基于DCS的氢氮比控制系统应用设计 文档在线提供.docx

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基于DCS的氢氮比控制系统应用设计文档在线提供

四川理工学院毕业设计（论文）

基于DCS的氢氮比控制系统应用设计

学生：

尹恒

学号：

07021010324

专业：

自动化

班级：

2007.3

指导老师：

干树川

四川理工学院自动化与电子信息学院

二0一一年六月

摘要

氢氮比一直都是合成氨工业最关键的工艺参数之一，氢氮比控制好坏与生产安全和合成氨的经济效益都直接相关。

针对氢氮比控制干扰因数多，大时滞和大惯性等特性，提出用集散HS2000实现氢氮比自动控制的方法，并对其系统进行了SAMA图设计、工程组态、硬件配置，为氢氮比控制提供了一种工程实现方法。

基于该方法的控制系统抗干扰能力强，实现简单，在中小型合成氨厂取得了良好的控制效果。

关键词：

氢氮比；大时滞；组态；合成氨；SAMA图

ABSTRACT

Applicationofhydrogen-nitrogenratiocontrolsystemdesignbasedonDCS

TheHydrogen-nitrogenratioisaimportantkeycraftinsynthesizetheammoniaindustry,whichisdirectlyrelatedtothesafetyofthewholedeviceandtheeconomicperformanceofproduce.ThisdesignisbasedontoomanyinterferencefactorsofHydrogen-nitrogenratiocontrolling,andthelarge-time-delaysystem,proposedacontrolsystemforusingdistributecontrolHS2000torealizeauto-controlinthehydrogen-nitrogenratiocontrolsystem.InwhichitalsogiveSAMAdesign,installthehardwareandcompareoftheengineering.tothesystem,aswellasanewmethodforhydrogen-nitrogenratiocontrol.Theresultshowthatthiscontrolsystemhaveastrongabilitytoanti-interference,andsimpletorealize,obtainedagoodresultinsynthesizetheammoniaindustry.

KEYWORDS：

Hydrogen-nitrogenratio；Large-time-delaysystem；Compareoftheengineering；Synthesizetheammonia;SAMA

第1章引言

合成氨的生产过程中氢和氮的比值是一个很重要的参数，对于合成氨装置来说这个参数的控制还存在一些问题。

该装置的主要原料是空气和天然气。

氮来自于空气；氢来自于天然气。

空气和天然气在造气工段经过一系列加工净化处理后再进入合成塔,合成反应后生成氨气。

氢氮比控制具有干扰因数多，大时滞和无直衡等特性。

上述的过程相当复杂，氢氮的合成环节主要是一个相对复杂的难于控制环节。

对此环节要实现闭环稳定的控制，经济效益相当明显，是合成氨生产当前急需要解决的问题。

由于上述对象特性，决定了氢氮比控制系统的设计要克服大时滞和多种干扰，长期以来化工合成氨界，对如何解决该问题提出了很多的设计方案，但效果都不是很好。

以天然气为原料的大型氨厂为例，由工艺流程看，合成系统的氢氮比是采用以氢定氮方案，即通过改变二段转化炉能加入多少空气量来进行一定调整的。

从空气量的加入，经过二段转化炉，变换炉，脱碳系统，甲烷化，压缩至最后再进入合成循环回路，经历了全流程，它的传递时间很长，因而具有很大的纯滞后。

另外一方面，对二段转化炉加入空气量的调整，经过一系列反应装置后，可使甲烷化炉出口的新鲜气氢/氮比发生变化，但在进入循环回路后，还需经过相当长的时间才能使进入合成塔气体中的氢氮比发生真正的变化，这说明它的惯性滞后也很大。

为了控制好该环节，本文提出了现阶段应用比较多的两种氢氮比控制方案，经过反复比较选择了采样-前馈、串级控制系统效果较好，本设计提出了一种用集散HS2000系统软件控制氢氮比的控制方案，并对其系统进行了硬件配置、工程组态。

