造气生产工艺自动控制解决方案.pdf

1 造气生产工艺自动控制解决方案 一、造气生产过程的简介一、造气生产过程的简介 化肥生产系统工艺过程是伴随着一系列化学反应的复杂过程，干扰大、通道 长，关联多的生产装置。要使全过程操作稳定，能耗低，经济效益高，必须完善 严格控制生产过程中的主要参数，并综合考虑实现系统装置的优化控制。 造气工序是中氮厂生产工艺的龙头，制气的数量和质量直接和氮肥产量相 关，而其消耗也占各工序中和质量直接和氮肥产量相关，而其消耗也占各工序中 的大头，因此造气炉的节能降耗意义重大。如果说保证造气炉的安全、稳定运转 是其对控制的基本要求的话，那么如何提高产气量、降低两煤耗并使半水煤气成 份符合合成氨的需要就成了造气炉控制的深层次要求。 为了达到这一要求，首先应对造气炉实施全面监控，除制气程控外，有关工 艺参数如蒸气总管压力、 入炉蒸气流量、 上、 下行煤气温度夹套水位、 气柜高度 、 炉条机转速、氢氮比乃至鼓风机、废锅等，均应纳入监控范围，使操作人员在控 制室内即可对整个生产情况一目了然解，心中有数。 生产装置与生产的产品有关，生产的产品不同，工艺流程有所不同。 主要设备煤气炉，鼓风机，油泵站，等。 以煤为主原料，是间歇式制气的方式；吹风过程主要作用是产生制气所需的 热量和合成环节所需的氮气， 产生的气体组分中， 氢和一氧化碳的总体积为5％～ 9％左右，氮气的含量为 71％～76％左右。制气过程是产生合成氨所需的氢气， 结果是产生水煤气，在水煤气组分中，有 H2、CO，其中 H2含量为 48％～52％，CO 为 38％～40％。由于合成氨对各组分的比例有一定的要求，按氨的合成反应的 要求，H/N 的比值必须为 3。吹风过程产生的是大量的氮气，少量的氢气，制气 的过程正好相反。在实际生产中，造气时就要求氢氮比要稍大于 3，实际生产过 程中控制在 3.1～3.2 左右。因为 CO 在变换工段又转化为等体积的氢气。合格的 2 氢和氮在合成工段合成为氨。 在合成氨生产中，一般采用间歇法制取，即空气和水蒸汽都单独交替进行， 构成制取半水煤气的工作循环，每个循环所需时间约 3 分钟。为了使生产的原料 气既能满足合成氨的需要， 又能充分利用。 一般又将每个工作循环分成 6 个阶段 ①吹风。从炉底送入空气，以使煤料燃烧，提高炉温，吹风气由放空管放空。② 回收。吹风后期，吹风气中含有较多的 CO，此时停止吹风气放空，转而将其洗 涤、冷却后送入气柜。③水蒸汽上吹。由发生炉底部吹入水蒸汽，产生的煤气由 炉顶引出并送人气柜。④水蒸汽下吹。上吹之后，炉内高温气化层位置上移。为 保证炉内温度均匀和气化反应相对稳定，上吹后，还须从炉顶向下吹入水蒸汽， 并由炉底将煤气引出送入气柜。⑤二次上吹。在下吹后血于炉底存有大量煤气， 如果立即转入吹风阶段，将空气从炉底吹入，则空气和煤气混合会发生爆炸。因 此下吹后还要进行水蒸汽二次上吹，即用水蒸汽将炉底及进风管道中的煤气吹 净，并将煤气回收至气柜中。③二次回收（或称吹净）二次上吹后，炉顶和上部 管道还有煤气，所以在吹净阶段开始吹风的短时间内，不应将吹风气放空，而是 利用吹风气把剩余煤气回收入气柜。 造气工段由于生产工艺的特殊性， 加之生产环境较差以及生产中的不稳定因 素较多，使造气的技术进步受到了制约。 经过多年的努力已经完善了造气工段的多项配套控制技术 造气顺序控制技 术，H/N 自动控制技术，入炉蒸汽流量自动控制技术，自动加煤机电一体化控制 技术，入炉蒸汽压力自动控制技术，自动下灰机电一体化控制技术。