氮肥生產(chǎn)是高能耗的工業(yè)，其生產(chǎn)成本主要取決于系統(tǒng)的能耗，系統(tǒng)能耗除了與采用的工藝流程有關(guān)外，在很大程度上取決于系統(tǒng)控制的算法及穩(wěn)定性，因此，化肥生產(chǎn)過(guò)程的控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)成本具有關(guān)鍵意義。
氮肥生產(chǎn)系統(tǒng)是由一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元（工段）組成的。各單元之間具有密切關(guān)系。上一單元的產(chǎn)品或輸出，即為下一單元的原料或輸入，各個(gè)單元相互緊密聯(lián)系形成一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程。各個(gè)單元在地域上相互分散，但距離又不很遠(yuǎn)。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程可以分為造氣、脫硫、壓縮、變換、脫碳、合成、甲醇、尿素等主要單元（工段）。上述各單元（工段）的操作在工藝上密切聯(lián)系，但在地域上分散、在控制上相對(duì)獨(dú)立。
造氣一般是以塊煤為原料，采用間歇式固定層常壓氣化法，在高溫和程控機(jī)油傳動(dòng)控制下，交替與空氣和過(guò)熱蒸汽反應(yīng)。反應(yīng)方程式：
吹風(fēng) C+O2→CO2+Q
上吹階段的主要作用是置換爐底空氣，吸收熱量、制造半水煤氣，同時(shí)加入部分氮?dú)狻?/DIV>
C、 下吹階段
下吹階段作用是制取半水煤氣，吸收熱量，使上吹后上移的氣化層下移。
D、二上吹階段
二上吹的主要作用是將爐底及進(jìn)風(fēng)管道中煤氣吹凈并回收，確保生產(chǎn)安全。
E、 吹凈階段
吹凈的主要作用是回收造氣爐上層空間的煤氣及補(bǔ)充適量的氮?dú)猓詽M足合成氨生產(chǎn)對(duì)氮?dú)浔鹊囊蟆?B>
造氣工藝流程圖
控制方案
在生產(chǎn)中，一般均是多個(gè)造氣爐組成一組。在多臺(tái)造氣爐同時(shí)投入運(yùn)行時(shí)，為了保證造氣爐在吹風(fēng)階段的風(fēng)量，必須對(duì)造氣爐的吹風(fēng)階段進(jìn)行順序控制。
對(duì)造氣爐進(jìn)行吹風(fēng)排序，也就是要實(shí)現(xiàn)吹風(fēng)時(shí)間自尋優(yōu)及動(dòng)態(tài)跟蹤。下面以4個(gè)造氣爐為例加以說(shuō)明：
當(dāng)任啟動(dòng)一個(gè)造氣爐，或任意停止一個(gè)造氣爐，其吹風(fēng)間歇時(shí)間隨之改變。啟動(dòng)或停止造氣爐之后，各爐都要進(jìn)行重新調(diào)整，按照計(jì)算的時(shí)間進(jìn)行初始化，即各爐在對(duì)應(yīng)時(shí)間重新從第一個(gè)工序循環(huán)下去，其原理框圖如下：
4個(gè)造氣爐吹風(fēng)排序原理框圖
初始化原理框圖
控制效果
采用DCS系統(tǒng)控制一組（多臺(tái)）造氣爐的運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)對(duì)造氣爐吹風(fēng)排序的優(yōu)化控制，并可對(duì)溫度壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、調(diào)節(jié)，從而使?fàn)t況長(zhǎng)期穩(wěn)定，煤氣氣質(zhì)明顯提高，達(dá)到節(jié)能增效目的。DCS的應(yīng)用還可避免因人工的隨意性和誤操作而引發(fā)事故，并有利于企業(yè)全面數(shù)據(jù)管理。
10個(gè)造氣爐吹風(fēng)排序圖
造氣爐控制圖