为氢氮比控制提供了一种工程实现方法。

下面先对DCS进行简介。

DCS即集散型控制系统，又称分布式控制系统（DistributedControlSystem）。

它的主要基础是4C技术，即计算机－Computer、控制－Control、通信－Communication和CRT显示技术。

DCS系统通过某种通信网络将分布在工业现场附近的现场控制站和控制中心的操作员站及工程师站等连接起来，以完成对现场生产设备的分散控制和集中操作管理。

DCS自1975年问世以来已经历了近三十年的时间，其可靠性、实用性不断提高，功能日益增强。

如控制器的处理能力、网络通讯能力、控制算法、画面显示及综合管理能力等。

DCS系统过去只应用在少数大型企业的控制系统中，但随着4C技术及软件技术的迅猛发展，到目前已经在电力、石油、化工、制药、冶金、建材等众多行业得到了广泛的应用，特别是电力、石化这样的行业。

经历了二十几年的发展，DCS有了很大的变化。

这种变化来自两方面的动力：

用户需求的不断提高和电子与信息技术的快速发展。

用户的需求已经不再满足于应用DCS代替常规的仪表控制和简单的数据检测，同时随着电子与信息技术的进步使得DCS应用的构成元件（电子元器件、处理器、软件、网络等）性能大大提高且价格大幅度下降，特别是各种板级OEM部件和HMI软件的发展进一步简化了DCS的开发难度并降低了开发成本。

本文先通过对合成氨的工艺流程进行了详细的介绍，在第二章中介绍了氨合成的基本过程，并对其提出了几种控制方案，最终选择了集散HS2000来进行系统软件控制，在第三章中介绍了集散控制的历史和发展，并介绍了如何建立HS2000系统，在其中介绍了如何建立了操作员站，工程站等，第四章为本设计的重点，首先对氢氮比的控制系统构建做了前期工作，例如：

建立操作员站，工程站，建立测点清单，建立系统配置图，参数定义等一系列工作，然后用HS2000组态对其进行主态，得到所要的系统组态图，最后就是对此系统进行了说明，并对各模块进行了简单的说明。

第2章合成氨工艺

2.1合成氨的概述

我国合成氨工业于20世纪30年代起步,1941年,最高年产量不过50Kt.新中国成立后,经过数十年的努力,已形成遍布全国,大中小型氨厂并存的氮肥工业布局,1999年合成氨产量为34310KT,排名世界第一.

20世纪50年代初,在恢复与扩建老厂的同时,从前苏联引进并建成一批以煤为原料,年产50Kt的合成氨装置.60年代,随着石油,天然气资源的开采,分别从英国引进已天然气为原料,年产100Kt的加压蒸汽转化合成氨装置;从意大利引进渣油为原料年产50Kt的部分氧化法合成氨装置.从而形成了以煤,油,气原料并举的中型氨厂的生产体系.为适应农业发展的迫切需要,发挥中央和地方办化肥厂的积极性,从20世纪60年代开始在全国各地建设了一批以炭化法合成氨流程制取碳氨为主的小型氨厂,1979年发展到1539座氨厂.目前对这些小型氨厂的改造重点是抓好规模,品种,技术,产业等方面的结构调整工作.

随着石油,天然气工业的迅速发展,20世纪80年代后期和90年代初期,我国引进了具有世界先进水平日产1000t的节能型合成氨装置.与此同时,我国自行设计的以轻油为原料的年产30万吨的合成氨装置于1980年建成投产,以天然气为原料,年产20万吨的第一套国产化大型装置于1990年建成投产.

由于我国人口众多,粮食产量不断提高,化肥需求量逐年增长,在九五期间又相继建成投产了以天然气,渣油,轻油,煤为原料的大型合成氨装置,分布在海南东方县,乌鲁木齐,呼和浩特,九江,兰州,南京,吉林和渭南等地.

2.1.1合成氨生产的基本过程

合成氨生产,必须制备含有氢和氮的原料气.氢气来源于水蒸气和含有碳氢化合物的各种燃料.目前工业上普遍采用焦碳,煤,天然气,轻油,重油等燃料,在高温下与水蒸气反应的方法制氢.氮气来源于空气,可以在低温下将空气液化分离而得,也可在制氢的过程中加入空气,将空气中的氧与可燃性物质反应而除去,剩下的氮与氢混合,获得氮氢混合物.

