毕业设计（论文）-基于DCS的氢氮比控制系统应用设计.doc

四川理工学院毕业设计（论文） 基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计 学 生： 学 号： 07021010324 专 业： 自 动 化 班 级： 2007.3 指导老师： 四川理工学院自动化与电子信息学院 二 0 一一年六月 尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计 I 摘 要 氢氮比一直都是合成氨工业最关键的工艺参数之一，氢氮比控制好坏与生产安全 和合成氨的经济效益都直接相关。针对氢氮比控制干扰因数多，大时滞和大惯性等特 性，提出用集散 HS2000 实现氢氮比自动控制的方法，并对其系统进行了 SAMA 图设 计、工程组态、硬件配置，为氢氮比控制提供了一种工程实现方法。基于该方法的控 制系统抗干扰能力强，实现简单，在中小型合成氨厂取得了良好的控制效果。 关键词：氢氮比；大时滞；组态；合成氨；SAMA 图 四川理工学院本科毕业（设计）论文 II ABSTRACT Application of hydrogen-nitrogen ratio control system design based on DCS The Hydrogen-nitrogen ratio is a important key craft in synthesize the ammonia industry, which is directly related to the safety of the whole device and the economic performance of produce. This design is based on too many interference factors of Hydrogen-nitrogen ratio controlling, and the large-time-delay system, proposed a control system for using distribute control HS2000 to realize auto-control in the hydrogen-nitrogen ratio control system.In which it also give SAMA design, install the hardware and compare of the engineering. to the system, as well as a new method for hydrogen-nitrogen ratio control. The result show that this control system have a strong ability to anti-interference , and simple to realize, obtained a good result in synthesize the ammonia industry. KEY WORDS：Hydrogen-nitrogen ratio；Large-time-delay system；Compare of the engineering；Synthesize the ammonia; SAMA 尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计 III 目 录 摘 要.I 第 1 章 引 言.1 第 2 章 合成氨工艺.3 2.1 合成氨的概述.3 2.1.1 合成氨生产的基本过程.3 2.2 工艺流程简介.4 2.3 合成系统的控制.6 2.4 氢氮比干扰因素.8 2.5 几种控制方案的介绍.9 2.5.1 氢氮比自动调节系统.9 2.5.2 三回路串级调节控制方案.10 2.5.3 采样-前馈、串级氢氮比控制系统.13 第 3 章 集散控制系统.15 3.1 集散型系统的历史和发展.15 