參數(shù)控制圖
溫度參數(shù)圖
溫度趨勢(shì)圖
含量趨勢(shì)圖
報(bào)警事件管理
安全管理系統(tǒng)
造氣策略組態(tài)圖
2、變換
工藝簡(jiǎn)介
經(jīng)過(guò)壓縮有一定壓力的半水煤氣先經(jīng)過(guò)油水分離器，除去煤氣中的油物。然后進(jìn)入飽和塔的下部與熱水進(jìn)行交換后升至一定溫度，經(jīng)過(guò)氣水分離器分離出煤氣中的水份。去除水分的煤氣進(jìn)入預(yù)熱交換器，與中變爐出口的高溫煤氣進(jìn)行兩次熱交換后，進(jìn)入中變爐，在觸媒的催化作用下，煤氣中的一氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳，中變爐的爐體內(nèi)有三層反應(yīng)區(qū)，在正常的工藝狀況下，第一層的反應(yīng)溫度控制在450℃左右，第二層反應(yīng)溫度控制在400℃左右，第三層的反應(yīng)溫度控制在380℃左右。反應(yīng)后出中變爐的變換氣進(jìn)入與入口水煤氣進(jìn)行熱交換的兩級(jí)熱交換器后，再進(jìn)入低變爐使變換氣中的一氧化碳進(jìn)一步變換，經(jīng)過(guò)兩次變換的水煤氣成為合格的變換氣后，經(jīng)熱水塔，冷卻塔之后送入下一工段進(jìn)行后續(xù)處理。
變換工藝流程圖
控制方案
在變換工段中，比較典型的控制回路包括入變換氣汽比調(diào)節(jié)，中變爐煤氣副線流量調(diào)節(jié)，中變爐中段溫度噴水控制，中變爐下段溫度噴水控制，飽和塔液位控制，水分出口煤氣溫度的調(diào)節(jié)等幾部分。
入變換蒸汽流量與入變換半水煤氣流量的比值調(diào)節(jié)采用先進(jìn)控制器，對(duì)比值控制器的給定值進(jìn)行修正，并設(shè)置煤氣流量變化速率控制器來(lái)防止在系統(tǒng)加減量時(shí)，中變爐出口CO超標(biāo)，達(dá)到汽氣比控制的目的。
中變爐的上、中、下段溫度調(diào)節(jié)和水分出口煤氣的溫度控制采用經(jīng)典調(diào)節(jié)模式（PID、前饋、串級(jí)調(diào)節(jié)等）。
入氣汽比調(diào)節(jié)框圖
中變爐上段溫度調(diào)節(jié)框圖
中變爐中段/下段溫度控制、飽和塔液位控制框圖
水分出口溫度串級(jí)調(diào)節(jié)框圖
調(diào)節(jié)操作畫(huà)面
操作記錄畫(huà)面
流量比值調(diào)節(jié)趨勢(shì)
3、脫碳
工藝簡(jiǎn)介
含有一定濃度（CO2）的變換氣進(jìn)入吸收塔內(nèi)。氣體中CO2被逆流流下的碳酸丙烯酯所吸收。凈化CO2氣脫至所要求的濃度由塔頂排出，成為可供用戶使用的工藝氣。吸收CO2后的碳酸丙烯酯富液經(jīng)渦輪機(jī)回收能量后，在高壓閃蒸槽內(nèi)閃蒸。高壓閃蒸液再到減壓槽進(jìn)行減壓閃蒸。減壓閃蒸汽相含濃度較高的CO2，可供用戶使用。減壓閃蒸液在氣提塔內(nèi)經(jīng)空氣氣提再生，再生后的碳酸丙烯酯貧液經(jīng)循環(huán)液泵送回吸收塔循環(huán)使用。氣提空氣由通風(fēng)機(jī)從氣提塔塔底送入。
高壓閃蒸汽中含CO2及部分工藝氣。高壓閃蒸汽可全部或部分返回壓縮與原料氣匯合，以回收氮?dú)夂蜌錃狻?/DIV>
脫碳過(guò)程中，入脫碳塔貧液的流量，將直接影響二氧化碳在脫碳塔中的溶解度。流量過(guò)小，原料氣中的CO2不能被充分吸收；流量過(guò)大，能耗增加。閃蒸槽的液位和壓力，對(duì)于原料氣的 回收再利用有重要作用，它不僅可以回收閃蒸汽里的氮?dú)夂蜌錃猓�可以減少碳酸丙烯酯的損失。
脫碳后煤氣送入下一個(gè)工段進(jìn)行進(jìn)一步處理。
脫碳工藝流程圖
脫碳控制圖表
控制方案