除电解水（此法因电能消耗大而受到限制）以外,不论用什么原料制取氢、氮原料气,都含有硫化物,一氧化碳,二氧化碳等杂质.这些杂质不但能腐蚀设备,而且还能使氨合成器中毒.因此,因此把原料气送人合成塔之前,必须进行净化处理,除去各种杂质,获得纯净的混合合成气.因此,合成氨的生产过程包括以下三个主要步骤:

第一步,原料气的制取.制备含有氢气,一氧化碳,氮气的粗原料气，一般由造气,空分工序组成.

第二步,原料气的净化，除去粗原料气中的氢气,氮气以外的杂质，一般由原料气的脱硫,一氧化碳的变换,二氧化碳的脱除,原料气的精制工序组成.

第三步,原料气的压缩和合成.将符合要求的混合气压缩到一定的压力后,在高温,高压和有催化剂的条件下,将氢氮气合成为氨.一般由压缩,合成工序组成.

生产合成氨的基本过程可用下面的方框图表示:

图2-1生产合成氨基本过程

2.2工艺流程简介

大型合成氨厂工艺过程可分为制气，净化，合成三个工序。

制气工艺因原料不同，工艺各异。

煤制气采用鲁齐技术或德士古技术。

天然气，石脑油，渣油制气技术。

经脱硫，变换，脱二氧化碳。

最终净化均为原料气净化，均涉及物流输送，压缩，换热等传质传热过程。

氨合成塔多为层间冷激式绝热固定床，四层催化剂结构。

各生产厂家采用工艺技术不同，流程设备及传热也不同。

天然气蒸汽转化，热法净化法典型工艺流程，如图2-2。

经脱硫后的天然气与蒸汽以一定比例混合进入一段转炉炉管内，在触媒层进行天然气（CH4）转化反应。

在炉管外通过对天然气和驰放气的燃烧来提供CH4的反应所需求的热量。

者些研究成果的推广应用，各企业都十分重视，采用高新技术增加效益是企业决策者所愿。

一段转化炉的出口气再和工艺空气与蒸汽混合后进入到二段转化炉，在触媒层，使残留的甲烷再进一步的转化，最终要让二段转化炉的出口气中的甲烷含量能降到所规定的指标以下。

在二段炉配入工艺空气是根据系统对氢氮比的要求进行一定调节的。

从二段炉转化出来的气体再经过废锅炉进行一定的热量回收，并生产高压蒸汽，将经过热量回收过后的工艺气体导进变换工段，依依经过低温变换炉与高温变换炉，在触媒层进行转换反应。

经低温转变后工艺气中因含有大量二氧化碳，该工艺气被引进二氧化碳的吸收塔底，在塔内和脱碳这、溶（碳酸钾溶液）逆流接触，工艺气中二氧化碳被溶液吸收，脱碳气从顶部引出。

从吸收塔的底部出来富液经过再生塔降压闪蒸，脱出二氧化碳后，返回循环再使用，再生塔的顶部出口得二氧化碳供尿素的生产使用。

从吸收塔的顶部出来的脱碳气进入甲烷转化炉，使未被彻底清除一氧化碳和二氧化碳，在甲烷触媒作用下和氢气发生一定反应，最后使残留的氧化碳，二氧化碳脱除微量，从而能制出合成氨需要的氢氮的混合气（叫新鲜气），此新鲜气经过压缩机加压，并与合成塔出口循环气混合后，再经循环压缩后进入合成系统。