3.2 系统概要.16 3.3 系统构成.16 3.3.1HS2000 系统的基本构成单元 .16 3.3.2HS2000 系统的网络结构 .17 第 4 章 DCS 在合成氨氢氮比的应用.19 4.1 系统概述.19 4.1.1 系统软件名称.19 4.1.2 控制回路要求及实现.19 4.1.3 主要控制模块组.22 4.1.4 参数定义说明.23 4.2 测点清单分配表.29 四川理工学院本科毕业（设计）论文 IV 4.3 系统硬件配置说明书.29 4.3.1 系统配置图.29 4.3.2 各站详细配置说明.30 4.3.3 HS2000 系统环境要求 .30 4.4 串级控制系统的设计.31 4.4.1. 主回路的设计.31 4.4.2. 副回路的设计.31 4.4.3. 主、副回路的匹配.31 第 5 章 结束语.34 致 谢.35 参考文献.36 附 录.37 附录 1.37 附录 2.42 尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计 -1- 第 1 章 引 言 合成氨的生产过程中氢和氮的比值是一个很重要的参数，对于合成氨装置 来说这个参数的控制还存在一些问题。该装置的主要原料是空气和天然气。氮 来自于空气；氢来自于天然气。空气和天然气在造气工段经过一系列加工净化 处理后再进入合成塔, 合成反应后生成氨气。 氢氮比控制具有干扰因数多，大时滞和无直衡等特性。上述的过程相当复杂， 氢氮的合成环节主要是一个相对复杂的难于控制环节。对此环节要实现闭环稳定 的控制，经济效益相当明显，是合成氨生产当前急需要解决的问题。 由于上述对象特性，决定了氢氮比控制系统的设计要克服大时滞和多种干扰， 长期以来化工合成氨界，对如何解决该问题提出了很多的设计方案，但效果都不 是很好。以天然气为原料的大型氨厂为例，由工艺流程看，合成系统的氢氮比是 采用以氢定氮方案，即通过改变二段转化炉能加入多少空气量来进行一定调整的。 从空气量的加入，经过二段转化炉，变换炉，脱碳系统，甲烷化，压缩至最后再 进入合成循环回路，经历了全流程，它的传递时间很长，因而具有很大的纯滞后。 另外一方面，对二段转化炉加入空气量的调整，经过一系列反应装置后，可使甲 烷化炉出口的新鲜气氢/氮比发生变化，但在进入循环回路后，还需经过相当长的 时间才能使进入合成塔气体中的氢氮比发生真正的变化，这说明它的惯性滞后也 很大。 为了控制好该环节，本文提出了现阶段应用比较多的两种氢氮比控制方案， 经过反复比较选择了采样-前馈、串级控制系统效果较好，本设计提出了一种用 集散 HS2000 系统软件控制氢氮比的控制方案，并对其系统进行了硬件配置、工 程组态。为氢氮比控制提供了一种工程实现方法。下面先对 DCS 进行简介。 DCS 即集散型控制系统，又称分布式控制系统（Distributed Control System） 。 它的主要基础是 4C 技术，即计算机Computer、控制 Control、通信 Communication 和 CRT 显示技术。 DCS 系统通过某种通信网络将分布在工业现场附近的现场控制站和控制中心 的操作员站及工程师站等连接起来，以完成对现场生产设备的分散控制和集中操 四川理工学院本科毕业（设计）论文 -2- 作管理。 DCS 自 1975 年问世以来已经历了近三十年的时间，其可靠性、实用性不断 提高，功能日益增强。如控制器的处理能力、网络通讯能力、控制算法、画面显 示及综合管理能力等。DCS 系统过去只应用在少数大型企业的控制系统中，但随 着 4C 技术及软件技术的迅猛发展，到目前已经在电力、石油、化工、制药、冶 金、建材等众多行业得到了广泛的应用，特别是电力、石化这样的行业。 经历了二十几年的发展，DCS 有了很大的变化。这种变化来自两方面的动力： 用户需求的不断提高和电子与信息技术的快速发展。用户的需求已经不再满足于 应用 DCS 代替常规的仪表控制和简单的数据检测，同时随着电子与信息技术的 进步使得 DCS 应用的构成元件（电子元器件、处理器、软件、网络等）性能大 大提高且价格大幅度下降，特别是各种板级 OEM 部件和 HMI 软件的发展进一步 简化了 DCS 的开发难度并降低了开发成本。 