一、DCS在中型氮肥廠的應用概況

我國中型氮肥廠共有55個，其中以油和氣為原料的有21個，以煤炭為原料的34 個。中型氮肥廠多數是60～70年代建設投產的老裝置，工藝設計是多機組小容量，裝 置分散，能耗較高，生產規模為年產合成氨5萬噸到25萬噸不等。70年代以來各企業 十分重視儀表自控改造，更新儀表，開發控制回路，其自動化技術不斷進步。進入80年 代，各中型氮肥企業紛紛購買微機、單回路調節器、DCS，用技術先進的數字控制裝置 ，取代落后的模擬調節儀表，這個時期是DCS推廣應用的發展時期。根據調查統計，中型氮肥廠已有27家購買安裝了40多套不同型號的DCS，即有近50%的廠家使用D CS進行過程控制和生產管理。

1981年吉化公司化肥廠率先采用 CENTUM-A系統安裝合成車間中控室， 用于9個機組的生產過程控制，將199個檢測點、47個回路置于CENTUM的監控 之下。主要控制回路有：氨合成塔觸媒層溫度控制、H[，2]/N[，2]控制、氨蒸 發器出口溫度一液面控制、Ⅱ循環吹出控制、氨冷凝塔和氨分離器高壓液面控制等。DC S投入運行后，由于H[，2]/N[，2]自控、合成塔觸媒層溫度自控，使工藝穩定 、吹出量顯著下降，每年增產合成氨4059.9噸。高壓液位穩定，觸媒層溫度穩定， 大大減少了垮塔次數。據資料統計，以前每年垮塔7～20次(一次減產30～40噸氨 )，DCS投入運行后全年沒有一次垮塔，而且大大延長了觸媒使用壽命，技術經濟效益 是顯著的。該廠DCS的應用受到領導的重視，又先后購了4套YEWPACK MAR KⅡ，用于造氣、空分、異丁醛、甲醛分散等裝置。

蘭化公司化肥廠合成車間有6個氨合成機組和3個甲醇合成機組，60年代自控改造 時，近200個檢測參數集中到中控室，高密度儀表排列的半模擬式儀表盤，使操作人員 工作很緊張。1988年中控室安裝了ICC-6000系統，拆除了儀表盤，將9個工 藝機組的生產監控集中到三個帶CRT畫面顯示的操作站上，通過轉換畫面，操作人員便

能一目了然地知道9個機組現場工藝運轉狀況，用操作鍵盤進行工藝操作，打字機定時自 動打印各工藝參數。該廠還安裝了2臺S674B型上位機，是為高級控制策略軟件開發 、優化生產而設置的。1989年該廠又與重慶工業自動化研究所簽訂合同，用國內十幾 個單位共同研制的DJR-7500系統控制尿素生產過程，監控200多個參數、27 個回路，聯合開發應用軟件。1990年4月DJR-7500已投入運行，是國內率先 使用國產DCS的中型氮肥廠，運行情況良好。從20多家中型氮肥廠DCS現場運行情 況來看，DCS應用后的技術經濟效果比起工藝先進的大型氮肥廠效益更為明顯。DCS 的應用，對于提高老企業的自動化水平，對節能降耗、穩定工藝、安全生產的效果是可觀的。

二、氨合成塔觸媒層溫度控制系統

中型氮肥廠的生產過程工藝流程長、工序多，一般有制氣、凈化、壓縮、精制、合成 、氨加工等工藝過程，全過程有幾十個控制回路，節能顯著的復雜回路近20個。下面僅介紹氨合成塔觸媒層溫度控制系統。

1.氨合成反應機理

氨合成反應是在較高壓力(一般29.4Mpa)和溫度(470～520℃)并有觸媒存在情況下進行的可逆化學反應。氨合成是放熱反應，在一定的溫度和壓力條件下，只能進行到一定程度。通常反應后氣體中氨含量只有14%～22%，仍有大量氫氮未參加反應，必須經分離后循環使用。合成氨過程主要工藝設備有合成塔、水冷器、分離器、循環壓機、冷凝塔、氨冷凝器等。

2.影響觸媒層溫度的主要因素

(1)進入合成塔氣體的成分變化。入口氣體中氨含量增高，使觸媒層溫度下降，為減少這一擾動的影響，要求嚴格控制氨冷凝器氣體出口溫度。對于進入合成塔氣體中直接夾帶液氨則是不允許的。入塔氣體中惰性氣體含量高，觸媒層溫度下降，反之溫度則升高。氫氮比失調、過高或過低都將使觸媒層溫度下降，氫氨比是依靠前工序把關控制的。

(2)系統負荷的變化。系統負荷增加時，系統壓力升高，有利于反應進行，此時觸媒層溫度升高。反之則溫度下降。

(3)循環氣量的變化。循環氣量變化、入塔氣體空速發生變化，使氣體與觸媒的接觸時間改變。如循環量增加，接觸時間將縮短，單位體積內生產的熱量相應減少，使觸媒層溫度下降。反之，循環氣量減少，使觸媒層溫度升高。

