大型合成氨装置先进控制系统技术研究与应用

大型合成氨装置先进控制系统技术研究与应用在石油与化工企业的重要装置上实施生产和控制优化，是提高装置控制水平，挖潜增效的重要手段，也是国际上优化技术、自控技术和信息技术发展应用的趋势。目前，虽然先进控制技术(APC)在国外一些合成氨装置上得到应用，并取得良好的效果，但在国内合成氨应用较少，这使人们对 APC 的认识较浅，对优越性了解不多。因而对于新项目往往怕超投资，不予采用 APC 方案；对于老装置改造，往往强调现场监控表质量不好，分析仪表不过关，担心花了钱效益却体现不出来，也就一时不把应用 APC 的问题提到议事日程上来。总之，思想观念上的一些问题也是影响我国合成氨装置过程控制水平提高的原因之一。本装置自开工以来，总体运行状况良好，各种技术指标都达到了设计要求，但在自动控制水平和控制平稳性以及产品收率、装置能耗、高价值产品回收等方面还可以进一步提高。在装置上实施生产优化和控制优化能有效地改善装置的控制水平和操作水平，有利于保证装置的运行安全，并提升装置的经济效益。 2 先进控制技术介绍 当前，先进控制的软件已发展了三代。第一代以 Adersa 的 IDCCOM 为代表，算法针对无约束多变量过程；第二代以 Shell Oil 的 QDMC 为代表，处理有约束的多变量过程；第三代以 Invensys公司的 Romeo、Aspen 公司的 DMCplus 和 Honeywell 公司的 RMPCT 为代表。下面对 RMPCT 简要介绍。 美国 Honeywell 公司 Hispec Solution 的鲁棒性多变量预估控制技术 RMPCT(Robust Multivariable Predictive Control Technology)是一种多变量预估控制器，不仅能对复杂工业过程进行先进控制，而且能实现以经济效益为目标的局部优化。其中，鲁棒多变量预测控制技术(RMPCT)是其核心技术，HoneywellHi-Spec 现已将该技术置于 Profit Con troller 内。 Profit Controller(RMPCT)是一种具有多变量输入输出、基于动态模型、采用多步预测、多步控制以及滚动优化的算法，并带有优化功能的先进控制器。Profit Controller(RMPCT)的输入和输出变量有：被控变量、操纵变量和扰动变量。受控变量(CV) 为表征过程受控状态的过程变量，如过程性能指标变量等；操作变量(MV)为调节控制变量的过程变量，如基础控制的设定点；扰动变量(DV)为不可控且影响控制变量的过程变量和利时间歇式造气装置控制方案目前固定床常用气化炉间歇制气在国内仍处于主导地位，而更为先进的水煤浆气化技术与粉煤直接气化流化床气化技术已开始在行业中得到推广与认可，并在其技术国产化方面取得了较快的发展，造气装置已经出现由间歇过程向连续过程转变的趋势。 工艺介绍煤造气通常有三种方法，固定床常用气化炉有 UG I 炉，属于间歇制气、德士古水煤浆气化(湿法气流床气化高温加压气化)、粉煤直接气化。在粉煤直接气化中，主要包括气流床与流化床工艺。其中，气流床有 SHELL 加压气化及 Prenflo GSP(高温加压气化) 二种工艺；流化床工艺则包括温克勒、灰熔聚流化床、恩德炉、UGas 气化炉 、循环流化床（陕西联合中西部煤气工程技术中心）(常压气化) 等工艺。间歇式造气生产工艺简介间歇式造气中心设备为造气炉，按大小分一般有2.3m,2.6m, 3.3m,3.6m 四种规格，按加煤的方式可分为自动加焦和手动加焦两种方式。造气过程分为五个阶段，包括吹风、上吹、下吹、二次上吹、吹净，每一个生产循环已完成，设备马上进入下一循环的第一阶段吹风，重新开始新的生产过程。此工艺最大的特点要求各阶段时间修改的灵活性，根据煤气炉状况和煤质量调整时间、这是生产中降低煤耗和蒸汽消耗的关键。间歇式造气炉控制策略1、阀门群控互锁安全、完备程序设计2、人性化的人机界面，提供为自动、手动、停炉、暂停延时、步进、制惰、上加氮、全上吹、吹风回收、人工回收等操作功能，任意功能键的操作允许并严格符合操作关联的要求，防止误操作，切换时始终处于安全状态，以确保装置的安全。