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1、合成氨装置 优化控制 2005年9月 合成氨工艺流程 常规控制与局限 优化控制应用 降低能耗 提高处理量 合成氨优化控制效果 优化控制实施提纲提纲 天燃气蒸汽转化 重油部分氧化 煤粉气化合成氨工艺合成氨工艺天燃气蒸汽转化工艺流程天燃气蒸汽转化工艺流程脱硫一段转化脱碳二段转化氨储存变换蒸汽空气粗合成气 变换气合成气氨氨合成精制天燃气重油重油/ /煤粉气化工艺流程煤粉气化工艺流程空分气化酸性气处理变换氨储存酸性气脱除粗合成气变换气酸性气合成气氮气氨氨合成精制氢气氧气煤/重油合成氨主要操作合成氨主要操作 原料不同，工艺不同，但仍归纳为三大步骤： 制气（一二段转化炉/部分氧化炉/加压气化 炉） 净化（
2、高低温变换、脱碳、脱硫、精制） 合成（合成气压缩、合成塔、冷凝分离） 工艺特点：设备多、流程长、响应复杂、约束 变量多、能耗高合成氨装置操作挑战合成氨装置操作挑战 如何充分利用先进的控制手段提高转化炉效率 ，并确保炉管使用寿命，减少故障？ 如何尽可能多产生蒸汽，降低蒸汽消耗？ 如何克服流程长、响应滞后等因素影响，优化 氢氮比控制，提高合成转化率？ 如何优化合成回路压力、惰性气控制，优化合 成塔温度剖面控制，降低能耗？ 如何在现有设备及供应条件下提高氨产量？常规控制与优化控制常规控制与优化控制 常规控制能胜任以下情形： 一对一关系 响应较快且接近线性 没有滞后或滞后不大 优化控制则能较好处理以下
3、情形： 多对一或多对多 各种响应模式：快、慢、大滞后、非线性 多个控制协调，具有效益优化功能优化控制方法：采用基于模型预测控制技术实现 合成氨装置优化目标合成氨装置优化主要目标，在不违反设备约束前 提下，长期稳定实现：降低能耗提高处理量优化控制介绍优化控制介绍模型预测控制模型预测控制降低能耗 制气系统 净化系统 氨合成系统 提高处理量优化控制在合成氨装置应用优化控制在合成氨装置应用合成氨装置能耗主要在制气单元，超过总能耗 70%以上。提高转化率降低燃料消耗是制气控制的主要目标 。由于制气过程复杂，控制要素多，加之原料及 燃料组成波动，常规控制仅靠反馈信息操作，不 能提前调节相关参数，导致燃烧不
4、稳定、转化率 低而造成高能耗。制气系统节能制气系统节能需求需求根据天燃气组成信息如密度等推测其含碳量， 及时调整蒸汽，严格控制水碳比，并通过适当 降低水碳比（降低3%）；严格控制烟气氧含量，减少其波动，并保持较 低数值（减少20%）； 在满足H2/N2和二段炉出口CH4%以及温度前提 下，尽可能降低一段炉负荷； 像Kelogg型转化炉，进行各个支路间温度均衡 控制，尽可能减少各炉管间温度偏差，提高加 热效率，同时可延长使用寿命。天燃气蒸汽转化炉优化控制原理天燃气蒸汽转化炉优化控制原理根据原料性质如密度、热值等探寻反应的最佳 配比，及时调整氧气量、蒸汽量，减少能耗； 根据炉型及工艺设计不同控制方
5、案，通过平稳 操作和优化参数，提高转化率，降低能耗； 由于这类气化控制的特殊性，如原料性质难以 定性、监测点少、自动化程度低等，尚无开发 出理想的优化控制系统。重油重油/ /煤粉气化炉优化控制原理煤粉气化炉优化控制原理变换反应好坏将关系到脱碳、精制负荷，以及合 成回路惰性成分含量，从而影响合成效率； 粗气组成变化以及床层催化剂活性变化差异使得 温度控制难度加大； 脱碳系统以能耗为代价不断进行吸收和解析过程 ，常规控制由于人工的惰性无法保持精确控制造 成不必要的能耗。粗气净化系统节能粗气净化系统节能需求需求变换反应温度控制本身就是个优化问题。优化控 制利时刻监控床层温度变化和约束调整各个床层 进
6、入温度，尽可能使得变换长期处在最佳温度， 提高变换反应效率； 对于吸收解析过程脱碳系统，过度吸收和解析都 会增加不必要的能耗。优化控制通过“卡边”控制 实现节能。粗气净化优化控制原理粗气净化优化控制原理合成氨装置能耗除了制气最大之外，合成部分排 在第二位，占20%左右降低能耗、提高氨合成转化率手段包括轻氮比控 制、惰性气浓度控制、合成压力控制以及合成塔 温度控制。 其中前三个控制，由于影响因素复杂，而且响应 十分缓慢，常规控制很难达到理想效果 合成塔温度控制类似于变换温度控制。氨合成节能氨合成节能- -需求需求优化控制动态模型可以采用不同响应时间分别处 理快速和缓慢工艺过程。 通过响应时间很长
7、的模型利用上游相关信息提早 微调实现H2/N2比精确控制，并优化比值；通过惰性气浓度控制，不但减少合成气损失，还 能减少因惰性气过多而带来压缩机功耗以及转化 率降低； 随着催化剂活性逐渐变弱，氨合成反应平衡线也 随着移动。优化控制可动态优化床层温度剖面， 使合成塔维持高转化率。氨合成优化控制原理氨合成优化控制原理装置存在各种各样约束限制生产提高处理量， 包括工艺安全约束、设备安全约束 有效约束随着工况变化而变，靠人工监控约束 提高处理量不现实 处理量改变影响全流程操作，调整的快慢以及 其它各个操作的协作单靠常规分散的局部PID回 路实现很困难。提高处理量提高处理量- -需求需求提高合成氨装置处
8、理量的常见约束：炉管及各催化剂层热点温度压缩机（原料气、空气、合成气、冰机）限制脱碳能力氨制冷能力优化控制时刻监控这些变量，当监控及预测到提 量空间时，就增加进料，否则维持现状或者适当 减少进料； 在调整处理量过程中，控制器自动协调各个控制 回路，确保安全稳定过渡。提高处理量优化控制原理提高处理量优化控制原理合成氨优化控制效果合成氨优化控制效果合成氨优化控制效果合成氨优化控制效果量化效益 增加处理量约 0.5% 2.0% 能量单耗约减少 0.3% 1.5 %非量化效益 平稳控制及安全操作 延长设备寿命(如炉管) 改善催化剂使用 提高工程师工作效率合成氨先进控制效果实例一合成氨先进控制效果实例一 控制指标对照合成氨先进控制效果实例一合成氨先进控制效果实例一 能量单耗对照kelloggkellogg一段炉温度均衡控制效果实例一段炉温度均衡控制效果实例 项目开工 2 天 功能设计 15 天 现场测试 20 天 详细设计 25 天 DCS操作界面建立 15 天 控制器投运及调试 10 天 操作员培训 5 天 项目考核验收 15 天先进控制项目实施步骤先进控制项目实施步骤