这些技术在 氮肥厂造气工段的成功应用使造气工段的全自动化连续性生产得以实现。 二、造气顺序控制技术二、造气顺序控制技术 操作简单,规范通用,具有可扩展性和低投资,高效益的回收,可靠性高,功能 齐全, 具有制气程序控制的所有工能。 其中自动吹风排队， 制气操作， 制惰操作 ， 自动加煤控制，自动下灰控制,且参数均可调整修改。 三、煤气炉工艺及要求三、煤气炉工艺及要求 如用户现场有两台煤气炉，两台煤气炉的生产工艺相同。其生产流程如下图 所示 3 每台煤气炉的制气周期分为 6 个步序，即一、二上；二、吹净；三、吹风 ； 四、回收；五、上吹；六、下吹。除上吹时间外，每步均要求设立操作设定窗口 ， 由操作运行人员根据工艺条件来设定、修改每步的执行时间。上吹时间等于制气 周期时间减去其它步执行时间之和后的时间，是由系统运算得出，因此上吹时间 不需人工设定。 系统内部为每台煤气炉设置个制气周期计时时钟， 此计时时钟的计时时长由 操作运行人员根据工艺条件来设定、修改，并且循环计时。在煤气炉停止运行状 态下此计时时钟也处于循环计时，它的作用用于两台煤气炉的吹风排队。 煤气炉其制气的生产步序如下表煤气炉其制气的生产步序如下表 煤气炉其制惰气的生产步序如下表煤气炉其制惰气的生产步序如下表 吹风吹风蒸总蒸总氮总氮总上吹上吹下吹下吹上行上行下行下行上加上加下加下加烟囱烟囱煤总煤总 二上二上关开开开关开关关关关开 吹净吹净开关关开关开关关关关开 吹风吹风开关关开关开关关关开关 回收回收开关关开关开关关关关开 上吹上吹关开开开关开关开关关开 下吹下吹关开开关开关开关开关开 停车停车关关关开关开关关关开关 备注 通电开 通电开 通电开 通电关 通电开 通电关 通电开 通电开 通电开 通电关 通电开 吹风吹风蒸总蒸总氮总氮总上吹上吹下吹下吹上行上行下行下行上加上加下加下加烟囱烟囱煤总煤总 二上二上关开开开关开关关关开关 吹净吹净开关关开关开关关关开关 吹风吹风开关关开关开关关关开关 4 要求每步的执行时间 四、煤气炉控制方案四、煤气炉控制方案 在煤气炉正常运行情况下（操作运行人员不操作干预） ，系统根据操作运行 人员设定的制气周期计时时钟的计时时长和各步执行时长来确定各步的起止时 间，并且按此来顺序执行各步。另根据工艺要求实现如下各功能 4 4、、1 1 步进功能步进功能从本步步进到下一步。 1、步进功能在本循环内， 若吹风阀打开过后直接步进到下吹时， 应该先执行 5S 上吹后才能进入下吹。 2、步进功能在本循环内， 若排队时钟计时没到或超过吹风设定时间时， 步进 功能不能步进到吹风、回收步，而应该由吹净直接步进到上吹。 3、在本循环内从本步步进到下一步时， 相应的缩短了本步的执行时间， 但并 不加长步进到的相应步的执行时间。 4 4、、2 2 延时功能延时功能延长本步执行时间。 延时功能可由延时功能键和手动键来实现，其区别在于延时功能键只在本循 环内执行延时，本循环执行完后则自动复位；而手动键只能手动取消延时，不受 循环时间控制。 1、二上执行时延时直到排队时钟计时到下吹步，此时若取消延时，则应该 先执行 5 秒的吹净，再执行 5 秒的上吹后，若排队时钟计时还处于本循环内的下 吹步，才可执行下吹。 2、吹风执行时延时直到排队时钟计时到下吹步，此时若取消延时，则应该 先执行 5 秒的上吹后， 若排队时钟计时还处于本循环内的下吹步， 才可执行下吹 。 