典型的生产过程中有自动.手动.停车和锁定四种状态。框图示意如下：3、具有灵活的五个阶段的时间及各阀门开关时间可调控制。4、吹风时间、上吹时间、下吹时间自动寻优优化控制方案：根据上个周期上行煤气、下行煤温度，同时考虑周期之间温度的变化趋势作一优化算法确定下一周期的上吹、下吹时间，为保存生产稳定，只能在手动设定的时间基础上作微调。5、可选氢氮比优化控制方案将循环氢、变换氢数据引入系统，调整上加氮时间可控制氢氮比。因氢氮比控制存在严重滞后，因此要根据工艺情况进行灰色预测进行模糊控制，和利时有非常成熟的专用模糊控制功能块。山东华鲁恒升已用了和利时氢氮比控制。6、自动吹风排队优化控制吹风自动排队，如 9 台炉是一根蒸汽总管每次允许 23 台炉同时吹风；如是两根蒸汽总管可 1#5#排队、6#9#排队；也可以 1#3#排队、4#6#排队、7#9#排队。采用先进技术形成经济规模实现节能减排山东明水大化集团成立于 2005 年 6 月 26 日，前身是我国建设的首批 13 套小氮肥示范厂之一的明水化肥厂。2005 年 6 月 28 日与山西晋城无烟煤矿业集团签订战略合作协议，实施了强强联合。按照以肥为主、肥化并举的发展思路，集团于 2006 年 4 月投资 9 亿元，实施了年产 52104t 尿素技改工程。一期工程从破土动工到生产出合格产品仅用 11个月的时间，二期工程只用 9 个月，做到了一次投料安全顺利，短时间内达标达产。技改项目主要体现出了投资少、技术新、建设快、节能减排效果显著、回报期短等特点，使企业的市场竞争力得到了明显增强。 山东明水大化集团 52104ta 尿素技改项目是异地改造工程，厂区位于章丘刁镇的一托二工业园，现有职工 1 150 人，主导产品为合成氨、尿素和甲醇。主要装置为一套氨联醇和一套醇联氨生产大颗粒尿素生产线。现日产合成氨 700t，尿素 1 200t，甲醇 550t，吨氨耗原料煤(入炉实物)1 150kg，电耗1 200kWh，吨醇耗煤1 300kg，电耗800kWh，各项经济技术指标达到行业先进水平，集团实现快速发展，并获得了较好的经济效益。 1 52104t 尿素技改工程工艺技术的主体框架 本着“做优化肥、做强化工、肥化并举”的目标构筑工程项目总体框架。按先进实用、节能降耗、环境友好、安全稳定的要求确定工艺技术路线。整体规划了二套生产线：即高压合成氨联产甲醇和低压合成甲醇联产合成氨的流程生产氨、甲醇和尿素。高压合成氨联产甲醇流程框图见图 1。低压合成甲醇氨联产合成氨流程框图见图 2。规划年产能力为 25104t 合成氨，1510 4t 甲醇(其中低压 10104t，中压 5.0104t)，4010 4t 尿素。(1)低压合成甲醇联产合成氨工艺中醇产品在低压范围下合成反应，电耗降低。低压醇(5.0MPa)较中压醇(12.0MPa)吨醇电耗降低大约 100kWh。氨合成压力26.0MPa 时，H 2N 2压缩机、循环机及氨压缩机综合电耗降至最低值。(2)高压合成氨联产甲醇工艺，降低变换、脱碳及醇烃化气体精制的生产负荷，同时降低了氨合成压力，使生产安全、稳定，催化剂使用周期延长、开车率提高。(3)氨醇联产煤气组分同时满足了 H2N 2=3.0 的氨合成和 H2CO 2CO 2CO=2.1 醇合成的要求。煤气中含有一定组分的 N2气，煤气化操作条件宽松，排净气量小，维持了煤气炉的气化强度，有利于降低原料煤消耗。(4)合成氨和甲醇联产系统中的排净气、放空气、弛放气等得到合理的回收使用，减少了气体排放量，有利于清洁生产。 2 煤气化装置的优化设计及操作 造气生产费用占整个成本的 60以上，企业面临煤价飙升的压力，煤气化装置的优化设计及操作尤为重要。本技改工程为发挥与晋煤集团联合的原料煤优势，仍采用固定层间歇气化工艺造气。造气系统采用 DCS 优化控制系统，突出节能减排、降低煤耗的技术要求。