在氨合成塔的触媒层上进行合成反应生成氨。

合成塔出口气经过一系列换热器进行热量回收，在分离器中分离出液氨，大部分气体则返回循环使用。

主要化学反应如下：

甲烷转化反应：

CH

+H

O=CO+3H

（2-1）

CH

+2H

O=CO

+4H

（2-2）

一氧化碳变换反应：

CO+H

O=CO

+H

（2-3）

合成氨反应：

3H

+N

=2NH

（2-4）

2.3合成系统的控制

氨的合成反应方程式它属放热且摩尔数减少的可逆反应，采用固定床绝热反应器，其主要的复杂控制系统包括：

氢氮比，床层温度与惰性气体含量控制等。

氢氮比控制在合成工段中，氢氮比是合成氨最关键的工艺参数之一，氢氮比控制的好坏与整个生产的安全及装置的经济效益都是直接相关的。

另一方面，由于被控对象惯性滞后大，且具有大时滞以及无自衡的特点，这就是氢氮比控制难度增加。

以天然气为原料的大型氨厂为例，由工艺流程看，合成系统的氢氮比是通过改变二段转化炉中加入的空气量多少来进行一定调整的。

从空气量加入，经二段转化炉，变换炉，脱碳系统，甲烷化，压缩到最后再进入合成的循环回路。

几乎经历过了全部流程，它的传递时间很长，因而具有很大的纯滞后。

另外一方面，对二段转化炉加进的空气量调整，经过一系列反应的装置后，可使甲烷化出口新鲜气中的氢氮比能发生一定变化，但是在进入循环回路后，还需要经过相当长的时间才能够让进入氨的合成塔的气体中氢氮比来发生真正的变化，此说明了它惯性滞后环节也很大。

对于无自衡的特点，可以从化学方程式的反应来说明。

氨的合成中总是由3；1比例来消耗氢与氮，如果此新鲜气中氢/氮比大于（或小于）3：

1，那么多余的氢（或氮）就积存在循环回路中，通过不断的循环，使该回路中氢/氮比更加偏离于正常值，不能自动

图2-2天然气转化热法净化制氨工艺流程图

2.4氢氮比干扰因素

合成氨的生产中的氢氮比值是一个重要的参数，几乎所有合成氨的装置对该参数控制都有一定问题。

下面以大庆的石化公司的化肥厂的合成氨的装置举例。

大庆的石化公司的化肥厂的合成氨的装置具有特殊性但是更重要是它共性。

该装置生产原料由空气与油田的原料气组成。

氮来自空气，氢来自油田的原料气。

空气与油田的原料气在其造气工段经一系列的加工，净化处理之后再进入合成塔中,经合成反应之后生成得到氨气。

上述的过程是十分复杂的，氢氮的合成环节也是一复杂且难控的环节。

对此环节能实现闭环的稳定控制。

此经济效益是十分明显的，当前对于合成氨的生产急要解决的该问题。

此环节难控原因如下

（1）纯滞后的时间大。

由造气工段进入合成工段的间隔时间大概需要20到25分钟，因为其通道太长，且加大了此系统时滞，据初步的估计该系统的纯滞后时间

约为30分钟，然而氢和氮得合成过程却是一化学变化的过程。

这就决定该系统时间常数T不会很大，从而使得：

（2-5）

远大于1，如所周知,对于

>0.6系统。

PID的调节器早已经不能够很好控制了，对于

>1系统就更是无能为力，因此即使该自动控制的设备是很良好的DCS，此环节自动闭环的稳定控制还是不能够实现。

（2）无自衡和蓄存性。

合成塔以三比一关系的消耗氢和氮，如果不是补充气以三比一进行补充，那么将有氢气或氮气的积累，这就是所谓对象无自衡性，已经积累好的氢或氮将存在于循环气中且不会自行的消失，这就是蓄存性。

要消除积累好的氢或氮必须将一股和原积累方向相反的氢或氮去补充。

（3）扰动因素多。

归纳起来有：

原料油的田气系统中的变换气的流量、氢的含量、氮气的纯度，以及为了降低该系统的压力与惰性气体的含量中弛放气的流量等，还有很多其他不可测的干扰因素。

实际生产表明：

氢氮比是此装置里最难控制的变量。

利用常规的PID组成控制系统由于适应能力较差，不能满足该变量控制的要求。

所以多年以来，此生产装置氢氮比控制大多是通过人工的调节，氢氮比控制一般在2.8~3.2合格。

若用手动来控制，那么在装置稳定时可以收到满意的效果，但是装置情况将有变化，比如大的干扰发生或者处理量发生变化等，手动控制不能及时的跟踪。

这就使装置在一段时期内不稳定，将必然影响该产品产量与质量。

.大多厂合格率仅有43％左右，这严重影响了合成氨产量。

综合上述分析，氢氮比成为难控环节原因有二：

一是该装置的特性原因，它是一个复杂的大时滞环节；二是所用DCS的控制算法原因，即在DCS中其使用算法基本都是PID，然而PID对于此大时滞的强干扰环节控制能力相当的差。

