于安全停車狀態(tài)，避免發(fā)生安全事故，確保操作人員的安全。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)示意見圖2。

圖2　安全聯(lián)鎖系統(tǒng)示意

2.3　液氨蒸發(fā)調(diào)節(jié)聯(lián)鎖系統(tǒng)

威海恒邦化工有限公司生產(chǎn)的液氨主要應用于磷復肥生產(chǎn)，當磷復肥生產(chǎn)負荷增大時，僅靠合成工段氨冷器產(chǎn)生的氣氨量難以滿足生產(chǎn)的要求，需要啟動備用液氨蒸發(fā)器。由于磷復肥生產(chǎn)需要壓力穩(wěn)定的氣氨源，液氨蒸發(fā)器的壓力、液位、溫度調(diào)節(jié)過于頻繁，故設置了專人負責該裝置操作。為此，對該液氨蒸發(fā)器進行改造，配置蒸發(fā)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當外送氣氨壓力波動時，系統(tǒng)自行對蒸汽量以及液氨進入量等參數(shù)進行修正，保證工藝參數(shù)的穩(wěn)定及裝置安全運行。液氨蒸發(fā)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意見圖3。

圖3　液氨蒸發(fā)調(diào)節(jié)聯(lián)鎖系統(tǒng)示意

該液氨蒸發(fā)調(diào)節(jié)聯(lián)鎖系統(tǒng)涉及到壓力-流量、液位-流量以及壓力-液位-流量之間互相銜接和聯(lián)鎖。

2.4　合成安全聯(lián)鎖回路

合成安全聯(lián)鎖回路與半脫聯(lián)鎖類似，也是從安全操作、安全生產(chǎn)角度出發(fā)，對裝置關鍵點進行聯(lián)鎖。主要是在裝置嚴重超壓、超溫運行時，自動聯(lián)鎖進、出口閥門關閉，并啟動放空系統(tǒng)、停止相關循環(huán)機等關鍵設備。

2.5　變換爐一段出口氣體溫度調(diào)節(jié)回路

變換爐一段運行壓力基本穩(wěn)定，在穩(wěn)定生產(chǎn)水汽量的情況下，調(diào)節(jié)回路的被控變量為出口溫度，原料氣的流量成為控制變量，兩者進行聯(lián)鎖，形成出口氣體溫度-原料氣流量的調(diào)節(jié)回路。引入原料氣流量作為前饋信號，在反應負荷加減時，通過此前饋信號改變原料氣流量的設定值，使原料氣的氣汽比符合工藝要求，保證變換反應穩(wěn)定進行。變換爐熱點溫度控制原理示意見圖4。

圖4　變換爐熱點溫度控制控制原理示意

2.6　氫氮比自調(diào)回路(計劃增設)

原料氣氫氮比調(diào)節(jié)系統(tǒng)由生產(chǎn)過程、微機系統(tǒng)、信號檢測和執(zhí)行機構四大部分組成，形成一個閉路循環(huán)調(diào)節(jié)。從氣柜、脫碳、合成3處引入在線氫分析儀信號，通過前置放大器對信號進行轉化，將信號送入氫氮比調(diào)節(jié)器接口；總輸出信號為脈沖信號，向造氣DCS控制系統(tǒng)尋優(yōu)微機發(fā)出控制吹風階段純加氮時間(單設)和上吹加氮時間，以進行氫氮比調(diào)節(jié)。

3生產(chǎn)控制模式

通過采取以上措施，合成氨聯(lián)醇生產(chǎn)裝置的自控水平得到很大提高，考慮到現(xiàn)各崗位控制站分布于生產(chǎn)裝置內(nèi)部，不符合合成氨安全生產(chǎn)的基本要求，而且存在生產(chǎn)人員配置過多、用工成本高等問題，威海恒邦化工有限公司決定借此次檢修改造機會，在裝置現(xiàn)場增設視頻監(jiān)控點，對各分散的控制站進行集中搬遷匯總，進一步利用DCS控制系統(tǒng)的各大優(yōu)點，設立DCS集中控制大廳，配置視頻監(jiān)控墻、集中操作平臺、巡檢對講系統(tǒng)等，實現(xiàn)人員遠離危險源，達到符合安全、快捷生產(chǎn)的要求。

人員配置較改造前減少15～20人，指令的傳達簡潔有效，并且提高了控制過程的效率、降低操作人員的勞動強度及生產(chǎn)的用工成本?？刂浦行闹饕藛T配置見表1(三廢硫化混燃爐指綜合利用造氣吹風氣、造氣爐爐渣、合成弛放氣3個部分熱量副產(chǎn)過熱蒸汽的裝置)。

表1　控制中心主要人員配置

注：人員實現(xiàn)三班倒連續(xù)生產(chǎn)制度。

4結語

DCS控制系統(tǒng)可有效地實現(xiàn)生產(chǎn)裝置的自動化生產(chǎn)、保證生產(chǎn)裝置正常穩(wěn)定運行、減少消耗、降低生產(chǎn)成本、減輕勞動強度、確保安全生產(chǎn)，尤其在合成氨生產(chǎn)這樣一個高溫高壓、易燃易爆、有毒有害、連續(xù)性生產(chǎn)的作業(yè)環(huán)境中，需要DCS控制系統(tǒng)聯(lián)鎖、循環(huán)、遠程控制的地方還有很多，例如：變換爐出口CO含量與氣汽比的串級調(diào)節(jié)、合成塔床層溫度聯(lián)鎖控制系統(tǒng)、惰性氣采樣含量控制系統(tǒng)、余熱回收鍋爐蒸汽壓力及液位聯(lián)鎖控制等，此方面的改造均可有效地提高自控水平，使DCS控制系統(tǒng)的優(yōu)勢更加突出。

(收到修改稿日期2015- 11- 16)