合成氨工艺仪表选型及DCS自动化控制系统的设计

2020-11-12王亚建

山西化工 2020年5期

王亚建

(阳煤丰喜泉稷能源有限公司，山西稷山 043200)

引言

近年来，我国合成氨行业得到飞速发展，通过合成工艺所制备的氨占我国氨总共使用量的80%左右。而且，随着合成氨工艺的不断改进与优化，目前可应用于合成氨的原料包括有洁净煤、石油天然气以及含有一定量硫、灰等杂质特殊煤种。因此，基于烟煤、褐煤以及含杂质的煤合成氨不仅解决了我国对氨的需求，还提高了对低质量煤种的利用率[1]。本文着重针对某化工厂合成氨的工艺流程以及关键仪表的选型设计，最终完成合成氨DCS自动化控制系统的设计。

1 合成氨控制系统总体方案设计

结合合成氨装置的工艺流程及操作规范要求，选用集散控制系统实现对合成氨整个工艺流程中涉及到的工艺设备进行集中监测、控制。并为系统设置专用的保护生产装置，为合成氨工艺流程设置可检测有毒气体和可燃气体的装置。

其中，集散控制系统主要由操作站、控制站、工程师站以及UPS电源等装置组成，其主要作用是实现对合成氨工艺流程的集中监测和控制[2]。结合合成氨工艺从气化到最终产品获取所经历的24个工段，要求集散控制系统对每个工段都需做到实时精确监控，并对工艺过程中的相关数据以及报警信息进行准确记录。结合合成氨工艺流程，设计如表1所示的相关系统及设备。

表1 合成氨工艺涉及到的站台及设备统计

其中，合成工艺中涉及到的循环水由PLC系统进行监控，脱盐水、给水装置、中水回用系统均有常规仪表进行监测和控制，污水处理基于就地控制室和PLC控制器进行集中监测和控制，基于ITCC控制系统对压缩机组进行控制[3]。由于合成氨工艺流程中涉及到多个工段的变换，因此根据工艺条件对点数进行统计，统计结果如表2所示。

表2 变换工段控制点数的统计

2 合成氨工艺仪表选型

结合合成氨工艺的自动化集散控制要求，合成氨工艺中涉及到的仪表类型包括温度仪表、压力仪表、流量仪表、液位仪表、可燃有毒气体检测仪表以及相关阀门等。值得注意的是，现场仪表的选型需严格按照相关标准规范等要求进行，并保证所选型仪表满足实际生产的需求。

2.1 温度仪表的选型

温度仪表为煤化工厂中最为常用的仪表之一，且常用温度仪表的类型包括有热电阻温度计、热电偶温度计、温度变送器以及双金属温度计等。其中，热电阻温度计主要应用于测量温度低于500 ℃的检测；热电偶温度计主要应用于测量温度高于500 ℃的测量。为了保证温度检测的精确性，要求将温度计安装与保护套管内，并基于法兰式连接完成对测量点温度的检测。

根据本化工厂中合成氨工艺流程中变换工段的粗煤气温度、压力以及管道工程压力相关参数，所选型热电阻温度计的型号为Pt100。由于合成氨工艺需对多个点的温度进行测量，并且需通过增加测量深度保证测量精度[4]。因此，最终所选型热电偶温度计的具体结构形式为多支多点式结构。

2.2 压力仪表的选型

压力仪表为工业生产中比不可少的检测设备，针对合成氨工艺中的压力仪表其主要是对生产环节中的压力变化进行实时监测，保证工艺实时的安全性。由于，合成氨工艺中涉及到多个变换工段最大点的压力值为3.67 MPa。因此，合成氨工艺所选型压力仪表为普通压力变送器，但是，合成氨工艺中涉及了易结晶、有毒介质的组分。故，针对工艺管路中压力的测量选用隔膜密封压力变送器，对于需监测压力的位置，除了采用普通压力表外还为可选用不锈钢耐震压力表。

2.3 流量仪表的选型

针对本文所述合成氨工艺，可选型流量仪表的类型包括有节流装置、流量变送器以及各种类型的流量计等。因此，根据不同的应用工况，最终所选型流量仪表的类型不同及相关参数不同：

1) 用于对蒸汽流量监测，且蒸汽管道的直径小于300 mm，蒸汽的温度小于500 ℃，选用涡街路流量计；对于蒸汽管道直径大于300 mm，蒸汽温度大于500 ℃蒸汽流量的测量选择具有节流功能的流量变送器，按照GB/T 2624-2006进行选型。

2) 用于对蒸汽流量存在变换工况时流量的测量选择德尔塔流量计。

3) 用于对冷凝液流量测量选择金属管浮子流量计。

2.4 液位(物位)仪表的选型

针对合成氨工艺中需对其中所涉及到换热器中液体的高度进行实时监测，还需对煤仓中原料煤的高度进行实时监测。因此，需在合成氨工艺中选配对应的液位(物位)仪表。该化工厂所选用的液位仪表主要包括有磁致伸缩液位计、磁翻板液位计以及液位差压变送器[5]。

其中，液位压差变送器主要应用于合成氨工艺中对脱氧水灌的液面高度进行监测(测量原理如图1所示)，磁翻板液位计主要应用于对合成氨工艺中相关设备液面高度的实时监测(即就地液位的监测)；磁致伸缩液位计应用于对其他设备液面高度的实时监测。

图1 液位压差变送器测量原理图

2.5 其他仪表的选型

本节所述其他仪表的选型包括有对可燃有毒气体检测仪表和相关阀门的选型。在合成氨的实际生产中的变换工段中不可避免地会产生可燃性气体氢气以及具有毒性的气体二氧化硫、一氧化碳和氨气等。为保证合成氨生产的安全性，为其合成工艺配置了对应数量的可燃气体和有毒气体的监测点。其中，可燃气体的监测点为6个，有毒气体的监测点为12个。

阀门的选型需根据合成氨工艺变换工段中涉及到管路的直径进行选择，具体选型结果如表3所示。