氨合成危险工艺自动化控制改造的设计及探讨

2014-09-15吴建颖WUJianying

价值工程 2014年22期

吴建颖WU Jian-ying

（河北华飞科技咨询有限责任公司，石家庄 050091）

（Hebei Huafei Technology Consulting Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050091，China）

1 改造的必要性

氨合成工段原料气中含有氢气，生产的产品为液氨，均属于易燃易爆物质，可与空气混合形成爆炸性混合物，这些物质发生泄漏，遇明火、电气火花、静电火花都发生火灾爆炸的危险。合成反应一般都为高温、高压，可使易燃易爆物质的爆炸极限扩大，增大了爆炸的危险性。如果气体高速驰放，可以在管口因摩擦产生静电聚集，瞬时产生高能量放电，造成着火爆炸。氨合成工段在放氨时，高低压系统同时存在彼此紧密相连，如果放氨操作失误或其它设备原因，极易造成高压气体窜入低压系统，引起低压系统超压爆炸，并将导致大量氨泄漏，造成人员中毒，同时泄漏的氨有可能造成二次爆炸。高温高压可加速设备金属材料发生蠕变、改变金相组织，还会加剧氢气、氮气对钢材的氢蚀及氮渗，加剧设备的疲劳腐蚀，使其机械强度减弱，发生物料爆炸。在合成氨的生产中存在许多的危险因素，在生产活动中，如果不能对装置进行较好的控制和改造，则容易发生安全事故，不仅会使企业的经济效益受损，同时也会造成人员伤亡，无论是对化工企业自身，还是对员工来说，都要付出巨大的经济和精神代价，因此，对氨合成工段进行自动化控制工艺改造是十分必要的。

2 改造方案

2.1 氨合成工段工艺流程叙述循环机送来的经过循环气油器除去油沫、水雾的循环气，在冷交换器换热后，与压缩工段来经补充气油分后的补充气混合进入氨冷器，气体走盘管内，液氨在管外吸热蒸发，以冷却管内气体，使气体中的气氨冷凝为液氨，同时气体中所含的一部分油、CO2、CH4和Ar 也溶于液氨中，氨冷器管内气体被冷却至约为-5～-20℃，进入冷交换器下部的分离器，完成液氨的分离过程，同时分离出一部分液氨；经除氨后冷气体至上部换热器管间与管内气体换热回收冷量，温度升20℃左右，从冷交换器上部出口流出进入塔前预热器。

在塔前预热器中与来自水加热器的气体进行热交换，提高温度至90℃左右，气体分成五股，其主气流通过主气阀从塔顶入塔，沿内外筒环隙下行，以冷却和保护外筒，进入下部换热器进行预热，再经下部中心管进入中部（二、三段间）换热器加热至370℃，经中心管进入一段触媒，另外有四股气体分别经四条付线入塔。一条付线进入的气体在下部换热器出口与主线进入的气体混合可调节四段温度，一条付线调节零米触媒的温度。一条付线冷气下降进入菱形分布器，冷却一段出口气体，被加热后的气体经升气管入一段入口与中心管出来的中部换热器主气流混合一起进入一段触媒层，另外一股气体进入上部换热器，调节三段触媒层的温度。经中心管来的气体与塔顶的两股气体混合后，经过一段触媒反应，依次经菱形分布器、进入二段触媒层反应；经上部换热器换热，在三段触媒层反应；经中部换热器换热，在四段触媒层反应，最后经下部换热器降温至290～330℃出合成塔。出合成塔的气体进入废热锅炉换热，温度降至190℃，副产蒸汽送蒸汽管网。

由废锅出来的气体进入水加热器，加热由变换来热水至120℃，本身被降至120～130℃左右，进入塔前预热器，预热进塔气体90℃左右，然后进入喷淋式水冷却器，气体温度降至20～35℃，再进入氨分离器，进一步降温至10～15℃，使出塔气体中气氨部分冷凝成液氨，分离部分液氨后，剩余的大部分氢氮气及氨气等进入循环机加压，经循环气油分后与精炼气继续下一循环。

气体在循环过程中，气体中的惰性气组分不断积累，为保证氨反应良好，需设置放空，因此在流程中设置放空管线，塔前设在循环机油分后，塔后设在氨分离器后。

冷交换器、氨分离器分离下来的液氨经放氨阀，减压至1.6MPa 左右送氨站。

氨冷蒸发后的气氨经顶部除沫分离器分离掉液氨雾后经气氨总管送入冰机系统。

2.2 原有系统控制方式：由于历史原因，我国一些合成氨企业大部分还是20 世纪70年代建成的工厂，很多企业的工艺控制过程还是操作人员手动操作，PLC 系统监控重点操作参数，没有实现自动化控制和调节，不能满足安全生产的求。

2.3 改造过程采用的自动控制

2.3.1 温度显示报警及调节 ①合成氨塔塔壁设置三个温度监测高限报警点，随时监测不同段塔壁温度，以保证合成塔的安全运行。②合成氨触媒层设热点温度指示报警点，监测合成塔内的反应。当温度超过热点温度±5℃时，启动报警。合成塔进料管线上安装程控阀，远程手动调节的合成塔的进料量和冷激线气体流量以控制各触媒层温度。③合成塔出口、各个换热器进出口温度显示。

2.3.2 压力显示报警及调节 ①氨合成塔进出口设压力指示和压差高限报警，当合成塔进口压力超过设定值1MPa 时，DCS 系统发出报警，并手动打开氨分离器出口放空阀，防止系统超压，同时合成塔进出口压差超过设定值DCS 系统发出报警。②废锅蒸汽管线上设置压力自动调节阀调节废热锅炉的压力并设蒸汽压力高、低限报警，以保证废热锅炉的安全运行。③氨冷器压力高限报警以保证氨冷却器的安全运行。

2.3.3 在线分析 ①合成装置新鲜补充气管道上安装CO+CO2+H2在线分析仪，以保证合成反应的良好地进行防止合成催化中毒。②合成装置循环气管道上安装CH4+H2在线分析仪，以防止惰性气不断积累影响合成反应的速率。③合成装置合成塔进气管线上安装NH3在线分析仪，防止进塔气带氨造成合成塔温度骤降。

2.3.4 液位调节 ①设置氨分离器液位自动调节阀，液位高、低限报警，防止高压气体进入低压液氨储存系统。②设置冷交换器液位自动调节阀，液位高、低限报警，防止高压气体进入低压液氨储存系统。③设置废热锅炉液位自动调节阀，液位高、低限报警，以保证废热锅炉的安全运行。④设置氨冷器液位自动调节阀，液位高、低限报警，以保证氨冷器的安全运行。

2.3.5 流量显示调节 ①合成装置循环机的进出口设副线，采用程控阀远程控制循环气流量以调节合成塔的温度压力。②合成装置设有系统大副线，采用程控阀远程控制循环气流量以调节合成塔的温度压力。③合成装置合成塔进口管线设置在线流量计，监控进入合成塔不同部位的气体流量。

2.3.6 安全泄放系统 ①氨冷凝器、软水加热器、废热锅炉等高压设备均设置安全阀，防止高压气体泄漏到低压空间造成物理爆炸。②正常运行中合成塔前后的氢氮气系统放空管线设置程控阀，放空气去氢回收系统。③循环机出口管设安全阀和紧急放空管。

2.3.7 可燃有毒气体检测设置可燃、有毒气体检测报警装置。