張洪垠（1962-）
男，高級工程師，現任杭州和利時自動化公司工業自動化事業部工程總經理，兼公司副總工程師，負責完成了國家重點科技攻關項目《大型合成氨和尿素裝置優化控制和調度》和《流程工藝CIMS應用工程》及典型的合成氨、尿素、雙氧水、硝酸、燒堿、甲醇、制氫等數十套置的DCS新建和改造項目。

摘要：本文通過大型合成氨裝置水/碳比控制、氫氮比控制，介紹了先進節能比值優化控制策略的設計思路和方法，并結合實際工藝操作特點和經驗，設計出成熟、可靠和實用的先進節能比值控制方案，對石油化工過程控制方案的設計能提供有益的指導和參考。

關鍵詞：合成氨；水/碳比；氫氮比；先進；節能；比值；控制

Abstract: This paper introduces the design idea and method of the advanced, energy-saving, optimized ratio control strategy through H2O/∑C ratio control in mass synthetic ammonia unit. Integrated with experiences and features of real process operation, a mature, reliable, practical, energy-saving and advanced ratio control strategy is developed. It will be instructive for design of control strategy in petro-chemical process.

Key words: Ammonia；H2O/∑C Ratio；H/N Ratio；Advanced；Energy-saving；Ratio；Control

    天然氣為原料的年產20萬噸、30萬噸、45萬噸等大型合成氨裝置中，水/碳比控制、氫氮比控制是最為典型的兩套先進節能比值控制系統，它們在整個合成氨裝置生產中，發揮著節能挖潛、降低消耗、優化操作、保證裝置安全穩定生產等重要作用。

    目前，在我國絕大多數類似裝置上，雖然都采用了DCS系統和設計有相應的控制方案，但并沒有很好的投用這些先進節能優化復雜控制策略，實際效果很不理想，多數廠家為手動控制或單回路控制，自適應能力、抗干擾能力和調節品質較差，究其原因，主要是設計方案存在問題，實用效果不佳。

    對大型合成氨裝置的先進節能比值優化控制，不論是年產20萬噸、30萬噸合成氨，還是年產45萬噸以上的合成氨裝置，其控制策略和設計原理是一樣的，下面就實踐中已經成功應用、且成熟、可靠和實用的先進節能比值控制策略予以介紹。

1  水/碳比先進節能控制系統

    在以“烴類蒸汽轉化法”生產合成氨的工藝中，水/碳比是一段轉化爐十分關鍵的操作參數。從安全生產方面來看， 配入蒸汽不足，水碳比過低，將會造成觸媒析碳，嚴重會造成事故而被迫停產。但配入過量的蒸汽，造成水/碳比過高，會帶來能耗急劇增加，這是生產極不經濟的狀況，不但白白浪費了蒸汽，而且增大了一段爐的負荷。由此可見，水/碳比控制系統是生產中極為關鍵的控制回路。

    通過充分開發和利用先進的自動化控制技術和DCS功能，結合實際工藝操作特點和經驗，設計出成熟、可靠和實用的水/碳比先進節能控制系統，如圖1所示。

    本系統是以負荷給定為主控器，以原料氣量和蒸汽量為付調，并以水碳比為目標進行控制的比值、雙向串級、智能控制系統 ，并具有邏輯加/減功能。工藝系統在加負荷時，要先加蒸汽，待蒸汽量確實已增加后，增加天然氣；系統減負荷時，先減天然氣，后減蒸汽，從而保證水/碳比都不低于控制值（SP）。當蒸汽量不足時，系統能自動降低天然氣量，以保證觸媒不結碳，蒸汽或天然氣量本身擾動時，自身付環進行自動調節。

    1.1 系統構成

    水/碳比控制系統主要由2個PID回路（FRCA1、FRCA2）、2個主要設定操作單元（FL0209、FL0215）和1個智能邏輯選擇單元構成，如圖2所示。

    統除了上述反饋控制功能外，還配有空/碳（FI0421）操作指導和報警提醒措施，實現安全操作，穩定運行及無擾切換。

    2.2 系統構成與工作原理

    本系統是以合成塔入口循環氣H2/N2為主調（AIC411），以進入合成系統新鮮空氣H2/N2為第一級副調（AIC410），以加入二段轉化爐的空氣流量調節器FIC003，以總碳流量FX0204 PV為前饋信號的“多串級-前饋-比值”控制系統。

