合成氨工藝儀表選型及DCS自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐寧

（大慶石化工程有限公司，黑龍江大慶 163714）

0.引言

近年來，國內(nèi)合成氨行業(yè)發(fā)展速度較快，合成工藝制備的氨占總用量的80%。在科技不斷發(fā)展下，該項(xiàng)工藝不斷更新?lián)Q代，原料類型也不斷增加，如石油天然氣、潔凈煤等，利用煙煤、褐煤與含雜質(zhì)煤合成氨不但可滿足國內(nèi)生產(chǎn)的氨需求，還可促進(jìn)低質(zhì)量煤種利用率提升。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)注重儀表類型的選擇與DCS自控系統(tǒng)的創(chuàng)建，才可使合成氨工藝更加高效可靠。

1.合成氨工藝儀表選型

1.1 溫度儀表

在儀表選型時(shí)應(yīng)結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，確保所選儀表與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)需求相符合。以溫度儀表為例，在煤化工廠中應(yīng)用較為頻繁，較為常用的有熱電偶溫度計(jì)、熱電阻溫度計(jì)等，前者適用于高度低于500℃溫度內(nèi)，后者適用溫度超過500℃。為使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，還應(yīng)將溫度計(jì)放入保護(hù)管內(nèi)，通過法蘭連接后進(jìn)行使用。

1.2 壓力儀表

該類儀表主要對生產(chǎn)期間壓力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，因合成氨工藝涉及變換工段較多，且全部測點(diǎn)壓力值最大為3.67MPa。對此，最佳選擇為普通壓力變送器，但因該工藝中還存在有毒介質(zhì)、易結(jié)晶，故而管路內(nèi)壓力測量優(yōu)先選擇隔膜密封壓力器[1]。根據(jù)需要監(jiān)測位置的不同，還可在安裝常規(guī)壓力表的基礎(chǔ)上，再使用不銹鋼耐震壓力表，使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確客觀。

1.3 流量儀表

根據(jù)合成氨工藝，對流量儀表進(jìn)行科學(xué)選型，如流量變送器、節(jié)流裝置與各類流量計(jì)等。因使用工況不同，所選儀表類型與參數(shù)也有所區(qū)別。例如，在用于蒸汽流量變換工況時(shí)，優(yōu)選德爾塔流量計(jì)；用于管道直徑低于300mm、溫度低于500℃的蒸汽流量監(jiān)測時(shí)，優(yōu)選渦街路流量計(jì)；反之則選擇帶有節(jié)流效應(yīng)的流量變送器。

2.DCS自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

該系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)的集中分散控制系統(tǒng)，在工業(yè)中得到普及應(yīng)用。該系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)分為4層，即管理信息、過程控制、信息層以及I/O總線，組態(tài)內(nèi)容是根據(jù)60萬t合成氨和80萬t尿素項(xiàng)目的工藝流程，采集測量點(diǎn)，繪制流程圖，并完成圖形變成與系統(tǒng)供電等工作，軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試方法如下。

2.1 總體方案

根據(jù)合成氨工藝流程與規(guī)范要求，采用集散控制系統(tǒng)對操作期間涉及設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控，并設(shè)置專門的保護(hù)生產(chǎn)裝置，檢驗(yàn)有毒和可燃?xì)怏w。該項(xiàng)目的集散系統(tǒng)包括控制站、操作站、UPS等裝置構(gòu)成，可用于合成氨工藝流程集中監(jiān)控。根據(jù)該工藝由汽化到形成產(chǎn)品，共計(jì)要經(jīng)歷24個(gè)階段，要求集散系統(tǒng)對各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施監(jiān)控，并對相關(guān)參數(shù)與報(bào)警信息做好記錄。在合成工藝中，循環(huán)水利用PLC系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，對給水、脫鹽水等系統(tǒng)用常規(guī)儀表監(jiān)控，污水處理利用PLC控制器監(jiān)控，壓縮機(jī)組用ITCC系統(tǒng)監(jiān)控[2]。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量較多，且各個(gè)主項(xiàng)均單獨(dú)開展，針對變換工段進(jìn)行分析。在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)中，結(jié)合變換工段的相關(guān)條件，制作DCS監(jiān)控表，據(jù)統(tǒng)計(jì)工段內(nèi)共有198個(gè)點(diǎn)數(shù)。結(jié)合實(shí)際點(diǎn)數(shù)與控制要求，該系統(tǒng)包括操作站（2個(gè)）、控制站（2個(gè)）、工程師站（1個(gè)）、過程控制網(wǎng)絡(luò)（1個(gè)）。在接地設(shè)計(jì)方面，該系統(tǒng)與儀表接地可提高運(yùn)行安全性，因?yàn)楦鞑考鶠榈蛪号潆娤到y(tǒng)，應(yīng)遵循電氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)予以設(shè)計(jì)，最終與等電位共用接地網(wǎng)絡(luò)相連接；在供電設(shè)計(jì)方面，該系統(tǒng)包括儀表盤、變送器以及相關(guān)閥門等部件，聯(lián)鎖控制系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，單獨(dú)供電。在供電設(shè)計(jì)中還要考慮到冗余，如供電電源、UPS等，冗余電源選用雙回路電源為其提供電流。

