合成氨装置DCS改造

2012-01-12雷文书

石油化工自动化 2012年2期

关键词：卡件冲量液位

雷文书

（贵州赤天化股份有限公司，贵州赤水564707）

赤天化股份有限公司合成氨主体装置是20世纪70年代从美国引进的Kellogg B型设备，采用天然气原料、烃类蒸气转化工艺，原设计合成氨产能为1kt／d。该公司不断通过节能增产改造，使装置产能增加到1.22kt／d。

该装置DCS采用Centum－XL系统，于1996年投用，经过十多年的运行，设备不断老化，多次出现通信和卡件故障，严重威胁合成生产工艺的稳定运行。为彻底解决运行安全隐患，该公司于2011年完成了该装置DCS改造工作。

1 系统主要构成

1.1 设计思想

系统改造的总体思路是以原Centum－XL系统的自编文件为设计基础，保持并扩展原有功能，增加系统冗余，方便工艺操作，并兼顾系统扩容。采用CS3000控制系统，对原有DCS进行升级改造。改造范围涉及所有控制站（I／O柜）、操作站、工程师站、端子柜和安全栅，并自主设计施工图，将现场信号通过新增加的端子排引入新的CS3000控制站。

为满足系统开放性、便于优化控制和维护的要求，在系统结构设计中采用以下设计思路：

a）系统功能成套完整，系统硬件可保证长周期运行并具有较高的可靠性。

b）系统具备完备的冗余功能，任何部分I／O均可根据需要做成全冗余（无须改变系统结构），对插件、软件、机箱空槽留有足够的余量。

c）系统的各种插卡应能在线热插拔、更换。冗余设备必须能在线自诊断、出错报警、无差错切换。系统必须具有完善的硬件、软件故障诊断及自诊断功能，自动记录故障报警，并能提示维护人员进行维护。

d）连接到总线系统的各个部件和其连接的任一控制站的故障，不会影响其他站之间的信号传输，当任一控制站连接或脱离总线系统时，不会影响其他站之间的信号传输［1］。

e）DCS需配备与其他子系统的冗余通信接口，以实现与各子系统的通信。

1.2 系统组成

控制系统主要包括6台操作站（HIS）、1台工程师站（EWS）、3套现场控制站（FCS）和1台OPC服务器。合成氨装置DCS的总点数为1 300多点。Modbus通信卡件有2个。系统向上与工厂信息管理网相联，向下对装置内PLC进行监控。

2 关键控制方案说明

合成氨装置工艺复杂，控制要求较高，具有多种复杂的控制回路，笔者在该系统上实现了一些较复杂的控制方案，在此举几例典型的控制方案加以说明。

2.1 锅炉水位三冲量控制系统

为了保证锅炉高压汽包的安全稳定运行，设计了一个以汽包液位为主调参数，以蒸汽量和给水量为副调参数的典型三冲量液位调节系统。三冲量控制方案如图1所示。

a）在开、停车或系统不稳定时，可以改为单参数调节。由于在DCS中采用了顺序控制，单参数LC1001和三参数LC0001不被选中时，其SV＝PV，且不被选中的输出始终跟踪被选中的输出。这样，只要改变SW0006的开关位置，即可改变控制参数（SW＝1为单参数，SW＝3为三参数），而不需要进行平衡操作。

b）为了克服假液位的影响，该系统采用三冲量调节，以液位调节器LC0001为主调节器，以BF0001为副调节器，在FX0007中将给水的测量值减去蒸汽的测量值，其差值作为BF0001的输入，作为测量值。其输出经SW0006选择后送去控制104J或104JA的转速，从而控制给水量，保证汽包液位的稳定。

c）为了操作方便，使BF0001总保持在“CAS（串级）”状态，LC0001总保持在“AUT”状态，而且当单参数控制时，LC0001的SV＝PV。在三参数时，LC1001的SV＝PV。因此，从“1”—“3”切换时，无需进行SV与PV的平衡。

图1 三冲量控制方案

2.2 水碳比值控制系统

该调节系统是以总碳体积流量、蒸汽体积流量组成的双闭环、双向跟踪、定比逻辑定量调节系统，是一个具有限制负荷变化和安全优先、逻辑定量功能的比值调节系统，以实现蒸汽与总碳体积流量的双向跟踪。该调节系统能保证增加负荷时，先增加蒸汽再增加原料气，减小负荷时先减原料气再减蒸汽的工艺要求；在负荷不变的情况下，实现当原料气量减少或蒸汽量增加时能通过本身副环来克服系统的波动，具有较好的自适应和克服内扰的能力。而当原料气量增加或蒸汽量减少时，除本身副环自调外，同时还相应地增大蒸汽量和减少原料气量来稳定水／碳比值，并保证水／碳比不小于设定值，达到安全可靠的要求，即该系统在实现双向控制的同时还保证了系统安全可靠性。

该系统是按经过校正后的实际水／碳比值进行调节的，原料气和蒸汽体积流量均按体积流量校正公式进行补偿校正。然后系统按实际总碳体积流量和蒸汽体积流量进行比值调节。