    H2/N2控制系統共采用各種功能的DCS內部儀表20多塊，其中：

    ① 指示單元， 具有輸入指示、報警（高報警HI、低報警LO、變化率報警VL、輸入斷線IOP等）功能。

    ② PID調節單元，如：AIC411、AIC410、FIC003調節器。

    ③ 運算單元，如對輸入信號進行的各種算術運算、溫壓補償運算等，如前饋運算FX0414、溫壓補償運算FX0402。

    ④低選器（均為自動），如：FX0424。

    ⑤一階超前/滯后環節，起滯后作用，克服滯后現象，提高自適應能力和調節質量， 如FX0425、FX408、FX0409。

    ⑥一階滯后單元，起滯后作用，克服擾動與滯后現象，提高自適應能力和抗干擾能力，如FX0423。

    ⑦濾波單元，防止信號急劇變化而影響調節質量，如總碳濾波儀表FX0427。

    該控制系統的方塊圖如圖4所示。合成氣的H2和N2組分由在線分析儀把每次分析的結果送給計算機內部儀表，然后在FX0407中進行除法運算，得到合成氣H2/N2，輸出經濾波單元FX0409做主調AIC411的測量信號，在AIC411中與給定作比較，進行PID運算，輸出作新鮮氣H2/N2調節器AIC410的外給定，以調整新鮮氣的H2/N2來控制合成氣的H2/N2，此回路為H2/N2控制系統的主環。

    在線分析儀把每次分析的新鮮氣H2和N2組分在FX0406中進行除法運算，得到新鮮氣H2/N2，輸出經濾波單元FX0408作AIC410調節器的測量信號，在AIC410中與給定作比較，進行PID運算，輸出到前饋運算單元FX0414，與總碳流量進行前饋運算，得出所需的空氣流量。

    前饋運算單元FX0414輸出作空氣流量調節器FIC003的外給定，由于總碳流量FX0204 PV前饋信號的引入，它可以在原料氣變化時，相應地事先改變加入系統的空氣流量，以補充或減少系統所需的N2量，使控制系統有利于克服系統的大時滯現象，增強系統的自適應能力。在該系統中設置了一套超前滯后動態補償環節，由一塊滯后單元FX0423，一塊超前滯后單元FX0425后一塊低選器FX0424組成，用來補償因工廠負荷變化到H2/N2變化，再來改變加入空氣流量時間上的大時滯現象和強烈擾動。因此，該控制系統的控制特性和調節品質優良，既提高了H2/N2的調節品質，又使二段爐溫度波動很小。FX0425具有一階滯后作用，它與低選器FX0424組合在一起，可以保證當總碳流量低選時，快速減少空氣流量，不致引起進入二段爐的空氣量過多造成設備超溫，而當總碳流量增加時，使進入二段爐的空氣量平穩地遞增，避免造成系統擾動。

    在DCS內部，FX0402中進行溫壓補償運算，得出進入二段爐的實際空氣質量流量，FX0402的輸出一路去FX0421與原料天總碳流量FX0204.PV進行除法計算，得出空/碳比，由FI0421完成指示和報警；另一路去FIC003作測量，進行空氣流量控制。第一調節通道由“氫/氮比控制--空氣流量調節器FIC003”通過改變空氣流量來調整新鮮氣H2/N2，嚴格控制合成氣的H2/N2，達到提高合成效率，最大限度地利用原料氣，提高裝置的生產能力。

    2.3 系統的安全措施

    該系統對一次儀表均要設置正常工藝操作上下限報警值（HI、LO）、變化率報警值VL、輸入斷線報警值IOP，對PID調節器均要設置偏差報警值DV，目的是對一次儀表和主要調節器的故障和錯誤信息進行判斷、識別，采取相應的安全保護措施，如輸入開路、測量變化率大、輸入信號越限、偏差報警等現象發生時，調節系統自動切除串級或自動狀態，并報警提醒操作人員。

    該系統實際投用表明，具有較強的自適應能力、抗干擾能力和克服大時滯現象，能適用于大范圍、大幅度的工廠負荷波動場合調節品質和控制特性優良，在工廠負荷50%～105%的范圍內均可投用。該方案已經在年產30萬噸和年產45萬噸的合成氨裝置成功投用，實際投運驗證，技術指標控制能夠達到：氫氮比正常控制指標≤±0.1。

    上述先進節能比值優化控制策略，雖然介紹的是在大型合成氨裝置中的典型應用，但在實際工作中，其控制策略和設計原理的思路與方法適用于眾多的石油化工裝置。石油化工裝置一般都有多種物料參與過程化學反應，為了達到節能和優良的控制效果，充分利用先進的自動化控制技術和發揮DCS的作用，通過結合實際工藝操作特點和經驗，開發和設計成熟、可靠和實用的先進節能比值優化控制策略很有必要。

作者信息：

    張洪垠，石宏圖，王會民，吳   彬  （杭州和利時自動化有限公司，北京 100096）