一、DCS在中型氮肥厂的应用概况

我国中型氮肥厂共有55个，其中以油和气为原料的有21个，以煤炭为原料的34 个。中型氮肥厂多数是60～70年代建设投产的老装置，工艺设计是多机组小容量，装 置分散，能耗较高，生产规模为年产合成氨5万吨到25万吨不等。70年代以来各企业 十分重视仪表自控改造，更新仪表，开发控制回路，其自动化技术不断进步。进入80年 代，各中型氮肥企业纷纷购买微机、单回路调节器、DCS，用技术先进的数字控制装置 ，取代落后的模拟调节仪表，这个时期是DCS推广应用的发展时期。根据调查统计，中型氮肥厂已有27家购买安装了40多套不同型号的DCS，即有近50%的厂家使用D CS进行过程控制和生产管理。

1981年吉化公司化肥厂率先采用 CENTUM-A系统安装合成车间中控室， 用于9个机组的生产过程控制，将199个检测点、47个回路置于CENTUM的监控 之下。主要控制回路有：氨合成塔触媒层温度控制、H[，2]/N[，2]控制、氨蒸 发器出口温度一液面控制、Ⅱ循环吹出控制、氨冷凝塔和氨分离器高压液面控制等。DC S投入运行后，由于H[，2]/N[，2]自控、合成塔触媒层温度自控，使工艺稳定 、吹出量显著下降，每年增产合成氨4059.9吨。高压液位稳定，触媒层温度稳定， 大大减少了垮塔次数。据资料统计，以前每年垮塔7～20次(一次减产30～40吨氨 )，DCS投入运行后全年没有一次垮塔，而且大大延长了触媒使用寿命，技术经济效益 是显著的。该厂DCS的应用受到领导的重视，又先后购了4套YEWPACK MAR KⅡ，用于造气、空分、异丁醛、甲醛分散等装置。

兰化公司化肥厂合成车间有6个氨合成机组和3个甲醇合成机组，60年代自控改造 时，近200个检测参数集中到中控室，高密度仪表排列的半模拟式仪表盘，使操作人员 工作很紧张。1988年中控室安装了ICC-6000系统，拆除了仪表盘，将9个工 艺机组的生产监控集中到三个带CRT画面显示的操作站上，通过转换画面，操作人员便

能一目了然地知道9个机组现场工艺运转状况，用操作键盘进行工艺操作，打字机定时自 动打印各工艺参数。该厂还安装了2台S674B型上位机，是为高级控制策略软件开发 、优化生产而设置的。1989年该厂又与重庆工业自动化研究所签订合同，用国内十几 个单位共同研制的DJR-7500系统控制尿素生产过程，监控200多个参数、27 个回路，联合开发应用软件。1990年4月DJR-7500已投入运行，是国内率先 使用国产DCS的中型氮肥厂，运行情况良好。从20多家中型氮肥厂DCS现场运行情 况来看，DCS应用后的技术经济效果比起工艺先进的大型氮肥厂效益更为明显。DCS 的应用，对于提高老企业的自动化水平，对节能降耗、稳定工艺、安全生产的效果是可观的。

二、氨合成塔触媒层温度控制系统

中型氮肥厂的生产过程工艺流程长、工序多，一般有制气、净化、压缩、精制、合成 、氨加工等工艺过程，全过程有几十个控制回路，节能显著的复杂回路近20个。下面仅介绍氨合成塔触媒层温度控制系统。

1.氨合成反应机理

氨合成反应是在较高压力(一般29.4Mpa)和温度(470～520℃)并有触媒存在情况下进行的可逆化学反应。氨合成是放热反应，在一定的温度和压力条件下，只能进行到一定程度。通常反应后气体中氨含量只有14%～22%，仍有大量氢氮未参加反应，必须经分离后循环使用。合成氨过程主要工艺设备有合成塔、水冷器、分离器、循环压机、冷凝塔、氨冷凝器等。

2.影响触媒层温度的主要因素

(1)进入合成塔气体的成分变化。入口气体中氨含量增高，使触媒层温度下降，为减少这一扰动的影响，要求严格控制氨冷凝器气体出口温度。对于进入合成塔气体中直接夹带液氨则是不允许的。入塔气体中惰性气体含量高，触媒层温度下降，反之温度则升高。氢氮比失调、过高或过低都将使触媒层温度下降，氢氨比是依靠前工序把关控制的。

(2)系统负荷的变化。系统负荷增加时，系统压力升高，有利于反应进行，此时触媒层温度升高。反之则温度下降。

(3)循环气量的变化。循环气量变化、入塔气体空速发生变化，使气体与触媒的接触时间改变。如循环量增加，接触时间将缩短，单位体积内生产的热量相应减少，使触媒层温度下降。反之，循环气量减少，使触媒层温度升高。