(4)循環氣分兩路進入合成塔，一次副線入塔氣體不經過塔下部熱交換器換熱，進接進入分氣盒，從而使觸媒層的初始溫度發生變化。一次副線量增加，可使床層溫度下降。反之，若一次副線量減少，床層溫度升高。這是控制觸媒層溫度的常用控制變量。

(5)二次副線(也稱近路線)是改變循環氣入塔流量的。二次副線流量增加，入塔氣體量減少，觸媒層溫度因空速減小而升高。反之，二次副線流量減少，則觸媒層溫度下降。所以控制近路閥門開度，也是溫度調節的控制變量。

3.觸媒層溫度控制回路

(1)熱點敏點串級控制回路：氨合成反應中，觸媒層高度分布不同處溫度不同，觸媒層溫度最高的一點稱熱點，溫度變化最靈敏的一點稱敏點。敏點在熱點上方5～10cm處，利用敏點溫度和熱點溫度，構成的串級控制回路，以熱點溫度作主環變量，敏點溫度為副環變量，以熱點溫度為被控變量。該系統對循環氣流量波動帶來的干擾具有較好的克服能力，在工藝負荷變化±20%的范圍內，溫度偏差不超過±3℃。在使用該系統中發現，對入口氣體成份變化，觸媒使用狀況等干擾因素難以克服。其原因是隨觸媒使用時間增長，熱點溫度位置逐漸下降，需要更換檢測點，從而給使用帶來了不便。

(2)單回路控制：當冷激量至熱點溫度通道時間常數，與敏點溫度通道時間常數比較接近時(如前者10min，后者8min)，不必采用串級調節，可采用單變量控制方案。溫度參數有選擇熱點的，也有選擇敏點的。選擇敏點溫度作為控制系統的溫度檢測點，優點是反應靈敏，可以達到調節之目的，在使用過程中敏點位置不像熱點位置那樣隨時間推移有大的變化。再者敏點溫度控制穩定后，整個床層的溫度分布也基本穩定。

(3)前饋一反饋控制回路：長期實踐證明，氨蒸發器出口溫度的變化對觸媒層溫度的影響十分顯著。某廠動態測試發現，氨蒸發器出口溫度變化3℃，動態最大偏差敏點可達24℃，熱點為15℃，所以必須對氨蒸發器出口溫度嚴格控制(都設計有氨蒸發器出口溫度和液位選擇性調節系統)。前述串級回路和單回路如果控制得不理想，則可引入氨蒸發器出口溫度作為前饋補償，構成前饋一反饋控制回路，這是第三種控制方案。某廠使用CENTUM系統實施該控制方案后，觸媒層溫度控制在規定值的±2℃，明顯地延長了觸媒使用壽命。另一廠使用RS-3系統，采用了前饋補償熱點一敏點串級控制，同時使用PID自整定，利用DCS系統組態生成功能強的特點，設置了三個不同PID值的調節器，根據工藝狀況的變化實施PID自適應控制，使觸媒層溫度控制在規定值的±1℃。

(4)分程控制：上述串級控制、單回路控制、前饋一反饋控制三種技術方案，均是以熱點(或敏點)溫度為被控變量，以一次副線入塔循環氣流量為調控變量，來穩定合成塔溫度。上述方案在負荷比較穩定、波動范圍不太大的工況下，可以穩定觸媒層溫度。然而，生產的實踐證明，合成塔生產負荷因受前工序(或多機組)部分設備開機停機的影響而常有大幅度波動。按前面干擾分析，負荷大幅度波動時，單靠一次副線流量調節難以穩定工況。當一次副線流量達最大(或最小)仍不能穩定工況時，工藝要調節二次副線流量以維持觸媒層溫度，故設計了分程控制方案，使用常規儀表調節器采用硬分程調節。

各DCS應用廠均采用軟分程調節，即采用順控表及內部儀表實現軟分程，用不同的“調節器”來調節不同的調節閥，技術方案十分合理。有的廠家為克服滯后，同時使用了史密斯滯后時間補償，使觸媒溫度穩定達±1℃。

(5)觸媒溫度優化控制：各氨廠采用DCS監控生產過程后，為開發高級控制策略提供硬件和軟件條件。某廠在上位機上采用Pascal語言開發了優化控制方案，運用上位機和控制站二級控制觸媒層溫度。習慣上的觸媒層溫度控制，總是通過穩定蒸發器氣體出口溫度這一外部干擾因素，來追求合成塔觸媒層溫度在定值條件下的動態品質和控制精度。但是形式上的一條線，卻犧牲了蒸發器氣體出口溫度最低條件下所取得的經濟效益。通過工藝機理分析，撇開了傳統的調節方法，允許觸媒層溫度依據觸媒的活性在不同的使用期有一定的波動范圍。同時根據實時的氣氨壓力、系統壓力、系統負荷、不同牌號的觸媒活性周期，在維持蒸發器最低出口溫度的條件下，實施觸媒層溫度的優化控制。