金治東

(湖北三寧化工股份有限公司, 湖北枝江 443200)

湖北三寧化工股份有限公司尿素裝置產(chǎn)能達(dá)到80萬t/a，所采用的智能化設(shè)備達(dá)到20 000余臺。從目前的過程控制情況來看，以比例積分單回路控制(PID)為主的常規(guī)控制策略難以達(dá)到理想的控制效果，裝置的生產(chǎn)操作部分依賴人工經(jīng)驗，存在操作不及時、調(diào)節(jié)幅度不匹配等問題，難以較好地克服系統(tǒng)波動和外界干擾，而且不同班組的操作習(xí)慣和操作方法仍有顯著差異。

采用先進(jìn)過程控制(APC)技術(shù)中的多變量預(yù)測控制器，其能根據(jù)裝置的工藝特點(diǎn)，實現(xiàn)裝置全流程或部分單元的多變量綜合閉環(huán)控制，達(dá)到穩(wěn)定操作、“卡邊”生產(chǎn)等目的，為化工企業(yè)智能工廠建設(shè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定了基礎(chǔ)[1]。

1 工藝流程

尿素合成裝置工藝流程見圖1。

圖1 尿素合成裝置工藝流程

尿素工藝生產(chǎn)大致分為四步:(1)通過液氨泵將液氨和CO2氣體按照比例在反應(yīng)器內(nèi)壓縮；(2)在反應(yīng)器高壓和一定溫度下合成尿素；(3)將未反應(yīng)的氨和CO2進(jìn)行回收和循環(huán)利用；(4)蒸發(fā)造粒產(chǎn)出高濃度的尿素顆粒[2]。尿素合成裝置的轉(zhuǎn)化率可達(dá)95%～98%。

2 過程控制現(xiàn)狀分析

尿素合成裝置屬于生產(chǎn)末端裝置，進(jìn)氣的流量受機(jī)組出口控制，且來料流量存在較大波動。尿素裝置(尿素合成與分離)生產(chǎn)過程包括：原料氨和CO2的壓縮、合成尿素和CO2的汽提、甲銨的中低壓分解和回收、尿液的蒸發(fā)和造粒、產(chǎn)品的包裝與儲存等工序。同時，整個裝置及關(guān)聯(lián)單元屬于多變量耦合系統(tǒng)，在生產(chǎn)操作過程中需要克服變量間的強(qiáng)耦合特性，以保持裝置間及各單元操作內(nèi)部的物料平衡和能量平衡，基于人工經(jīng)驗的過程控制難以確保裝置的平穩(wěn)運(yùn)行和節(jié)能降耗，操作難度較大。另外，由于各班組操作習(xí)慣不同，因此控制品質(zhì)也存在一定的差異。

2.1 氨碳比的控制

池式反應(yīng)器液相出口物料的氨碳比是裝置反應(yīng)轉(zhuǎn)換率的重要指標(biāo)之一，控制好該指標(biāo)對整個裝置的穩(wěn)定、節(jié)能降耗及延長設(shè)備生命周期均有好處，但該指標(biāo)對反應(yīng)轉(zhuǎn)換率的體現(xiàn)滯后性較大，很難直接根據(jù)氨碳比分析儀判斷當(dāng)前反應(yīng)器反應(yīng)轉(zhuǎn)換率。根據(jù)氨碳比調(diào)整氨進(jìn)料容易造成氨碳比繞大彎式上下波動，破壞裝置反應(yīng)平衡，對下游精餾、中壓吸收、低壓吸收工序造成不穩(wěn)定影響，同時CO2進(jìn)料負(fù)荷波動較大，又對氨碳比的穩(wěn)定造成影響[3]。

2.2 CO2氣體中氧含量控制

為了減輕設(shè)備的腐蝕問題，需要在CO2進(jìn)料中增加部分O2,因此需要補(bǔ)充空氣進(jìn)料量。空氣中的氧含量占比為固定值，由于CO2進(jìn)料中H2含量太高，空氣中的O2與H2反應(yīng)而無法達(dá)到有效防腐蝕的目的。太多的空氣進(jìn)料量會影響進(jìn)料中CO2的含量，進(jìn)而影響反應(yīng)效率。目前，通過操作人員無法做到根據(jù)CO2進(jìn)氣中O2含量及時改變通入的空氣量，影響設(shè)備防腐效果。

2.3 反應(yīng)器液位控制

為保證反應(yīng)正常進(jìn)行，需要控制池式反應(yīng)器液位和汽提塔液位在一定合理范圍內(nèi)，既要保證足夠的液相物料，又不能液位太高失去可調(diào)空間。池式反應(yīng)器出口閥門主要保證在液位不超標(biāo)的情況下根據(jù)CO2進(jìn)料負(fù)荷做出調(diào)整，造成反應(yīng)器液位波動較大，影響反應(yīng)穩(wěn)定。池式反應(yīng)器液位受到來自高壓甲銨泵液相進(jìn)料和液氨進(jìn)料量變化影響，其調(diào)整對后續(xù)汽提塔及中壓系統(tǒng)各設(shè)備液位均產(chǎn)生影響，產(chǎn)生多變量耦合影響[4]。

3 APC策略

3.1 多變量預(yù)測控制技術(shù)

首先，多變量預(yù)測控制技術(shù)通過APC服務(wù)器采集尿素裝置整個回路數(shù)據(jù)，再通過APC軟件將所用數(shù)據(jù)導(dǎo)入；其次，選取所需要的數(shù)據(jù)段，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，基于數(shù)據(jù)算法建立相關(guān)控制器模型和測試，設(shè)計畫面，切換邏輯；最后，投運(yùn)控制器，調(diào)試上線。此次尿素裝置采用了2個控制器，即分離控制器和合成控制器，對18條回路進(jìn)行控制分析，針對一些老舊、精確度不高的儀表設(shè)備，在進(jìn)行了現(xiàn)場整改之后，使其滿足APC投入的條件[5]。