在脫碳工段中，典型的控制回路包括：脫碳塔液位控制，閃蒸槽液位控制，降溫塔液位控制，閃蒸氣壓力控制，以及加氧手動(dòng)控制。在脫碳整個(gè)控制中沒(méi)有復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)，全部采用的是單回路PID調(diào)節(jié)模式。
液位調(diào)節(jié)操作畫(huà)面
脫碳液位趨勢(shì)圖
4、合成
工藝簡(jiǎn)介
目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)中小氮肥企業(yè)均采用中壓法氨合成工藝，其合成壓力為31.4MPa。合成塔的直徑一般為Ф800～Ф1200mm。
將壓縮送來(lái)的合格精煉氣在適當(dāng)?shù)臏囟取毫陀|媒存在的條件下合成為氨，所得氣氨經(jīng)冷卻水及液氨冷卻，冷凝為液氨，并將液氨從氫氮?dú)庵蟹蛛x出來(lái)，未合成的氫氮?dú)庋a(bǔ)充部分新鮮氣繼續(xù)在合成系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)合成。
合成氨工藝流程圖
合成工藝流程圖
冷凝工藝流程操作畫(huà)面
氨合成塔操作畫(huà)面
控制方案
氨合成工段中主要工藝參數(shù)的優(yōu)化控制非常重要，直接影響合成氨的產(chǎn)量和消耗指標(biāo)。控制方案以降低噸氨消耗為目標(biāo)，控制參數(shù)為催化劑溫度、惰性氣體的含量、氨冷出口溫度及氨冷器、冷交換路、氨分離器的三大液位。
氫氮比調(diào)節(jié)：
氫氮比自調(diào)是合成控制中的難點(diǎn)，從造氣到合成的滯后時(shí)間，開(kāi)滿量時(shí)，一般小化肥廠為30分鐘，開(kāi)聯(lián)醇為45分鐘。正確認(rèn)識(shí)從造氣到合成整個(gè)流程中氫比演變規(guī)律是搞好調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。規(guī)律主要為二點(diǎn)；從造氣到合成塔入口基本為純滯后，各點(diǎn)氫比測(cè)量曲線呈簡(jiǎn)單相似現(xiàn)象，并含有一定的容量滯后，合成塔塔前塔后氫比信號(hào)呈微積分關(guān)系。記錄各測(cè)量點(diǎn)氫比偏差記錄曲線，據(jù)此可發(fā)現(xiàn)演變規(guī)律，監(jiān)視分析調(diào)節(jié)效果，計(jì)算開(kāi)表數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)二維查表控制閥門(mén)輸出能達(dá)到較好的控制效果。
合成塔內(nèi)觸媒層熱點(diǎn)溫度控制
合成塔各催化劑層熱點(diǎn)溫度的控制，是采用調(diào)節(jié)未反應(yīng)的冷氣體加入量的方法來(lái)控制各段溫度，由于反應(yīng)溫度比較容易穩(wěn)定，所以一般采用手動(dòng)遙控。
循環(huán)氣氨冷器出口溫度和液位控制
為了更好地控制溫度；采用串級(jí)控制方案，以溫度回路為主回路，液位為副回路。為了保證液位，當(dāng)液位超限時(shí)，切斷串級(jí)回路，使回路的串級(jí)狀態(tài)切換為副回路的自動(dòng)狀態(tài)；確保液位在安全值內(nèi)。
循環(huán)氣氨冷器出口溫度和液位控制原理框圖
新鮮氣氨冷器液位控制
在新鮮氣氨冷器液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，水位測(cè)量值與給定常數(shù)進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果調(diào)節(jié)氨冷液位調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，從而維持氨冷液位恒定。
氨分離器的液位控制、冷交換器的液位控制、廢熱鍋爐的液位控制，這幾個(gè)回路采用單回路控制。