本文先通过对合成氨的工艺流程进行了详细的介绍，在第二章中介绍了氨 合成的基本过程，并对其提出了几种控制方案，最终选择了集散 HS2000 来进 行系统软件控制，在第三章中介绍了集散控制的历史和发展，并介绍了如何建 立 HS2000 系统，在其中介绍了如何建立了操作员站，工程站等，第四章为本 设计的重点，首先对氢氮比的控制系统构建做了前期工作，例如：建立操作员 站，工程站，建立测点清单，建立系统配置图，参数定义等一系列工作，然后 用 HS2000 组态对其进行主态，得到所要的系统组态图，最后就是对此系统进 行了说明，并对各模块进行了简单的说明。 尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计 -3- 第 2 章 合成氨工艺 2.1 合成氨的概述 我国合成氨工业于 20 世纪 30 年代起步,1941 年,最高年产量不过 50Kt.新 中国成立后,经过数十年的努力,已形成遍布全国,大中小型氨厂并存的氮肥工业 布局,1999 年合成氨产量为 34310KT,排名世界第一. 20 世纪 50 年代初,在恢复与扩建老厂的同时,从前苏联引进并建成一批以 煤为原料,年产 50Kt 的合成氨装置.60 年代,随着石油,天然气资源的开采,分别 从英国引进已天然气为原料,年产 100Kt 的加压蒸汽转化合成氨装置;从意大利 引进渣油为原料年产 50Kt 的部分氧化法合成氨装置.从而形成了以煤,油,气原 料并举的中型氨厂的生产体系.为适应农业发展的迫切需要,发挥中央和地方办 化肥厂的积极性,从 20 世纪 60 年代开始在全国各地建设了一批以炭化法合成氨 流程制取碳氨为主的小型氨厂,1979 年发展到 1539 座氨厂.目前对这些小型氨 厂的改造重点是抓好规模,品种,技术,产业等方面的结构调整工作. 随着石油,天然气工业的迅速发展,20 世纪 80 年代后期和 90 年代初期,我 国引进了具有世界先进水平日产 1000t 的节能型合成氨装置.与此同时,我国自 行设计的以轻油为原料的年产 30 万吨的合成氨装置于 1980 年建成投产,以天然 气为原料,年产 20 万吨的第一套国产化大型装置于 1990 年建成投产. 由于我国人口众多,粮食产量不断提高,化肥需求量逐年增长,在九五期间又 相继建成投产了以天然气,渣油,轻油,煤为原料的大型合成氨装置,分布在海南 东方县,乌鲁木齐,呼和浩特,九江,兰州,南京,吉林和渭南等地. 2.1.1 合成氨生产的基本过程 合成氨生产,必须制备含有氢和氮的原料气.氢气来源于水蒸气和含有碳氢 化合物的各种燃料.目前工业上普遍采用焦碳,煤,天然气,轻油,重油等燃料,在 高温下与水蒸气反应的方法制氢.氮气来源于空气,可以在低温下将空气液化分 离而得,也可在制氢的过程中加入空气,将空气中的氧与可燃性物质反应而除去, 剩下的氮与氢混合,获得氮氢混合物. 除电解水(此法因电能消耗大而受到限制)以外,不论用什么原料制取氢、氮 原料气,都含有硫化物,一氧化碳,二氧化碳等杂质.这些杂质不但能腐蚀设备,而 四川理工学院本科毕业（设计）论文 -4- 且还能使氨合成器中毒.因此,因此把原料气送人合成塔之前,必须进行净化处理,除 去各种杂质,获得纯净的混合合成气.因此,合成氨的生产过程包括以下三个主要 步骤: 第一步,原料气的制取.制备含有氢气,一氧化碳,氮气的粗原料气，一般由 造气,空分工序组成. 第二步,原料气的净化，除去粗原料气中的氢气,氮气以外的杂质，一般由 原料气的脱硫,一氧化碳的变换,二氧化碳的脱除,原料气的精制工序组成. 第三步,原料气的压缩和合成.将符合要求的混合气压缩到一定的压力后,在 高温,高压和有催化剂的条件下,将氢氮气合成为氨.一般由压缩,合成工序组成. 生产合成氨的基本过程可用下面的方框图表示: 图 2-1 生产合成氨基本过程 2.2 工艺流程简介 大型合成氨厂工艺过程可分为制气，净化，合成三个工序。制气工艺因原 料不同，工艺各异。