合成氨工艺仪表选型及DCS自动化控制系统的设计

徐宁

（大庆石化工程有限公司，黑龙江大庆 163714）

0.引言

近年来，国内合成氨行业发展速度较快，合成工艺制备的氨占总用量的80%。在科技不断发展下，该项工艺不断更新换代，原料类型也不断增加，如石油天然气、洁净煤等，利用烟煤、褐煤与含杂质煤合成氨不但可满足国内生产的氨需求，还可促进低质量煤种利用率提升。在实际应用中，应注重仪表类型的选择与DCS自控系统的创建，才可使合成氨工艺更加高效可靠。

1.合成氨工艺仪表选型

1.1 温度仪表

在仪表选型时应结合相关标准规定，确保所选仪表与现实生产需求相符合。以温度仪表为例，在煤化工厂中应用较为频繁，较为常用的有热电偶温度计、热电阻温度计等，前者适用于高度低于500℃温度内，后者适用温度超过500℃。为使测量结果更加准确，还应将温度计放入保护管内，通过法兰连接后进行使用。

1.2 压力仪表

该类仪表主要对生产期间压力变化进行实时监测，因合成氨工艺涉及变换工段较多，且全部测点压力值最大为3.67MPa。对此，最佳选择为普通压力变送器，但因该工艺中还存在有毒介质、易结晶，故而管路内压力测量优先选择隔膜密封压力器[1]。根据需要监测位置的不同，还可在安装常规压力表的基础上，再使用不锈钢耐震压力表，使测量结果更加准确客观。

1.3 流量仪表

根据合成氨工艺，对流量仪表进行科学选型，如流量变送器、节流装置与各类流量计等。因使用工况不同，所选仪表类型与参数也有所区别。例如，在用于蒸汽流量变换工况时，优选德尔塔流量计；用于管道直径低于300mm、温度低于500℃的蒸汽流量监测时，优选涡街路流量计；反之则选择带有节流效应的流量变送器。

2.DCS自动化控制系统设计与调试

该系统是基于计算机的集中分散控制系统，在工业中得到普及应用。该系统通讯网络分为4层，即管理信息、过程控制、信息层以及I/O总线，组态内容是根据60万t合成氨和80万t尿素项目的工艺流程，采集测量点，绘制流程图，并完成图形变成与系统供电等工作，软硬件设计与调试方法如下。

2.1 总体方案

根据合成氨工艺流程与规范要求，采用集散控制系统对操作期间涉及设备进行集中监控，并设置专门的保护生产装置，检验有毒和可燃气体。该项目的集散系统包括控制站、操作站、UPS等装置构成，可用于合成氨工艺流程集中监控。根据该工艺由汽化到形成产品，共计要经历24个阶段，要求集散系统对各个环节实施监控，并对相关参数与报警信息做好记录。在合成工艺中，循环水利用PLC系统进行监控，对给水、脱盐水等系统用常规仪表监控，污水处理利用PLC控制器监控，压缩机组用ITCC系统监控[2]。

2.2 系统设计

2.2.1 硬件设计

该项目监控点数量较多，且各个主项均单独开展，针对变换工段进行分析。在系统整体设计中，结合变换工段的相关条件，制作DCS监控表，据统计工段内共有198个点数。结合实际点数与控制要求，该系统包括操作站（2个）、控制站（2个）、工程师站（1个）、过程控制网络（1个）。在接地设计方面，该系统与仪表接地可提高运行安全性，因为各部件均为低压配电系统，应遵循电气相关标准予以设计，最终与等电位共用接地网络相连接；在供电设计方面，该系统包括仪表盘、变送器以及相关阀门等部件，联锁控制系统独立设置，单独供电。在供电设计中还要考虑到冗余，如供电电源、UPS等，冗余电源选用双回路电源为其提供电流。

2.2.2软件设计

该项目中变换工段检测点数量较多，共有198个。其中，变送器（54台）、铂热电阻信号（53个）、热电偶信号（28个）、气动调节阀（34台）。自动化程度较高，控制回路多采用常规控制，个别为串级调控。全部关键回路均选择冗余配置，并用浙大中控软件予以组态。在系统配置方面，根据提示安装软件并登陆，用户名默认，选取组态文件的存放位置，再进入到组态界面。在过程控制网络Scnet设置节点内的控制站、操作站组态内，将该工段名称与编号填入。该工段内设定1个工程师站、2个操作站。例如，在4mA～20mA模拟输入信号中，进入变换炉之前变换气压力指示，位号为20PI-1001，卡件可选择FW315-2路，再对测点组态。将位号输入后，描述功能，选取模拟量输入。因该测点只需指示功能即可，无需对参数、报警等选项进行设定[3]。

在报警回路组态控制方面，该工段共有33台阀门，各个回路均采用单回路进行调节，因此该调节回路共由33个测点和阀门构成。例如，在蒸汽流量指示调节报警中，结合工艺要求，当压力值为3.2MPa时为低压报警，压力达到3.6MPa时为高压报警，选择趋势设置，可在软件中完成。在流程图组态方面，根据PID绘制而成，将设备与仪表信号连接后绘制图表，将生产工艺直观准确的反应出来。在流程图绘制期间，应准确识别工艺与自控专用图形符号，还应掌握美工知识，例如在换热器入口压力调节回路中，先开启流程图绘制软件SC DrawEx，采用库中源文件与辅助工具，便可绘制相应流程图，在绘制完毕后编译调试，便可投入到工程内。

2.3 调试与验收

（1）开车步骤。首先，开启煤气废热锅炉的预热蒸汽阀门，对废热锅炉进行煮炉，当蒸汽压力提高到0.06MPa后停止操作；然后，检查变换系统大阀与小副线阀门，联系气化工段预热系统进口总管，再排放空管低点倒淋。针对系统进口气体取样分析后，开启入口阀门，再关闭放空阀；对煤气副线与锅炉阀门进行调节，控制变换炉进口处的温度；最后将废锅预热蒸汽阀门闭合，开启给水泵进行锅炉投运。

（2）系统测试。在工厂验收测试方面，在变换工段内检验机柜内部布线合理性，测试是否可顺利通过。通常采取打点方式，针对I/O通道逐一打点。判断现场数据能否依靠组态搜索到数据，由此判断网络正常型，还应检验是否依照工艺条件实施软件设计；结合技术标准检验硬件配置是否完善；在SIS验收方面，包括应用软件、软硬件检测等，判断逻辑控制器能否与设计要求相符，剩余情况与DCS内容类似。

（3）应用效果。在变换工段方面，根据工艺条件需求，该项目采取控制系统完成各工段生产与管理自控的目标。通过运行结果可知，该设计切实可行，可使系统持续稳定运行没能够满足生产期间对集中管理、分散控制等方面的要求，取得理想效果。工程开车后，现场仪表均可正常运行，自控运行运行良好，技术人员可在主控楼中对各个测点进行监控，自控回路可自动控制回路，使控制精度得到显著提升，有效避免和预防人为因素引发的事故，促进变换工段可靠稳定运行。在装置使用期间，几乎没有发生因控制系统故障而停车的事故，且生产效率显著提升，系统运行更加良好。

3.结语

在化工行业发展中，合成氨工艺逐渐得到广泛应用，作为无极化工类产品，对国民经济发展具有重要推动作用。在实际应用中，应遵循工艺要求与技术规范，合理选择仪表类型，并对各个工段独立控制控制室，依靠DCS系统完成分散管理与集中控制目标。根据应用效果可知，工程开车后，现场仪表均可正常运行，自控回路可自动控制回路，生产效率显著提升，系统运行更加稳定高效。