2.2.2軟件設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目中變換工段檢測點(diǎn)數(shù)量較多，共有198個(gè)。其中，變送器（54臺）、鉑熱電阻信號（53個(gè)）、熱電偶信號（28個(gè)）、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥（34臺）。自動(dòng)化程度較高，控制回路多采用常規(guī)控制，個(gè)別為串級調(diào)控。全部關(guān)鍵回路均選擇冗余配置，并用浙大中控軟件予以組態(tài)。在系統(tǒng)配置方面，根據(jù)提示安裝軟件并登陸，用戶名默認(rèn)，選取組態(tài)文件的存放位置，再進(jìn)入到組態(tài)界面。在過程控制網(wǎng)絡(luò)Scnet設(shè)置節(jié)點(diǎn)內(nèi)的控制站、操作站組態(tài)內(nèi)，將該工段名稱與編號填入。該工段內(nèi)設(shè)定1個(gè)工程師站、2個(gè)操作站。例如，在4mA～20mA模擬輸入信號中，進(jìn)入變換爐之前變換氣壓力指示，位號為20PI-1001，卡件可選擇FW315-2路，再對測點(diǎn)組態(tài)。將位號輸入后，描述功能，選取模擬量輸入。因該測點(diǎn)只需指示功能即可，無需對參數(shù)、報(bào)警等選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)定[3]。

在報(bào)警回路組態(tài)控制方面，該工段共有33臺閥門，各個(gè)回路均采用單回路進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此該調(diào)節(jié)回路共由33個(gè)測點(diǎn)和閥門構(gòu)成。例如，在蒸汽流量指示調(diào)節(jié)報(bào)警中，結(jié)合工藝要求，當(dāng)壓力值為3.2MPa時(shí)為低壓報(bào)警，壓力達(dá)到3.6MPa時(shí)為高壓報(bào)警，選擇趨勢設(shè)置，可在軟件中完成。在流程圖組態(tài)方面，根據(jù)PID繪制而成，將設(shè)備與儀表信號連接后繪制圖表，將生產(chǎn)工藝直觀準(zhǔn)確的反應(yīng)出來。在流程圖繪制期間，應(yīng)準(zhǔn)確識別工藝與自控專用圖形符號，還應(yīng)掌握美工知識，例如在換熱器入口壓力調(diào)節(jié)回路中，先開啟流程圖繪制軟件SC DrawEx，采用庫中源文件與輔助工具，便可繪制相應(yīng)流程圖，在繪制完畢后編譯調(diào)試，便可投入到工程內(nèi)。

2.3 調(diào)試與驗(yàn)收

（1）開車步驟。首先，開啟煤氣廢熱鍋爐的預(yù)熱蒸汽閥門，對廢熱鍋爐進(jìn)行煮爐，當(dāng)蒸汽壓力提高到0.06MPa后停止操作；然后，檢查變換系統(tǒng)大閥與小副線閥門，聯(lián)系氣化工段預(yù)熱系統(tǒng)進(jìn)口總管，再排放空管低點(diǎn)倒淋。針對系統(tǒng)進(jìn)口氣體取樣分析后，開啟入口閥門，再關(guān)閉放空閥；對煤氣副線與鍋爐閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制變換爐進(jìn)口處的溫度；最后將廢鍋預(yù)熱蒸汽閥門閉合，開啟給水泵進(jìn)行鍋爐投運(yùn)。

（2）系統(tǒng)測試。在工廠驗(yàn)收測試方面，在變換工段內(nèi)檢驗(yàn)機(jī)柜內(nèi)部布線合理性，測試是否可順利通過。通常采取打點(diǎn)方式，針對I/O通道逐一打點(diǎn)。判斷現(xiàn)場數(shù)據(jù)能否依靠組態(tài)搜索到數(shù)據(jù)，由此判斷網(wǎng)絡(luò)正常型，還應(yīng)檢驗(yàn)是否依照工藝條件實(shí)施軟件設(shè)計(jì)；結(jié)合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)硬件配置是否完善；在SIS驗(yàn)收方面，包括應(yīng)用軟件、軟硬件檢測等，判斷邏輯控制器能否與設(shè)計(jì)要求相符，剩余情況與DCS內(nèi)容類似。

（3）應(yīng)用效果。在變換工段方面，根據(jù)工藝條件需求，該項(xiàng)目采取控制系統(tǒng)完成各工段生產(chǎn)與管理自控的目標(biāo)。通過運(yùn)行結(jié)果可知，該設(shè)計(jì)切實(shí)可行，可使系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行沒能夠滿足生產(chǎn)期間對集中管理、分散控制等方面的要求，取得理想效果。工程開車后，現(xiàn)場儀表均可正常運(yùn)行，自控運(yùn)行運(yùn)行良好，技術(shù)人員可在主控樓中對各個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，自控回路可自動(dòng)控制回路，使控制精度得到顯著提升，有效避免和預(yù)防人為因素引發(fā)的事故，促進(jìn)變換工段可靠穩(wěn)定運(yùn)行。在裝置使用期間，幾乎沒有發(fā)生因控制系統(tǒng)故障而停車的事故，且生產(chǎn)效率顯著提升，系統(tǒng)運(yùn)行更加良好。

3.結(jié)語

在化工行業(yè)發(fā)展中，合成氨工藝逐漸得到廣泛應(yīng)用，作為無極化工類產(chǎn)品，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)遵循工藝要求與技術(shù)規(guī)范，合理選擇儀表類型，并對各個(gè)工段獨(dú)立控制控制室，依靠DCS系統(tǒng)完成分散管理與集中控制目標(biāo)。根據(jù)應(yīng)用效果可知，工程開車后，現(xiàn)場儀表均可正常運(yùn)行，自控回路可自動(dòng)控制回路，生產(chǎn)效率顯著提升，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定高效。