4 4、、3 3 开车时开车时必须先执行一个完整的二上后才可步进（强开除外） 。 4 4、、4 4 强开功能强开功能相应系统从吹风开始开车制气，开车顺序是手动键置位强 开键置位开车键置位相应系统从吹风开始开车制气。 此功能只在手动键置位和停车状态下才可置位。并本循环执行完后自动复 回收回收开关关开关开关关关开关 上吹上吹关开开开关开关关关开关 下吹下吹关开开关开关开关关开关 停车停车关关关开关开关关关开关 备注 通电开 通电开 通电开 通电关 通电开 通电关 通电开 通电开 通电开 通电关 通电开 5 位。 4 4、、5 5 制惰功能制惰功能相应系统制惰开车，与默认的制气开车互锁，并只有在停车状 态下才可置位制惰键。 1、在停车状态下置位制惰键，开启相应系统制惰功能。 2、置位开车键后，相应系统进入制惰，此时不能取消（或复位）制惰。 3、制惰完成后，置位停车位停车后，可取消制惰。 4、相应系统进入制惰开车后，全上和减氮功能自动打开（打开后可手动 取消） ， 5、当取消减氮功能后，系统从下一循环开始回收氮气。 4 4、、6 6 减氮功能减氮功能关闭加氮阀。 在系统进行上吹或下吹时，置位减氮键，则关闭加氮阀，取消吹延时间，若 本循环结束前未取消减氮功能，则下一循环取消回收步，回收时间加到吹风步。 若在下一循环结束前取消了减氮功能，则恢复吹延时间，并从接下来的第三循环 内恢复回收步。 4 4、、7 7 气柜键和放空键气柜键和放空键这两键功能互锁。 放空键置一时，气柜键置零，五号阀输出断开（烟囱阀打开，煤总阀关闭） ；气 柜键置一时，放空键置零，五号阀输出接通（烟囱阀关闭，煤总阀打开） 。此功 能可在相应系统处于开车或停车状态下使用。 4 4、、8 8 停净键停净键停净键置一时，五号阀输出断开（烟囱阀打开，煤总阀关闭） ，吹 净步时间加到吹风步。 4 4、、9 9 全上功能全上功能全上键置一时，本循环内的下吹步取消，下吹步时间加到上吹 步。 4 4、、1010 回零功能回零功能将相应系统排队时钟回零，使其从零开始计时，并且相应系统 从二上开车开始执行，延时和步进功能复位。 4 4、、1111 紧急停车紧急停车紧急停车键置一后，相应系统所有输出断开，所有功能复位， 开车键复位。相应系统恢复到开车前停车状态。 4 4、、1212 开开/ /停车键停车键当相应系统处于停车状态时且制惰键为零，点此键置开车位 和制气位为一，相应系统开车执行完整二上后进入循环；当相应系统开车 执行循环时，点此键置停车位为一，相应系统此时不能马上停车，应该在 执行吹风步一段时间后停车。 6 4 4、、1313 当本步执行完后当本步执行完后，关断本步输出，执行下一步，且仅当本步输出控制的与 下一步输出控制的不相同的阀门关断后，才能正常执行下一步，以此来防 止上下步输出控制的阀门同时处于开状态。 4 4、、1414 上吹执行时间上吹执行时间是根据其余五步实际执行时间和总循环时间计算出来的，不 需设定。 4 4、、1515 吹风阀吹风阀要求延时关闭，延时时间由操作运行人员设定。 4 4、、1616 上加阀要求延时打开上加阀要求延时打开，并在上吹步时间执行完前关闭，延时时间和上加阀 打开时间由操作运行人员设定。 4 4、、1717 下加阀要求延时打开下加阀要求延时打开，并在下吹步时间执行完前关闭，延时时间和下加阀 打开时间由操作运行人员设定。 五、五、H/NH/N 自动控制技术自动控制技术 控制 H/N 比值的方法是通过在吹风或上下吹阶段时加减氮来控制的。 