第一个原因是客观存在，工艺与装置是不能够做任何的改变。

因此要解决此氢氮比控制问题。

只有从第二个的原因下手，所以要用好的控制方案对该环节进行一定控制。

为此在理论与实践上人们进行了许多研究工作，试用了大量方法，但是效果都不太理想。

无论是从理论还是实践来讲，寻求高性能的控制策略来构成氢氮比计算机实时控制系统，以改善氢氮比环节的控制。

由于上述对象的特性，决定了氢氮比控制系统的设计要克服大时滞和多种干扰，下面介绍几种氢氮比控制方案，皆采用计算机控制的复杂控制回路。

2.5几种控制方案的介绍

2.5.1氢氮比自动调节系统

本系统适用于以天然气为原料的中小型合成氨系统，核心控制部件采用了OMRONSYSMAC系列PLC,上位机构成实时监控系统。

本控制系统具有控制准确、可靠性高、功能强、观察直观、操作简便等优点.

系统功能:

氢氮比的自动调节;补充气体中，氢、甲烷的检测和动态曲线分析;循环气体中，氢、甲烷的检测和动态曲线分析;合成系统压力的检测和动态曲线显示;气柜出口流量的检测和动态曲线显示;气柜出口氢气的检测和动态曲线分析;工作流量的检测和动态曲线显示。

图2-3氢氮比自动调节系统

系统原理:

从合成实时采集补充气体中的补充氢和甲烷，通过氢和甲烷分析仪到上位机检测和分析;采集循环气体中的循环氢、循环甲烷，通过氢分和甲烷分析仪到上位机检测和分析;采集气柜出口流量、氢气成份到上位机进行检测和分析;采集工空气体流量到上位机进行检测和分析根据采集到的实时样气中的补充氢、循环氢、气柜出口氢、工业空气流量、气柜流量，经过对数据库的分析与比较，预测氢氮比的涨跃情况，并得出加氮量或减氮量，通过上位机给出加减氮信号，经PLC给出控制信号到流量控制系统进行实时调节，使实测曲线与最佳工况的理想曲线相吻合，从而达到氢氮比自调的目的。

效益分析:

利用此自动调节系统，有利于转化的平衡反应，对CO2、CO、残余CH4、H2、N2等气体的稳定性显著提高。

炉膛温度、非催化温度和触煤层温度波动小、稳定。

可避免物料比失调、压力波动、控制系统造成的超温和析炭大幅度降低天然气消耗，确保氢氮比稳定，减少合成放氨量，增加合成氨产量。

使触煤层的寿命显著延长。

2.5.2三回路串级调节控制方案

系统要求

①氢氮比（H2/N2）控制在2.8±0.1。

②该系统应保证：

增加负荷时先加原料气，后加空气；减负荷时先减空气，后减原料气。

在任何情况下，空气不能过量，以避免二段炉超温而烧坏触媒。

③当外界干扰不大于仪表全量程的5%时，无需人为干扰，能自动调节，保证H2/N2比在控制指标范围内。

④当系统中的测量仪表出现故障或某过程的测量值超限时，系统应能自动切换到安全状态（DCS控制），不影响最终输出信号。

原控制方案（DCS实现）

图2-4原控制方案

1合成气的质量分析仪AT0提出两个信号H2和N2，两个信号经过运算后得到氢氮比H2/N2，氢氮比控制的好坏，ARC6的OP值作ARC3调节器的RSP（远程给定）值。

2ARC3调节器的PV值来分析表的AT1，它的前馈信号来自水碳比W/C比控制回路中的原料气低选信号（前馈信号被切除）。

ARC3的OP值作为FRC3调节器的RSP（远程给定）值。

3FRC3的PV值是由FT101、TT101、PT101通过温压补偿运算后得来的，FRC3输出到FV3调节阀，控制加入系统的空气量。

4PRC48是一个独立的单回路调节器，它的输出控制101-J的转速，以保持101-J出口压力的稳定。

5回路的投用及切除，可按标准的串级回路进行，不必考虑切换时的平衡及扰动问题。

依据现场工艺及工厂所提出要求,提出了三回路串级的调节控制方案。

主回路为氢氮比的控制回路。

输入量是氢氮比实际值。

氢氮比的给定值是由DCS通过通讯方式给出，输出作为副回路的给定值；副回路为低变出口氢含量控制回路，输入量为低变出口的氢含量，输出作为次副回路的给定值；次副回路为空气流量控制回路，输入为空气流量，输出值经通讯方式直接送给DCS，再由DCS送给现场的空气流量控制阀，同时提出三个对回路影响较大的量作为前馈量。

