基于先进控制算法的合成氨装置氢氮比控制方案分析与设计.pdf

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1、第45卷第12期化工技术与开发Vol.45No.122016年12月Technology&DevelopmentofChemicalIndustryDec.2016设备与自控基于先进控制算法的合成氨装置氢氮比控制方案分析与设计方小菊，黄永杰（广西职业技术学院，广西南宁530226）摘　要：大型合成氨装置中，氢氮比是一个关键的控制参数，并直接影响生产效率。文章分析天然气蒸汽转化法合成氨工艺，优化氢氮比控制，提出采用先进控制算法的氢氮比控制方案，提高了合成氨产量，降低了消耗。关键词：合成氨；氢氮比控制；先进控制算法中图分类号：TQ113.25；TP273文献标识码：A文章编号：1671

2、-9905(2016)12-0049-03在大型化肥装置中，氢氮比是合成氨装置最为产技术发展的角度来看，这批合成氨装置在节能增关键的参数之一，保持其处于最佳状态是提高合成产方面存在不少问题，部分设备老化，对安全生产造氨产量和降低消耗的有效措施。成威胁。以天然气作原料生成合成氨的工艺流程如目前，国内以天然气为原料的大型合成氨装置图1所示。有50%以上采用美国KBR公司(前身是Kellogg公它可分为几步进行，首先是在一段转化炉中将司)传统蒸汽转化合成氨工艺技术，氢氮比的控制天然气中的甲烷用蒸汽转化成一氧化碳，其反应式由DCS实现。由于该控制回路的基本单元未能脱为：离常规PID控制算法

3、，同时，常规PID控制算法也CH4+H2O=CO+3H2-206.27kJ不能实现参数自整定，故不能及时将工况控制在最CH4+2H2O=CO2+4H2-165.27kJ佳状态，有时反而造成系统波动，不得不将回路切到CO+H2O=CO2+H2+41.00kJ手动，导致目前氢氮比自控投用率极低。一段转化炉中的生成物送入二段转化炉，并同时加入空气，这样，一方面空气中的氧和可燃气体发1　天然气蒸汽转化法合成氨工艺生反应，产生足够的热量，另一方面空气中的氮气组国内以天然气为原料的大型合成氨装置，基本成一定比例的氢氮气，其反应式为：属于20世纪70年代中期引进的年产30万t合成氨，H+—1O=

4、HO+240.99kJ2222是我国兴建的第一批大型合成氨装置。从合成氨生1二段转化炉CO+—O2=CO2+401.66kJ天然气2蒸汽燃料气中变炉CH+HO=CO+3H-206.27kJ一段转化炉4222CO+H2O=CO2+H2+41.00kJ低变炉水水二段转化炉中的生成物成为转化气，再经过中13燃料空气温低温转换、碳化、甲烷化、压缩，最后在合成塔中生CO2成合成氨，反应式为：4再生塔甲烷化炉合成塔3H2+N2=2NH3+Q压缩机分离器此式表明，3份氢和1份氮可合成2份氨，因此，CO2吸收塔5理论上讲，保持H2/N2为3/1最为理想。氨氨的合成中，氢氮比是一个非常重要的参数，图

5、1　以天然气为原料的合成氨工艺流程图它不但影响合成氨的产量，而且会影响生产过程基金项目：广西教育厅资助项目（KY2016LX493）作者简介：方小菊（1982-），女，河南许昌人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：机电一体化技术和过程控制技术收稿日期：2016-09-3050化工技术与开发第45卷中的其它参数。若氢氮比大于3，则合成塔中有氢气富裕，它进入循环气中快速累积，使反应条件迅速恶化；若氢氮比小于3，合成结果也不理想，但对整个过程的影响略小，因此，实际生产中氢氮比取2.2~2.8。图3　控制系统框图2　控制方案的分析与优化串级系统中设定氢氮比作为输入，其反馈量是合成塔入口循环的

6、实际氢氮比，这是通过测量其中要保持氢氮比稳定，取氢氮比直接作为被控参的组分来获得的。副回路的选择一方面要使其对输数是合适的，然而，从二段转化炉中的生成气开始就入的响应足够快，即惯性小，通常主副过程惯性时间存在氢氮比这个参数，但最终起作用的是合成塔入常数之比（T01/T02）为3~10；另一方面则要尽可能口气体的氢氮比，所以取这个参数作为被控参数或多地包含扰动，尤其是变化剧烈、影响较大的扰动，系统输出。为此，将副回路的输出定在中低变换炉中的输出。改变氢氮比的手段是在二段转化炉中改变输入前馈补偿是针对天然气输入的波动而设置的，空气量，若氢气比例过高，应加大空气的输入即氮气系统中天然气流

7、量的变化是一个预测信号，被用作的输入，反之亦然。所以取二段转化炉入口的空气前馈信号，当天然气增加时，二段转化炉中的空气输输入作为控制参数。入也增加，从而抑制了天然气流量波动对氢氮比的一旦选定了被控参数和控制参数，这个过程也干扰。就确定，它包含二段转化炉、中低温变换炉、甲烷、碳由框图可得输入对扰动的传递函数为：化和压缩设备。从控制角度看，这个过程包含设备B—=(WffW2W03+W0d)/(1+Wc1W2W03)多、线路长，因此有明显的大滞后、大惯性和多干扰N的特征。如