而加减 氮的操作又是通过调节上下吹加氮时间和二吹风回收的时间来实现 。从而到达 控制 H/N 比稳定在某个最佳点上。但是由于造气与合成之间设备多，管道长，路 线长，各环节都安装有化学反应装置，控制难度大。纯滞后时间长，从造气到合 成一般都需要 20～50 分钟的时间。系统响应时间很缓慢。干扰因素多，媒质、 生产工况、变换的转换效率，压缩机的开停、总蒸汽压力、生产负荷的加减量等 等。 H/N 的控制是一个干扰因素多，时变和大纯滞后的复杂系统，难以建立精确 的数学模型，困难多多。由于合成氨工艺的复杂性，长期以来 H/N 比调节一直是 一个较为棘手的问题。给开发这项技术带来了相当大的难度。按神经网络和摸糊 控制理论相结合的方法，针对动态变化的情况来修正控制规律，不同情况与不同 部位干扰引起的偏差运用不同的手段达到稳定氢氮比的目的。H/N 微机具有自学 习、自组织、自分析、自判断、自适应的能力。从而能针对生产过程的动态变化 情况及时修正控制规律。不同情况不同干扰引起的偏差，用不同的控制手段达到 稳定 H/N。现场适应性强，可在没有任何要求下在现场安装使用。能根据厂方实 际情况和要求实现 H/N 控制或恒氢控制， 能随时对各种参数进行显示， 操作简单 ， 操作工容易掌握。 六、入炉蒸汽压力和流量控制技术六、入炉蒸汽压力和流量控制技术 入炉蒸汽控制技木是稳定入炉蒸汽压力，为炉况稳定创造条件。入炉蒸汽 流量控制技术是根据气化层温度进行入炉蒸汽流量的调节。目的是节省蒸汽、稳 主炉况，提高蒸汽解率，提高有效气体成份。 对于入炉蒸汽流量，有的厂家不加控制而采用恒定流量。有的厂家根据间 接测量到的炉温人为地依据一定模型算出的气化层温度进行入炉蒸汽流量的控 制。这种方法也不是真正的闭环控制。而且投资大。入炉蒸汽流量控制技术采开 7 环控制，即根据炉况来设置一定的控制曲线达到入炉蒸汽流量进行调节的目的。 被设定的控制曲有 3个参数可凋， 即阀门开度的上线， 和恒定流量时间比 （T1/T）。 只要调整相应的参数就有不同的控制曲线以及不同的调节规律。有上吹，下吹入 炉蒸汽入流量控制的输出信号。 原理如图原理如图 线开度上线 开 度T1 恒定时间开度下线 [℅] 时间 t T 阶段时间 七、自动加煤控制技术七、自动加煤控制技术 品种繁多，都能使炉况更加稳定，单炉发气量提高，减轻劳动强度。使用自 动加煤机的最大好处是温度稳定。人工加煤时都要把炉盖打开，损失掉大量的热 量，随后又加入大量的冷焦炭或白煤，将红火压住，使上气道温度急剧下降，最 高温度和最低温度之间的波动可达到 200 度左右。使用自动加煤机的煤气炉，各 点温度一般波动范围仅在 40-50 度。可见，从节省加煤时间和减小炉温上看，对 比人工加煤，具有非常明显的经济效益，是提高气体质量，降低消耗，增加经济 效益的有效途经之一。 八、自动下灰机电一体化控制技术八、自动下灰机电一体化控制技术 自动下灰的含义是在不影响造气生产， 不需要停炉生产的情况下实现自动下 灰，大多数厂家都没有采用此项技术。 九、煤气炉控制效果及意义九、煤气炉控制效果及意义 化肥厂造气工段的时间顺序控制是逻辑性很强的过程控制， 而且控制精度要 求非常高，但用 SunytechPCC800 系统已完全实现了用户需求，满足化肥厂造气 工段的工艺控制要求，并且我们在模拟量的处理上有很大优势，因此，用户使用 本系统后，反映良好。