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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(yīng)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(jī)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(diǎn)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(jī)會(huì)，對(duì)分散的控制系統(tǒng)及相關(guān)聯(lián)鎖進(jìn)行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)自控水平、強(qiáng)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(gè)最能反應(yīng)爐內(nèi)宏觀運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)，將造氣爐視作一個(gè)蓄熱的容器，運(yùn)用模糊控制和優(yōu)選法的原理，分析上、下行煤氣溫度的動(dòng)態(tài)變化帶來爐內(nèi)蓄熱狀況的變化，結(jié)合工藝控制規(guī)律，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，逐步使造氣爐達(dá)到單位時(shí)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(cè)。承擔(dān)由尋優(yōu)微機(jī)繼電器輸出控制閥門在每個(gè)步序是否開啟或關(guān)閉到位，分上檢測(cè)、下檢測(cè)和上下檢測(cè)；能實(shí)時(shí)監(jiān)控閥門動(dòng)作是否到位，并提供報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)記錄等功能，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)處理，確保造氣爐安全運(yùn)行。

(3) 聯(lián)鎖。配合尋優(yōu)微機(jī)能實(shí)現(xiàn)停爐與下灰操作聯(lián)鎖，確保造氣爐安全運(yùn)行。

1.2　脫碳系統(tǒng)

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

1.3　水處理系統(tǒng)

配備超濾、反滲透等水質(zhì)處理設(shè)備，含電導(dǎo)率、流量、壓力、壓力變送器、自動(dòng)取樣等自動(dòng)控制儀表?？刂葡到y(tǒng)由1臺(tái)西門子S7系列PLC、電動(dòng)閥等組成，可通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化控制及就地現(xiàn)場(chǎng)控制。

1.4　其他

目前除以上系統(tǒng)可全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行外，其他生產(chǎn)系統(tǒng)雖然也采用DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，但僅實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)指標(biāo)、系統(tǒng)運(yùn)行狀況及異常報(bào)警等參數(shù)的輸出，供操作人員生產(chǎn)時(shí)參考，操作人員可根據(jù)反饋的信息手動(dòng)輸入控制指令，對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。由于存在自動(dòng)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(shè)、聯(lián)鎖方面需進(jìn)一步優(yōu)化。

2新增自控措施

2.1　蒸汽自調(diào)回路

實(shí)現(xiàn)入爐蒸汽自動(dòng)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(jié)合DCS控制系統(tǒng)，可實(shí)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(cè)及控制部分組成。

控制系統(tǒng)根據(jù)造氣DCS系統(tǒng)設(shè)置上吹實(shí)際時(shí)間A、上吹蒸汽調(diào)節(jié)時(shí)間B、下吹實(shí)際時(shí)間C、下吹調(diào)節(jié)時(shí)間D。投入運(yùn)行后，裝置在上吹階段時(shí)間運(yùn)行到B和D步序時(shí)，分別由控制微機(jī)系統(tǒng)階段性輸出信號(hào)，入爐蒸汽調(diào)節(jié)閥勻速關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)入爐蒸汽量逐漸減少，使?fàn)t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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)化以及合成氨工藝的安全控制系統(tǒng)改造要求，對(duì)本崗位的重點(diǎn)設(shè)備羅茨風(fēng)機(jī)設(shè)置2套安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，其中：壓縮機(jī)運(yùn)行保護(hù)聯(lián)鎖系統(tǒng)主要是控制出現(xiàn)下游的氫氮壓縮機(jī)一段入口壓力低于最低限壓力情況時(shí)，氫氮壓縮機(jī)主動(dòng)停止運(yùn)行；氣柜防抽負(fù)壓保護(hù)聯(lián)鎖系統(tǒng)主要是控制出現(xiàn)上游氣柜處于最低限儲(chǔ)量而羅茨風(fēng)機(jī)依然在運(yùn)行、存在氣柜抽癟風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，羅茨風(fēng)機(jī)主動(dòng)停止運(yùn)行。2套安全聯(lián)鎖系統(tǒng)互相配合，當(dāng)其中任意聯(lián)鎖系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)，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(yīng)用于磷復(fù)肥生產(chǎn)，當(dāng)磷復(fù)肥生產(chǎn)負(fù)荷增大時(shí)，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(dòng)備用液氨蒸發(fā)器。由于磷復(fù)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(shè)置了專人負(fù)責(zé)該裝置操作。為此，對(duì)該液氨蒸發(fā)器進(jìn)行改造，配置蒸發(fā)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)外送氣氨壓力波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自行對(duì)蒸汽量以及液氨進(jìn)入量等參數(shù)進(jìn)行修正，保證工藝參數(shù)的穩(wěn)定及裝置安全運(yùn)行。液氨蒸發(fā)自動(dòng)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(duì)裝置關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)鎖。主要是在裝置嚴(yán)重超壓、超溫運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)聯(lián)鎖進(jìn)、出口閥門關(guān)閉，并啟動(dòng)放空系統(tǒng)、停止相關(guān)循環(huán)機(jī)等關(guān)鍵設(shè)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(yùn)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(jìn)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(hào)，在反應(yīng)負(fù)荷加減時(shí)，通過此前饋信號(hào)改變?cè)蠚饬髁康脑O(shè)定值，使原料氣的氣汽比符合工藝要求，保證變換反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行。變換爐熱點(diǎn)溫度控制原理示意見圖4。

圖4　變換爐熱點(diǎn)溫度控制控制原理示意

2.6　氫氮比自調(diào)回路(計(jì)劃增設(shè))

原料氣氫氮比調(diào)節(jié)系統(tǒng)由生產(chǎn)過程、微機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)四大部分組成，形成一個(gè)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(hào)，通過前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將信號(hào)送入氫氮比調(diào)節(jié)器接口；總輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，向造氣DCS控制系統(tǒng)尋優(yōu)微機(jī)發(fā)出控制吹風(fēng)階段純加氮時(shí)間(單設(shè))和上吹加氮時(shí)間，以進(jìn)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(jī)會(huì)，在裝置現(xiàn)場(chǎng)增設(shè)視頻監(jiān)控點(diǎn)，對(duì)各分散的控制站進(jìn)行集中搬遷匯總，進(jìn)一步利用DCS控制系統(tǒng)的各大優(yōu)點(diǎn)，設(shè)立DCS集中控制大廳，配置視頻監(jiān)控墻、集中操作平臺(tái)、巡檢對(duì)講系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)源，達(dá)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(dá)簡(jiǎn)潔有效，并且提高了控制過程的效率、降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度及生產(chǎn)的用工成本。控制中心主要人員配置見表1(三廢硫化混燃爐指綜合利用造氣吹風(fēng)氣、造氣爐爐渣、合成弛放氣3個(gè)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(shí)現(xiàn)三班倒連續(xù)生產(chǎn)制度。

4結(jié)語

DCS控制系統(tǒng)可有效地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置的自動(dòng)化生產(chǎn)、保證生產(chǎn)裝置正常穩(wěn)定運(yùn)行、減少消耗、降低生產(chǎn)成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、確保安全生產(chǎn)，尤其在合成氨生產(chǎn)這樣一個(gè)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(yuǎn)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(jí)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(shì)更加突出。

(收到修改稿日期2015- 11- 16)