煤制气采用鲁齐技术或德士古技术。天然气，石脑油，渣 油制气技术。经脱硫，变换，脱二氧化碳。最终净化均为原料气净化，均涉及 物流输送，压缩，换热等传质传热过程。氨合成塔多为层间冷激式绝热固定床， 四层催化剂结构。各生产厂家采用工艺技术不同，流程设备及传热也不同。天 然气蒸汽转化，热法净化法典型工艺流程，如图 2-2。 经脱硫后的天然气与蒸汽以一定比例混合进入一段转炉炉管内，在触媒层 进行天然气（CH4）转化反应。在炉管外通过对天然气和驰放气的燃烧来提供 CH4 的反应所需求的热量。 造气工序脱硫工序CO 变换工序 合成工序 脱碳工序 精制工序 压缩工序 原料气 产品氨 尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计 -5- 者些研究成果的推广应用，各企业都十分重视，采用高新技术增加效益是 企业决策者所愿。一段转化炉的出口气再和工艺空气与蒸汽混合后进入到二段 转化炉，在触媒层，使残留的甲烷再进一步的转化，最终要让二段转化炉的出 口气中的甲烷含量能降到所规定的指标以下。 在二段炉配入工艺空气是根据系统对氢氮比的要求进行一定调节的。从二 段炉转化出来的气体再经过废锅炉进行一定的热量回收，并生产高压蒸汽，将 经过热量回收过后的工艺气体导进变换工段，依依经过低温变换炉与高温变换 炉，在触媒层进行转换反应。经低温转变后工艺气中因含有大量二氧化碳，该 工艺气被引进二氧化碳的吸收塔底，在塔内和脱碳这、溶（碳酸钾溶液）逆流 接触，工艺气中二氧化碳被溶液吸收，脱碳气从顶部引出。 从吸收塔的底部出来富液经过再生塔降压闪蒸，脱出二氧化碳后，返回循 环再使用，再生塔的顶部出口得二氧化碳供尿素的生产使用。 从吸收塔的顶部出来的脱碳气进入甲烷转化炉，使未被彻底清除一氧化碳 和二氧化碳，在甲烷触媒作用下和氢气发生一定反应，最后使残留的氧化碳， 二氧化碳脱除微量，从而能制出合成氨需要的氢氮的混合气（叫新鲜气），此 新鲜气经过压缩机加压，并与合成塔出口循环气混合后，再经循环压缩后进入 合成系统。在氨合成塔的触媒层上进行合成反应生成氨。合成塔出口气经过一 系列换热器进行热量回收，在分离器中分离出液氨，大部分气体则返回循环使 用。主要化学反应如下： 甲烷转化反应： CH +H O=CO+3H （2-1） 422 CH +2H O=CO +4H （2-2） 4222 一氧化碳变换反应： CO+H O=CO +H （2-3） 222 合成氨反应： 3H +N =2NH （2-4） 223 四川理工学院本科毕业（设计）论文 -6- 2.3 合成系统的控制 氨的合成反应方程式它属放热且摩尔数减少的可逆反应，采用固定床绝热 反应器，其主要的复杂控制系统包括：氢氮比，床层温度与惰性气体含量控制 等。氢氮比控制在合成工段中，氢氮比是合成氨最关键的工艺参数之一，氢氮 比控制的好坏与整个生产的安全及装置的经济效益都是直接相关的。另一方面， 由于被控对象惯性滞后大，且具有大时滞以及无自衡的特点，这就是氢氮比控 制难度增加。 以天然气为原料的大型氨厂为例，由工艺流程看，合成系统的氢氮比是通 过改变二段转化炉中加入的空气量多少来进行一定调整的。从空气量加入，经 二段转化炉，变换炉，脱碳系统，甲烷化，压缩到最后再进入合成的循环回路。 几乎经历过了全部流程，它的传递时间很长，因而具有很大的纯滞后。另外一 方面，对二段转化炉加进的空气量调整，经过一系列反应的装置后，可使甲烷 化出口新鲜气中的氢氮比能发生一定变化，但是在进入循环回路后，还需要经 过相当长的时间才能够让进入氨的合成塔的气体中氢氮比来发生真正的变化， 此说明了它惯性滞后环节也很大。对于无自衡的特点，可以从化学方程式的反 应来说明。氨的合成中总是由 3；1 比例来消耗氢与氮，如果此新鲜气中氢/氮 比大于（或小于）3：1，那么多余的氢（或氮）就积存在循环回路中，通过不 断的循环，使该回路中氢/氮比更加偏离于正常值，不能自动 尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计 -7- 图 2-2 天然气转化热法净化制氨工艺流程图 四川理工学院毕业（设计）论文 -8- 2.4 氢氮比干扰因素 合成氨的生产中的氢氮比值是一个重要的参数，几乎所有合成氨的装置对该参数 控制都有一定问题。