單回路調(diào)節(jié)框圖
觸媒層各口溫度趨勢(shì)
甲烷、氫氣、CO2、CO含量趨勢(shì)圖
5、甲醇
工藝簡(jiǎn)介
甲醇是重要的有機(jī)化工原料，又是優(yōu)良的能源載體。近代工業(yè)甲醇生產(chǎn)主要以天然氣、煤炭為原料轉(zhuǎn)化和氣化制得，我國(guó)目前年產(chǎn)5萬(wàn)噸和10萬(wàn)噸的生產(chǎn)裝置大都是以煤炭為原料制得。
甲醇的生產(chǎn)一般分為合成和精餾兩個(gè)工段。
1、甲醇合成：脫碳崗位送來(lái)的凈化氣和循環(huán)機(jī)來(lái)的循環(huán)氣在油分離器混合，經(jīng)油水分離器分離油水，剩余的原料氣分主副線進(jìn)入合成塔合成生成粗甲醇?xì)猓柚阢~基催化劑的作用，CO、CO2和H2進(jìn)行化合反應(yīng)生成甲醇，經(jīng)冷凝到醇分離器分離得粗甲醇，減壓后送中間槽，不凝氣體一部分加壓循環(huán)使用，一部分經(jīng)高壓水洗塔水洗掉夾帶的甲醇經(jīng)銅洗送入氨合成系統(tǒng)，粗甲醇送精餾。流程圖如下：
甲醇合成工藝流程圖
甲醇精餾工藝流程圖
2、甲醇精餾：甲醇的精餾工藝，多數(shù)采用兩塔流程，少數(shù)生產(chǎn)規(guī)模較大的廠采用三塔流程，年產(chǎn)5-10萬(wàn)噸的裝置一般都采用兩塔流程。粗醇經(jīng)預(yù)塔給料泵加壓經(jīng)粗醇預(yù)熱器加熱到65℃左右進(jìn)初塔，同時(shí)初塔再沸器用蒸汽加熱使塔內(nèi)液體蒸發(fā)，甲醇及其他輕組分的蒸汽由塔頂蒸出，冷凝后打回流。控制出氣溫度40-45℃，塔釜溫度75-85℃；塔頂溫度60-65℃。經(jīng)預(yù)塔底出來(lái)的預(yù)后甲醇給主塔，主塔再沸器加熱使塔底溫度控制在104-120℃，塔頂出氣溫度控制在65-70℃，在塔頂采出回流液即精醇；合格后送精醇儲(chǔ)槽。流程圖如上：
控制方案
在合成工段一般設(shè)有以下一些調(diào)節(jié)回路：合成塔溫度控制、醇分液位控制、水洗塔液位控制、粗醇中間槽液位和馳放氣壓力控制。其中以合成塔溫度較為難控，合成塔溫度一般有12個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，選用以下調(diào)節(jié)方式，能夠很好的保護(hù)觸媒。
合成塔觸媒溫度調(diào)節(jié)框圖
其他各回路均采用單回路控制，目前國(guó)內(nèi)一般均采用低壓法生產(chǎn)，馳放氣壓力控制在0.6Mpa左右。調(diào)節(jié)框圖如下：
在精餾工段一般設(shè)有以下一些調(diào)節(jié)回路：排氣冷凝器出口壓力、進(jìn)精餾蒸汽壓力、預(yù)塔回流槽液位、預(yù)塔液位、主塔回流槽和主塔液位、預(yù)塔給料流量、主塔回流流量、預(yù)塔回流液進(jìn)口溫度、預(yù)塔循環(huán)再沸器出口溫度、主塔回流液進(jìn)口溫度、主塔循環(huán)再沸器出口溫度、預(yù)塔給料溫度。采用單回路均能達(dá)到很好的控制效果。
醇汾液位調(diào)節(jié)畫(huà)面
觸媒溫度調(diào)節(jié)畫(huà)面
合成塔觸媒溫度趨勢(shì)
液位趨勢(shì)圖
參數(shù)表
6、尿素
工藝簡(jiǎn)介
尿素的生產(chǎn)原理是氨與二氧化碳的合成，生產(chǎn)方法有水溶液全循環(huán)法、氣提法、中壓聯(lián)尿法，小氮企業(yè)大多采用水溶液全循環(huán)法。其反應(yīng)方程式為：
2NH3（液）+CO2（氣）CO（NH2）2（液）+H2O（液）+Q