(1)煤气炉保持单炉单系统配置，四炉一台风机和一套热管余热回收系统，消除了各煤气炉间的相互影响及串气倒气的可能性。(2)降低系统阻力，提高吹风效率，保证较强的制气负荷，稳定炉况、温度是装置的设计主要思想。将各油压控制阀径放大、管道加粗、除尘盲肠靠近炉体，洗气塔采用空塔喷淋结构，扩大塔底水容积，缩小水封深度为 7080mm。选用风机不单纯追求大风量和高风压，重在降低系统阻力。(3)炉体的夹套高度、破渣条、防流板、炉箅选用及工艺阀门的位置均一一进行精心安排设计，旨在有效地稳定炉况，改善下灰质量，提高蒸汽分解率，降低热量损失。(4)采用机电一体化加煤机、220过热蒸汽制气、蒸汽压力前馈补偿调节、上吹加 N2工艺、严格控制温度(炉上和炉下)470、稳定气体质量和产气能力，使原料煤消耗长期1150kgt 氨。 3 重点抓好气体净化和工艺水质 大、中、小氮肥在稳定的生产周期长短上存在较大差距，重要原因是工艺气质和水质差异较大。5210 4t 尿素技改工程力求提升工艺气质和水质的水平。(1)抓好气源的洗涤净化，设置微旋流沉淀池，使用凝絮剂使造气污水浊度30mgl，同时强化合成氨和尿素循环水旁滤效果及抗腐阻垢能力。(2)压缩机入口前低压煤气做到三级水洗涤，二级焦炭过滤和二级电除焦，使压缩机一段活门清洗周期3-4 个月。(3)做好气体脱除总硫为主要内容的净化，做到多级脱除、深度净化：煤气常压湿法脱硫、变换气湿法脱硫(全低变串中温水解)、PSA(PC)脱碳脱硫、精脱硫十脱氯+脱羰基铁，使气体人塔总硫体积分数0.05106。湿法脱硫的硫回收率85。同时强化了油的脱除，实施了机械分离、丝网过滤及净化剂脱除三级净化。(4)脱盐水采用反渗透串阴阳离子混床交换。脱盐水电导控制1.0uscm。由于气质、水质的提高，技改工程开车一年来，脱硫、变换、脱碳、醇烃化及氨合成(醇合成)各工序的系统阻力和催化剂保持相对稳定。 4 醇烃化气体精制工艺的应用 以煤为原料固定层气化的合成氨原料气精制工艺由醇烃化替代了铜洗，是一项重大技术突破。醇烃化工艺不仅(COCO 2)微量稳定，不再使用铜、醋酸、蒸汽及氨等物料，产生较大效益，在环境保护和产品结构调整方面亦有较大贡献，以醇烃化替代铜洗工艺是合成氨生产技术水平提高的重要体现。52104t 尿素技改工程开车以来(COCO 2)微量始终保持其体积分数在10106，各项物能消耗或消除或大幅度降低，使合成氨生产成本降低 80 元tNH 3以上。醇烃化做到了零排放和零污染，是企业废水零排放的一项重要措施，醇烃化体现出突出的节能减排、经济、环保及社会效益。(1)本尿素技改工程醇烃化为等中压级、二级醇化串一级烃化工艺。等中压设备布置集中、管道安装简化、循环机共用、生产操作及联系调节方便。(2)二级醇化可串可并，醇氨比调节灵活，控制好适宜的入塔(COCO 2)组分，醇化可做到不开循环机，不用电炉。(3)烃化采用外补蒸汽加热法，操作方便、稳定、投资小。以 210蒸汽经蒸汽加热器将 200工艺气升至 210，蒸汽降至 185送造气使用。蒸汽流量10kgtNH 3，耗电6.0kWhtNH 3。 5 选用节能型氨合成塔 氮肥协会节能推荐意见：氨合成压力26.0MPa(初期 22.0MPa)，催化剂生产强度25tNH3m 3.d。优化合成循环流程，提高氨净值，降低综合电耗。技改工程采用安淳公司开发的JD20002000 合成塔二轴二径结构内件，催化剂装填容积 37.2m3，具有低阻、节能、高净值的优点。以四台305m3min 压缩机和二台 180m3min 压缩机供气，循环气 CH4体积分数18.0，日产合成氨 700t 时，系统压力26.MPa，压差1.5MPa，入水冷温度80，体现出较好的节能效果，装填催化剂主要为 A110 系列，若增多配加金属钴组分的催化剂，效果会更加明显。 6 JJD2800 水管式甲醇合成塔的应用 低压合成甲醇联产合成氨技术发展很快，出现诸多的甲醇合成反应器型式。以水冷为移热介质的反应器与热回收功能融为一体，内件不设电炉，工艺流程简易、操作方便，副产蒸汽量多而颇具吸引力。经考