根据现场实际情况：

第一回路时滞大约是8到10分钟，第二回路时滞大约是10到15分钟，第三回路时滞很小。

因此前两个的回路因尽量保证在不超调情况下进行很慢的调节。

且把前馈能加到副回路中，保证空气的流量能及时的进行调节。

在介绍完上面的氢氮比控制方案后，上面的控制方案还存在许多不足之处，所以决定采用具有采样—前馈的串级控制系统，下面我来介绍一下该控制系统。

2.5.3采样-前馈、串级氢氮比控制系统

从图2-5可以看出，前馈信号是负荷变化，该信号与调节器GCI的输出信号相乘，不是相加，是由工艺要求决定的，实际上这是一个变比值控制方案，或者是一个负荷跟踪控制。

从图2-6可以看出，前馈信号是负荷变化，该信号与调节器GCI的输出信号相乘，不是相加，是由工艺要求决定的，实际上这是一个变比值控制方案，或者是一个负荷跟踪控制，用2-7图说明其工作过程。

从前向通道看是一个比值控制系统原料气折合成氢量作为主物料信号，乘上一个比值系数K，就得到空气调节阀的输入信号，驱动调节阀，以得与总氢量成正比的氮量。

由于某种干扰使氢氮比偏离给定值，则通过调节GCI的输出信号的变化来修正比值系数K，使氢/氮比值回到给定上来。

基于超驰控制软保护思想，结合工艺过程，采取多种形式的保护措施，其中有定值双向限幅和活限幅。

定值双向限幅是认为地将采样调节器的输出信号限制在规定范围内，以免在比值信号不正常时，副调节器的给定值不正常。

活限幅也为保证系统运行在最佳状态而设置，即在空气流量信号出现异常情况时能使空气得流量保持在其工艺生产的过程中不至于停车的允许范围内，活限幅的低限值是由负荷量大小来确定的，高限值随空气压力而变。

为了克服大纯滞后，采用了本身就具有抑制保护作用的采样调节器。

其基本的设计思想就是在一个适当采样周期内，能根据偏差来预估出整个周期需要的控制作用。

然后在实际采样的接通时间R这样一个较小的时间间隔（R

其余时间（T0-R）调节器保持某个适当的输出值不变，等待下一个周期反映调节效果后来休正调节作用。

第3章集散控制系统

3.1集散型系统的历史和发展

DCS是继1969年PLC问世后，由HONEYWELL公司在1975年首先推出的系统。

即：

TDC2000它只含有模拟量的控制。

随后，相继有数十家的美国仪表公司也推出了自己系统。

同时，由于DCS高额利润，使负责制造该传动设备的公司与计算机的公司也开始涉及DCS的开发、生产。

从不同方向发展起来的DCS在结构上、软件方面有些区别。

仪表公司开发的DCS的控制器的软件部分比较符合仪表工程人员应用的习惯，特别是组态方式比较方便。

传动公司设计的PLC部分比较好。

计算机公司设计的DCS的人机界面比较友好。

相继出现的DCS有MAX-1、RS3、MODⅢ、N-90、D/3、WDPF、MICRO、ECS-1200；日本横河的YEPARKMARKⅡ、东芝的TOSDIC；，英国的P4000；德国的TELEPERM、PROCONTROLP、瑞典的AC210等。

在硬件结构、软件应用和网络协议方面，随着计算机技术的发展，大约有三次比较大的变革。

表现在操作站、DCS网络、现场总线的出现三个方面。

七十年代操作站的硬件、操作系统、监控软件都是专用的，由各DCS厂家自己开发的，操作站也没有动态流程图，只有文本显示。

通讯网络的协议基本上都是采用轮询