二氧化碳（壓力為20.69MPa，溫度為125℃）經(jīng)壓縮機(jī)壓縮進(jìn)入合成塔，從一吸塔送來(lái)的90℃甲銨液經(jīng)一甲泵加壓至20.69MPa送入合成塔，液氨在氨預(yù)熱器中加熱至60℃送入合成塔，在合成塔中進(jìn)行合成反應(yīng)。在反應(yīng)的過(guò)程中，合成塔的操作壓力為19.6 MPa，溫度為186-191℃，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程CO2的轉(zhuǎn)化率在63℅左右。出尿素合成塔的反應(yīng)液含有尿素、甲銨、過(guò)剩氨和水，出來(lái)后經(jīng)過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥減壓至1.77MPa進(jìn)入預(yù)蒸餾塔上部，在此分離出閃蒸氣體后，液體自流到中部蒸餾段，與從一分加熱器出來(lái)的熱氣逆流換熱，使液相中的部分甲銨分解與過(guò)剩氨蒸出、氣化進(jìn)入氣相。預(yù)蒸餾后的尿液自蒸餾下部流入一分加熱器，物料溫度控制在155-160℃，在此甲銨的分解率達(dá)到80℅，總氨蒸出率達(dá)到90℅。從一分加熱器出來(lái)的尿液進(jìn)入預(yù)蒸餾塔下部的分離器進(jìn)行氣液分離，液相自塔底排出，經(jīng)減壓后送至二分塔。尿液在二分塔上部閃蒸后，液體經(jīng)過(guò)液體分離器進(jìn)入蒸餾段，與下分離段出來(lái)的氣相逆流接觸換熱，出蒸餾段的尿液從底部進(jìn)入加熱段的列管內(nèi)，物料溫度控制在135-140℃，使甲銨基本分解，氣液混合物進(jìn)入下分離段進(jìn)行氣液分離，尿液經(jīng)液位調(diào)節(jié)閥入閃蒸槽。在閃蒸槽中液相殘余的氨和二氧化碳大部分逸入氣相，尿液直接進(jìn)入一段蒸發(fā)器或流入尿液槽。尿液經(jīng)一段蒸發(fā)加熱器下部熱能回收段和上部蒸汽加熱段加熱到130℃，壓力控制在0.033MPa（絕壓），這時(shí)濃度提高至96℅。尿液經(jīng)一段蒸發(fā)器分離段出來(lái)去二段蒸發(fā)器，在0.0033 MPa（絕壓）、140℃的條件下被濃縮成99.7℅的熔融尿素，經(jīng)分離段分離后，熔融尿素由熔融泵送往造粒塔頂部的旋轉(zhuǎn)噴頭進(jìn)行造粒。
尿素合成工藝流程圖
尿素中低壓分解工藝流程圖
尿素蒸發(fā)工藝流程圖
尿素低壓工藝流程圖
尿素中壓吸收工藝流程圖
控制方案
尿素生產(chǎn)控制回路比較多，包括溫度、壓力、流量、液位的控制，其中合成塔壓力調(diào)節(jié)、中壓壓力調(diào)節(jié)、低壓系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)這幾個(gè)調(diào)節(jié)回路尤為重要。主要調(diào)節(jié)回路一般都采用1：1冗余方式。
其它控制回路有：閃蒸下液溫度調(diào)節(jié)、解吸塔溫度調(diào)節(jié)、解析塔壓力調(diào)節(jié)、解析加液流量調(diào)節(jié)、一分加液位槽液位調(diào)節(jié)、二分加液位槽液位調(diào)節(jié)、解吸塔液位調(diào)節(jié)、二分塔出料溫度調(diào)節(jié)、一分塔底溫度調(diào)節(jié)、一洗塔底溫度調(diào)節(jié)、一段蒸發(fā)溫度調(diào)節(jié)、二段蒸發(fā)溫度調(diào)節(jié)、、一分塔液位調(diào)節(jié)、二分塔液位調(diào)節(jié)、一吸塔液位調(diào)節(jié)等。這些調(diào)節(jié)回路一般采用單回路控制即可達(dá)到很好的控制效果。
冗余調(diào)節(jié)回路原理框圖
尿素策略組態(tài)圖
調(diào)節(jié)畫(huà)面
中壓壓力調(diào)節(jié)操作畫(huà)面
低壓壓力調(diào)節(jié)操作畫(huà)面
合成趨勢(shì)圖
中壓壓力趨勢(shì)圖
機(jī)泵運(yùn)行狀態(tài)圖
報(bào)警事件畫(huà)面
安全管理系統(tǒng)畫(huà)面
