DCS控制系统在煤头大化肥装置的应用

1 概述
　　DCS集计算机技术、控制技术和网络技术于一体，采用若干个控制器（过程站）对生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令，可达到分散控制，集中管理的目的。
　　山西晋丰煤化工有限责任公司360kt／a合成氨、520kt／a尿素装置的生产过程具有高温高压、易燃易爆、有毒有害环境，以及多变量、多耦合、非线性输入/输出等特点，对DCS系统提出了更高的要求。经过综合比较，该装置的锅炉、造气车间分别选用了杭州威盛自动化控制公司生产的FB一2000NS系统和长沙仪峰自动化公司生产的DCS控制系统；净化、合成和尿素车间则采用北京和利时系统工程股份有限公司生产的SMART—PRO系统。
2 锅炉控制系统
2．1 系统配置
　　锅炉DCS系统设有控制站（FCS）1台，操作站2台，工程师站1台，打印机站1台。
2．2 控制要点
　　由于循环流化床锅炉（CFB）的燃烧过程十分复杂、受到多种因素影响。控制要点为：①保证锅炉蒸发量在额定范围内；②保证汽温、汽压在正常变化范围内，且蒸汽品质合格；③稳定燃烧、提高锅炉热效率。
2．3 控制方法
采用炉膛负压控制、汽包水位控制和主蒸汽温度控制来保证锅炉安全稳定运行。
2．3．1 炉膛负压
　　合适的炉膛负压是锅炉安全燃烧的保证，也是锅炉燃烧控制的一部分，但具有相对的独立性，以PID参数整定从燃烧控制中分散出来采用单回路来实现。
2．3．2 汽包水位
　　经典的三冲量串级前馈控制在各种锅炉汽包水位的自动调节中已得到广泛应用，但是存在锅炉负荷的大扰动和锅炉汽包的不定期人工排污问题。在实际应用中，引入了负荷变化率和汽包水位变化率两个变量，正常水位调节时这两个变量均在某一限值之内，如超过该限值时，将按一定规则调节强行上拉或下拉水位调节阀，以保证汽包水位在安全范围之内。
2．3．3 主蒸汽温度
　　主蒸汽温度控制采用串级前馈方案，理想的是用减温器出口温度作为前馈以弥补主蒸汽温度的大滞后，但由于工艺安装的难度，所以用炉膛出口温度作为前馈。
3 造气工段控制系统
3．1 系统配置
　　造气系统设有采集站（FCS）2台，操作站4台，工程师站1台。
3．2 控制要点
　　造气炉效率直接关系到煤耗和产气率。采用固定床常用气化炉间歇制气，对此保持一个较高的转化率是非常重要的，水碳比、氧碳比控制在合理的范围内非常关键。
3．3 控制方法
3．3．1 水碳比
　　（1）水碳比的控制主要是调整蒸汽量。针对工艺要求，采用单回路PID调节单台煤气炉的废热锅炉液位、夹套锅炉液位和低压蒸汽总管压力等。
　　（2）在蒸汽调节中，因造气用蒸汽的特殊性，常规蒸汽稳压存在严重滞后现象，因此采取常规稳压加前馈的方法，即在普通稳压调节的基础上，根据吹蒸汽时蒸汽总阀开的数量的多少，提前成正比开大蒸汽调节阀，加大蒸汽量；在不吹蒸汽时前馈调节关闭，蒸汽只起稳定调节作用，利用吹蒸汽时炉膛温度是由高向低的变化，提高蒸汽分解率。
3．3．2 氧碳比
　　氧碳比的控制主要是控制空气量。公共部分的空气流量采用单回路PID调节。它的优点是：①控制系统与寻优微机配合可合理分配吹风时间，同时可根据炉子负荷、炉温、灰渣情况及时调整各阶段循环时间，从而稳定炉况；②单炉循环过程响应迅速，当工艺出现异常时可及时报警，并给出操作提示；③可提供适宜的循环氢氮比，为管理人员提供准确的炉况变化信息；④各个切换阀门的可靠切换、准确快速到位，避免气体在管道中发生爆炸；⑤可防止炉体被烧坏、炉内结疤、床层产生风洞、废热锅炉汽包干锅等；⑥确保半水煤气成份（特别是氧含量）合格稳定，降低煤耗。
4 净化工段控制系统
4．1 系统配置
　　净化系统设有控制站（FCS）1台，操作站4台，工程师站1台，打印机站1台。
4．2 控制要点
　　换热式全低变耐硫低温变换的工艺具有变换触媒温度低的特点，该工艺能减少蒸汽的消耗，提高转换率。所以变换炉温度的稳定控制是该系统的关键之处。
4．3 控制方法
4．3．1 内外环串级中变比例控制
　　针对换热式全低变耐硫低温变换工艺，系统采用内外环串级中变比例控制，即根据进工段的气量先调节加蒸汽的比例，同时根据工况调整内外环切人及联锁。半水煤气与补加蒸汽混合，经预热器、热交换器换热升温后由顶端进入低端。
4．3．2 变换炉热点温度超前一滞后补偿
　　变换炉热点温度存在反对象特性，用普通PID控制会出现温度反应滞后，导致控制曲线不稳，针对这种情况，从变换炉进气量取一微分，将进气量的变化取出，这就是控制温度所需的超前量，将此超前量进行系数运算后滞后处理，再将其数据与热点触媒温度叠加，通过调整滞后时间和比例系数，使之刚好填平测量温度的凹下去的曲线，这时虽然测量的温度具有反对象特性，但给PID的温度曲线已是正常曲线。