(4)循环气分两路进入合成塔，一次副线入塔气体不经过塔下部热交换器换热，进接进入分气盒，从而使触媒层的初始温度发生变化。一次副线量增加，可使床层温度下降。反之，若一次副线量减少，床层温度升高。这是控制触媒层温度的常用控制变量。

(5)二次副线(也称近路线)是改变循环气入塔流量的。二次副线流量增加，入塔气体量减少，触媒层温度因空速减小而升高。反之，二次副线流量减少，则触媒层温度下降。所以控制近路阀门开度，也是温度调节的控制变量。

3.触媒层温度控制回路

(1)热点敏点串级控制回路：氨合成反应中，触媒层高度分布不同处温度不同，触媒层温度最高的一点称热点，温度变化最灵敏的一点称敏点。敏点在热点上方5～10cm处，利用敏点温度和热点温度，构成的串级控制回路，以热点温度作主环变量，敏点温度为副环变量，以热点温度为被控变量。该系统对循环气流量波动带来的干扰具有较好的克服能力，在工艺负荷变化±20%的范围内，温度偏差不超过±3℃。在使用该系统中发现，对入口气体成份变化，触媒使用状况等干扰因素难以克服。其原因是随触媒使用时间增长，热点温度位置逐渐下降，需要更换检测点，从而给使用带来了不便。

(2)单回路控制：当冷激量至热点温度通道时间常数，与敏点温度通道时间常数比较接近时(如前者10min，后者8min)，不必采用串级调节，可采用单变量控制方案。温度参数有选择热点的，也有选择敏点的。选择敏点温度作为控制系统的温度检测点，优点是反应灵敏，可以达到调节之目的，在使用过程中敏点位置不像热点位置那样随时间推移有大的变化。再者敏点温度控制稳定后，整个床层的温度分布也基本稳定。

(3)前馈一反馈控制回路：长期实践证明，氨蒸发器出口温度的变化对触媒层温度的影响十分显著。某厂动态测试发现，氨蒸发器出口温度变化3℃，动态最大偏差敏点可达24℃，热点为15℃，所以必须对氨蒸发器出口温度严格控制(都设计有氨蒸发器出口温度和液位选择性调节系统)。前述串级回路和单回路如果控制得不理想，则可引入氨蒸发器出口温度作为前馈补偿，构成前馈一反馈控制回路，这是第三种控制方案。某厂使用CENTUM系统实施该控制方案后，触媒层温度控制在规定值的±2℃，明显地延长了触媒使用寿命。另一厂使用RS-3系统，采用了前馈补偿热点一敏点串级控制，同时使用PID自整定，利用DCS系统组态生成功能强的特点，设置了三个不同PID值的调节器，根据工艺状况的变化实施PID自适应控制，使触媒层温度控制在规定值的±1℃。

(4)分程控制：上述串级控制、单回路控制、前馈一反馈控制三种技术方案，均是以热点(或敏点)温度为被控变量，以一次副线入塔循环气流量为调控变量，来稳定合成塔温度。上述方案在负荷比较稳定、波动范围不太大的工况下，可以稳定触媒层温度。然而，生产的实践证明，合成塔生产负荷因受前工序(或多机组)部分设备开机停机的影响而常有大幅度波动。按前面干扰分析，负荷大幅度波动时，单靠一次副线流量调节难以稳定工况。当一次副线流量达最大(或最小)仍不能稳定工况时，工艺要调节二次副线流量以维持触媒层温度，故设计了分程控制方案，使用常规仪表调节器采用硬分程调节。

各DCS应用厂均采用软分程调节，即采用顺控表及内部仪表实现软分程，用不同的“调节器”来调节不同的调节阀，技术方案十分合理。有的厂家为克服滞后，同时使用了史密斯滞后时间补偿，使触媒温度稳定达±1℃。

(5)触媒温度优化控制：各氨厂采用DCS监控生产过程后，为开发高级控制策略提供硬件和软件条件。某厂在上位机上采用Pascal语言开发了优化控制方案，运用上位机和控制站二级控制触媒层温度。习惯上的触媒层温度控制，总是通过稳定蒸发器气体出口温度这一外部干扰因素，来追求合成塔触媒层温度在定值条件下的动态品质和控制精度。但是形式上的一条线，却牺牲了蒸发器气体出口温度最低条件下所取得的经济效益。通过工艺机理分析，撇开了传统的调节方法，允许触媒层温度依据触媒的活性在不同的使用期有一定的波动范围。同时根据实时的气氨压力、系统压力、系统负荷、不同牌号的触媒活性周期，在维持蒸发器最低出口温度的条件下，实施触媒层温度的优化控制。