下面以大庆的石化公司的化肥厂的合成氨的装置举例。 大庆的石化公司的化肥厂的合成氨的装置具有特殊性但是更重要是它共性。该装 置生产原料由空气与油田的原料气组成。氮来自空气，氢来自油田的原料气。空气与 油田的原料气在其造气工段经一系列的加工，净化处理之后再进入合成塔中, 经合成反 应之后生成得到氨气。 上述的过程是十分复杂的，氢氮的合成环节也是一复杂且难控的环节。对此环节能 实现闭环的稳定控制。此经济效益是十分明显的，当前对于合成氨的生产急要解决的该 问题。此环节难控原因如下 (1) 纯滞后的时间大。由造气工段进入合成工段的间隔时间大概需要 20 到 25 分钟，因 为其通道太长，且加大了此系统时滞，据初步的估计该系统的纯滞后时间约为 30 分钟， 然而氢和氮得合成过程却是一化学变化的过程。这就决定该系统时间常数 T 不会很大， 从而使得： (2-5) T f 远大于 1，如所周知,对于0.6 系统。PID 的调节器早已经不能够很好控制了，对于ff 1 系统就更是无能为力，因此即使该自动控制的设备是很良好的 DCS，此环节自动闭环 的稳定控制还是不能够实现。 (2) 无自衡和蓄存性。合成塔以三比一关系的消耗氢和氮，如果不是补充气以三比一 进行补充，那么将有氢气或氮气的积累，这就是所谓对象无自衡性，已经积累好的氢 或氮将存在于循环气中且不会自行的消失，这就是蓄存性。要消除积累好的氢或氮必 须将一股和原积累方向相反的氢或氮去补充。 (3) 扰动因素多。归纳起来有：原料油的田气系统中的变换气的流量、氢的含量、氮 气的纯度，以及为了降低该系统的压力与惰性气体的含量中弛放气的流量等，还有很 多其他不可测的干扰因素。 实际生产表明：氢氮比是此装置里最难控制的变量。利用常规的 PID 组成控制系 统由于适应能力较差，不能满足该变量控制的要求。所以多年以来，此生产装置氢氮 尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计 -9- 比控制大多是通过人工的调节，氢氮比控制一般在 2.83.2 合格。 若用手动来控制，那么在装置稳定时可以收到满意的效果，但是装置情况将有变 化，比如大的干扰发生或者处理量发生变化等，手动控制不能及时的跟踪。这就使装 置在一段时期内不稳定，将必然影响该产品产量与质量。.大多厂合格率仅有 43左右， 这严重影响了合成氨产量。 综合上述分析，氢氮比成为难控环节原因有二：一是该装置的特性原因，它是一 个复杂的大时滞环节；二是所用 DCS 的控制算法原因，即在 DCS 中其使用算法基本 都是 PID，然而 PID 对于此大时滞的强干扰环节控制能力相当的差。 第一个原因是客观存在，工艺与装置是不能够做任何的改变。因此要解决此氢氮 比控制问题。只有从第二个的原因下手，所以要用好的控制方案对该环节进行一定控 制。为此在理论与实践上人们进行了许多研究工作，试用了大量方法，但是效果都不 太理想。无论是从理论还是实践来讲，寻求高性能的控制策略来构成氢氮比计算机实 时控制系统，以改善氢氮比环节的控制。 由于上述对象的特性，决定了氢氮比控制系统的设计要克服大时滞和多种干扰， 下面介绍几种氢氮比控制方案，皆采用计算机控制的复杂控制回路。 2.5 几种控制方案的介绍 2.5.1 氢氮比自动调节系统 本系统适用于以天然气为原料的中小型合成氨系统，核心控制部件采用了 OMRONSYSMAC 系列 PLC,上位机构成实时监控系统。本控制系统具有控制准确、可靠性 高、功能强、观察直观、操作简便等优点. 系统功能:氢氮比的自动调节;补充气体中，氢、甲烷的检测和动态曲线分析;循环 气体中，氢、甲烷的检测和动态曲线分析;合成系统压力的检测和动态曲线显示;气柜 出口流量的检测和动态曲线显示;气柜出口氢气的检测和动态曲线分析;工作流量的检 测和动态曲线显示。 