5 合成工段控制系统
5．1 系统配置
　　合成系统设有控制站（FCS）2台，操作站4台，工程师站1台，打印站1台。
5．2 控制要点
　　合成过程的控制要点是：氢氮比控制、合成塔触媒层稳定温度控制、氨冷器温度控制和吹出气（弛放气）控制。
5．3 控制方法
　　合成塔触媒温度的控制是比较难的，DCS系统对热点温度实行自动高选控制，用合成塔冷激气，环隙温控制进行辅助。另外由于氨库的重大危险性，此套系统特殊增加氨库联锁。
5．3．1 热点温度自动高选控制
　　（1）针对传统的32MPa高压合成塔，选用24点中的可能成为热点的14个点为触媒温度，一般选5到18点，用一自动高选功能块自动选出当前温度最高一个点来控制合成塔温度，才能保证触媒温度交替上升时始终是热点在控制合成塔的工作状态。
　　（2）保持手动选择功能，，因为在生产中每层触媒都有不同的温度要求，工艺人员通过手动选择任一热点作为控制，既可控制副线，又可有选择地投入／切除东西环隙温度控制，冷激气控制。
　　（3）由于触媒温度有一定的滞后性，因此还要兼顾流量的变化，即要将流量变化的超前量提前引入控制中，以补偿温度的滞后。
5．3．2 合成塔冷激气、环隙温度控制
　　（1）合成塔另有三个冷激气控制回路分别调节三层触媒温度，东西两个环隙温度调节回路。
　　（2）将合成塔的触媒分布、各热偶位号分布＼插人深度＼温度值＼单位＼报警上下限设置和趋势等在屏幕上显示出来，方便操作。
5．3．3 安全联锁
　　针对放氨易出现超压，控制设有氨库超压保护，即在氨库未超压时，放氨阀受氨分、冷激液位控制；当氨库压力超压时，氨分、冷激放氨阀紧急关闭，并声光报警。同时把氨库超压联锁设置成普通操作员不允许修改级别。
6 尿素工段控制系统
6．1 系统配置
　　尿素系统设有控制站（FCS）2台，操作员站3台，工程师站1台，打印站1台。
6．2 控制要点
　　尿素系统控制要点是对尿素合成塔氨碳比、水碳比的控制。尿素工段整个控制主要围绕减少原料损失，降低NH 耗、提高尿素产量和质量，以及工艺的自控水平、方便生产管理等方面进行。
以下仅介绍NH3／CO 控制、水碳比的控
制、CO 流量负荷控制和氧含量控制等内容。
6．3 控制方法
6．3．1 NH3／CO2控制
　　NH3／CO2控制系统是一个“三串级一前馈一比值一纯滞后补偿”的综合性复杂控制系统。该系统主要控制参数是合成塔的气相NH3／CO2和配料；副参数是进人高压系统的液氨流量和高压氨泵的转速；前馈信号是进人尿素装置的纯干基CO2流量。对该控制系统，把NH3和CO2两种物料联系起来看，又有比值控制作用，以CO2为主动物料，NH为从动物料，一旦进人尿素装置的CO，量发生变化，就会造成总配料比失调，此时通过自动调节液氨流量，来保证NH3／CO2控制在3．8～4．2。
6．3．2 水碳比控制
　　水碳比的控制是保持塔内的温度从下到上有一定的梯度，即采用合成塔水碳比单回路PID控制+前馈：用合成塔底部温度为测量信号，同时用合成塔中部温度、上部温度的变化趋势经过计算得出参数作为前馈，调节一段甲氨泵转速，实现H2O／CO2为0．6～0．8。
6．3．3 CO2流量负荷控制
　　CO2流量负荷控制系统是一个带有温压补偿各种运算的三串级调节系统。在此控制系统中，CO2压缩机的人口压力为关键变量主参数。通过控制机组的转数，改变进人系统的CO2流量作为副参数。若压缩机的转数增加，CO2的流量也增加，而压缩机的人口压力则相应减少，从而保证人口压力恒定在一个期望值上。
6．3．4 氧含量控制
　　氧含量控制是一套前馈一串级调节系统。根据工艺要求氧含量以实际流量的CO2的0．8％。经在线氧分析仪测得二者之差，确定进人系统的空气量，以达高压系统防腐目的。
7 效果
　　以DCS系统作为现代化生产控制的核心，以OPC协议2．0为通讯标准，组建的生产调度管理系统，在投人两年多来，运行稳定，控制指标精确，达到预期效果，在生产中起到了显著作用。
　　（1）通过对关键影响过程的参数监控，保证生产的稳定运行，当生产状态出现问题时，能及时做出反应，减少非计划停车次数。
　　（2）生产管理人员可利用适时的和历史的数据对生产的工艺过程进行在线分析，及时发现过程运行的规律，通过调整工艺参数，优化生产过程，提高产品的产量及质量。
　　（3）当发生故障时，可以利用适时的和历史的数据，对故障进行及时的分析，明确发生的原因，以避免故障的再次发生。
　　（4）DCS控制系统可以根据不同的生产状况，进行多回路的关联控制，提高控制的准确性和可靠性，显著提高生产的效率。
8 结语
　　选用的DCS系统均由国内外先进的软、硬件组成，具备了硬软件自诊断、权限保密和冗余等附属功能，有较高的可靠性和实用性，且方便操作、提高生产效率，达到节能增效的目标。