3.2 尿素合成先進(jìn)控制器控制策略

為了使尿素裝置平穩(wěn)運(yùn)行，APC設(shè)計將從界區(qū)物料平衡、裝置內(nèi)物料傳遞平衡和能量平衡及產(chǎn)品質(zhì)量控制方面出發(fā)，對裝置簡單回路進(jìn)行參數(shù)整定，統(tǒng)籌設(shè)計酸脫裝置出CO2流量和解吸塔壓力控制穩(wěn)定CO2進(jìn)尿素裝置流量，控制各設(shè)備液位穩(wěn)定達(dá)到物料傳遞平衡，穩(wěn)定蒸汽冷凝液各汽包壓力，減少熱源對能量平衡的影響，對CO2進(jìn)料氧含量、反應(yīng)器液位、氨碳比等主控參數(shù)進(jìn)行先進(jìn)控制器設(shè)計，根據(jù)實際調(diào)研和數(shù)據(jù)分析，共設(shè)計尿素合成先進(jìn)控制器和尿素分離先進(jìn)控制器2個控制器,實現(xiàn)尿素整體裝置的先進(jìn)控制。

3.2.1 池式反應(yīng)器氨碳比控制

建立N/C分析儀(AT_062301.PV)與去汽提塔CO2流量(FT_061101.PV)、池式反應(yīng)器來尿液溫度(TT_062104.PV)、池式反應(yīng)器氣相溫度(TT_062111.PV)、液氨流量修正值(FIC_061202.SV)、去汽提塔CO2壓力(PT_061101.PV)、池式反應(yīng)器管束溫差(TDT_065102.PV)的多變量預(yù)測控制模型。

3.2.2 CO2氣體中氧含量控制

建立CO2進(jìn)量(FT_061101.PV)、CO2進(jìn)氣中氧含量(AT_061101.PV)、空氣進(jìn)量(FIC_061102.SV)的多變量預(yù)測模型，根據(jù)CO2進(jìn)料中氧含量及時調(diào)整空氣進(jìn)量，為避免空氣進(jìn)量過多影響CO2含量，對空氣盡量做好上限限幅，保證一定范圍內(nèi)氧含量合理可控。

3.2.3 池式反應(yīng)器液位控制

建立池式反應(yīng)器液位(LT_062101.PV)與尿素第一蒸發(fā)器頂部液位槽進(jìn)反應(yīng)器調(diào)節(jié)閥門(LV_065201)/反應(yīng)器氣相出口溫度(TT_062111.PV)、反應(yīng)器管束溫差(TDT_065102.PV)、去第一蒸發(fā)器氨水流量(FT_064111_1.PV)、CO2進(jìn)汽提塔流量(FT_061101.PV)、池式反應(yīng)器液相出口調(diào)節(jié)閥(LIC_062101.PV)的多變量預(yù)測模型，調(diào)節(jié)池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥控制反應(yīng)器液位在控制區(qū)間范圍內(nèi)，同時兼顧汽提塔液位變化，減少對汽提塔液位的影響。

4 應(yīng)用效果

APC系統(tǒng)投運(yùn)后，裝置運(yùn)行效果非常顯著：(1)在尿素裝置平穩(wěn)控制的基礎(chǔ)下，通過“卡邊”優(yōu)化，提高能源利用率，在裝置有優(yōu)化空間的前提下，降低裝置單位產(chǎn)品能耗。(2)提高尿素裝置綜合自動化水平，降低操作勞動強(qiáng)度。(3)降低了蒸汽用量約4.3%。(4)實現(xiàn)尿素裝置的精細(xì)化控制，克服負(fù)荷波動干擾，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

通過APC系統(tǒng)控制后，其中摘取部分優(yōu)化后的控制回路效果圖見圖2、圖3。

圖2 尿素裝置反應(yīng)器氨碳比效果圖

圖3 池式反應(yīng)器液位效果圖

通過APC系統(tǒng)控制后，其中摘取部分優(yōu)化后的控制回路的平穩(wěn)率見表1。

表1 部分回路優(yōu)化比對統(tǒng)計表

在實施APC系統(tǒng)之后，尿素反應(yīng)器的氨碳比指標(biāo)得到了有效控制，相比之前調(diào)節(jié)幅度更加平穩(wěn)；同樣，池式反應(yīng)器液位波動相比之前要小，也兼顧了壓力、溫度穩(wěn)定?；芈菲椒€(wěn)率相比之前也有了大幅的提升，使裝置回路更加穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

在尿素裝置常規(guī)控制的基礎(chǔ)上，運(yùn)用以提高裝置自動化水平、保證生產(chǎn)安全、平穩(wěn)運(yùn)行和節(jié)能降耗為主要控制目標(biāo)的APC系統(tǒng)，將模型預(yù)測和反饋校正有機(jī)結(jié)合，克服系統(tǒng)內(nèi)變量強(qiáng)耦合、非線性、大滯后、負(fù)荷變化、進(jìn)料波動等因素的影響，有效解決了裝置運(yùn)行過程中的多變量協(xié)調(diào)優(yōu)化控制問題，大幅度提高裝置的綜合自動化水平，降低操作勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)裝置的安全、平穩(wěn)控制，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，并在此基礎(chǔ)上通過對工藝指標(biāo)的“卡邊”優(yōu)化，降低消耗。APC技術(shù)在尿素裝置的運(yùn)用上具有深遠(yuǎn)的推廣意義。