四川理工学院毕业（设计）论文 -10- 系统压力 补充甲烷 循环甲烷 补充氢 补充氢 上位机 出口气体 出口气体 1#炉工控 2#炉工控 3#炉工控 5#炉工控 4#炉工控 氢氮比自调微机 H2分析仪 H2分析仪 CH4分析仪 CH4分析仪 压力变送器 气体流量计 H2分析仪 合 成 气 柜 测 量 控 制 装 置 CH4分析仪 CH4分析仪 CH4分析仪 CH4分析仪 CH4分析仪 图 2-3 氢氮比自动调节系统 系统原理:从合成实时采集补充气体中的补充氢和甲烷，通过氢和甲烷分析仪到上 位机检测和分析;采集循环气体中的循环氢、循环甲烷，通过氢分和甲烷分析仪到上位 机检测和分析;采集气柜出口流量、氢气成份到上位机进行检测和分析;采集工空气体 流量到上位机进行检测和分析根据采集到的实时样气中的补充氢、循环氢、气柜出口 氢、工业空气流量、气柜流量，经过对数据库的分析与比较，预测氢氮比的涨跃情况， 并得出加氮量或减氮量，通过上位机给出加减氮信号，经 PLC 给出控制信号到流量控 制系统进行实时调节，使实测曲线与最佳工况的理想曲线相吻合，从而达到氢氮比自 调的目的。 效益分析:利用此自动调节系统，有利于转化的平衡反应，对 CO2、CO、残余 CH4、H2、N2 等气体的稳定性显著提高。炉膛温度、非催化温度和触煤层温度波动小、 稳定。可避免物料比失调、压力波动、控制系统造成的超温和析炭大幅度降低天然气 消耗，确保氢氮比稳定，减少合成放氨量，增加合成氨产量。使触煤层的寿命显著延 长。 2.5.2三回路串级调节控制方案 系统要求 氢氮比（H2/N2）控制在 2.80.1。 尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计 -11- 该系统应保证：增加负荷时先加原料气，后加空气；减负荷时先减空气，后减原 料气。在任何情况下，空气不能过量，以避免二段炉超温而烧坏触媒。 当外界干扰不大于仪表全量程的 5%时，无需人为干扰，能自动调节，保证 H2/N2 比在控制指标范围内。 当系统中的测量仪表出现故障或某过程的测量值超限时，系统应能自动切换到安 全状态（DCS 控制） ，不影响最终输出信号。 原控制方案（DCS 实现） 图 2-4 原控制方案 合成气的质量分析仪 AT0 提出两个信号 H2和 N2，两个信号经过运算后得到氢氮 四川理工学院毕业（设计）论文 -12- 比 H2/N2，氢氮比控制的好坏，ARC6 的 OP 值作 ARC3 调节器的 RSP（远程给定）值。 ARC3 调节器的 PV 值来分析表的 AT1，它的前馈信号来自水碳比 W/C 比控制回 路中的原料气低选信号（前馈信号被切除） 。ARC3 的 OP 值作为 FRC3 调节器的 RSP（远程给定）值。 FRC3 的 PV 值是由 FT101、TT101、PT101 通过温压补偿运算后得来的，FRC3 输 出到 FV3 调节阀，控制加入系统的空气量。 PRC48 是一个独立的单回路调节器，它的输出控制 101-J 的转速，以保持 101-J 出 口压力的稳定。 回路的投用及切除，可按标准的串级回路进行，不必考虑切换时的平衡及扰动问 题。 依据现场工艺及工厂所提出要求,提出了三回路串级的调节控制方案。主回路为氢 氮比的控制回路。输入量是氢氮比实际值。氢氮比的给定值是由 DCS 通过通讯方式给 出，输出作为副回路的给定值；副回路为低变出口氢含量控制回路，输入量为低变出 口的氢含量，输出作为次副回路的给定值；次副回路为空气流量控制回路，输入为空 气流量，输出值经通讯方式直接送给 DCS，再由 DCS 送给现场的空气流量控制阀，同时 提出三个对回路影响较大的量作为前馈量。 氢氮比给定值 ARC3.SPFRC3.SP ARC3.PV H/N.PV 22 H.N.CH 224 FRC3.PY 空气 原料气 一段转换二段转换高低变 净化 压缩合成氨 AT 0 AT 1 ARC6ARC3FRC3 FRC3.OP TD106 图 2-5 氢氮比控制原理图 普里森 回流 FR C1 根据现场实际情况：第一回路时滞大约是 8 到 10 分钟，第二回路时滞大约是 10 到 15 分钟