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摘要:随着我国工业农业的发展，针对合成氨的技术改造势在必行。本文将以大型合成氨装置节能增产及技术改造为基点，结合节能减排以及中海石油合成氨技改的经验总结，为大家阐述大型合成氨装置中自动控制方面的一些技术改造。
关键词:合成氨技术改造自控方案节能减排中海石油
中图分类号： TE08 文献标识码： A
一、前言
众所周知，合成氨是人类历史上的伟大成就。自哈伯－博施法成功合成氨起，合成氨在工业领域就起着不可替代的作用。在改革开放前后，我国自国外引进了第一批大型合成氨装置，极大地提高了我国的工业技术水平。但随着工业农业发展对合成氨需求的变化以及新的合成氨工艺技术发展，合成氨的技术改造重点放在低能耗、充分回收利用能量上。相应地，大型合成氨装置中的自控改造也变得格外重要。
二、合成氨装置的现状
70年代，我国从国外引进了13套大型合成氨装置，均采用的是常规仪表进行检测。80年代中期，慢慢开始进行了仪表检测控制的改进。起初一些是用单回路控制器+操作站来作替代，一些是用DCS来作替代。到90年代初，基本都将旧的仪表改造完成，达到了上述两种控制水平。
80年代末至90年代初引进的大型合成氨装置的仪表系统基本都是采用DCS控制。这期间我国也自己攻关设计了一些大型合成氨装置，使用先进的集散控制系统DCS对装置进行监控，如四川化工总厂的200kt/a合成氨装置。
很多的旧装置之前的控制功能比较简单，进行DCS改造后在控制功能上并没有实质的改进。随着合成氨工艺技术的发展改进，很多装置相应地开发出一些复杂的控制系统，如H /N控制、H20/C控制、一段转化炉出口气体温度控制等等；还有一些合成氨装置厂家与大专院校、科研部门进行技术研究合作，对上述控制系统实施新型控制方案。但是总体来讲,我国大型合成氨装置的自动控制系统水平以及过自动控制的设计水平与国际相比差距还是很大的，高新技术含量不多，技术品位不高，所以真正要通过自动控制来实现节能、降耗、增产的目标，我们还有很多的工作要做。
三、合成氨装置的技术改造实例-中海石油合成氨技改
1、工程概况
中海石油化学有限公司一期合成氨年产300万吨装置自1996年投产后，经过5年多的运行，取得很大的成绩，同时发现装置存在一些设计和设备问题，特别是转化系统的设计存在明显的缺陷，原料气预热盘管超温，设计温度为580℃，实际操作温度为603~610℃，而一段炉出口温度却低于设计值776℃，实际操作温度在750~755℃。这样就形成了一段炉在操作上的矛盾，一方面盘管超温影响设备的使用寿命，另一方面一段炉出口温度低造成转化部分的能力下降。
2、技改项目的选擇
1)在蒸汽转化前增建预转化。蒸汽加烃绝热预转化工艺是丹麦托普索公司为降低能耗，减轻蒸汽转化炉的负荷而开发的新工艺。
2)增加高压蒸汽过热器。鉴于装置中高压蒸汽过热器能力不足，使过热蒸汽不能达到设计值，在合理操作范围内，增加高压蒸汽过热器，改善和提高高压蒸汽的过热温度，使其实现设计值，同时也改善了入高温变换炉的气体温度。
3)增设燃气机入口前空气冷却器。为了提高燃气轮机和空气压缩机组的功率，实现氨增产的需要，必须将其环境温度由经常性的35℃降低至约15℃，使燃气轮机的功率满足增产的需要，同时增加了该机组的操作稳定性。
4)增建新鲜合成气分子筛干燥及合成回路系统改造。
3、结论
此次合成氨改造非常成功，所有改造项目都是在良好的正常生产下进行施工安装任务，利用大修的机会完成与主装置的并管连接工作，设备试压、气密实验、置换、冲洗等试车准备工作均在停车大修前和大修期间完成，大修结束装置开车后逐渐串入系统，并能在运行中相互切换操作，以确保不因改造系统而威胁装置的正常生产运行。
四、合成氨装置的发展趋势
随着工业自动化仪表与计算机技术的发展，先进过程控制技术的开发以及合成氨生产对过程控制的要求越来越高，合成氨装置的过程控制技术将得到很大发展。这种发展将体现在以下几方面：
1、现场监控和分析仪表将不存在“瓶颈”
合成氨工艺参数的监测条件不算太苛刻，随着现场监测仪表的更新换代，其性能和质量不断提高,特别是多样化、精密化、智能化的分析仪表、变送器（传感器）的上市，将保证工艺参数得到精确、可靠的测量。如有的多功能变送器(传感器)能完成多参数，温度、压力、压差等少信号检测，并附表完成，调节功能；而高性能色谱仪、质谱仪、多组分红外/近红外分析仪的采用，将使工艺气体得到快速、精确的分析从而保证装置节能系统的正常投运。
2、关键控制系统和安全联锁系统设计更加完善、可靠
在采用常规控制策略的情况下，设计部门将根据不同流程精心设计一些重要、复杂的控制系统使这些系统更合理、更完善、更有效、更容易实现。比如转化工序，从节能和安全生产上考虑，辐射段、对流段、辅锅、烟道等部分的许多控制系统将有很大改进；对HIN控制系统设计时必须考虑系统的前馈干扰和纯滞后问题，并制定解决这些问题的措施。
今后，设计部门将对上述典型控制系统建立局部或单元操作的模型，并开发出实施新型控制策略的专用控制模块。这些模块一般适用于规模不同而流程相差不大的装置,使用时只要按不同装置测定的特性参数，如时间常数、放大系数、滞后时间等进行应用软件组态即可。对安全联锁系统SIS的设计，将对通讯部件的选择和设置作出改进，切实保证灵敏、可靠。
3、APC技术得到较为广泛的应用
随着合成氨生产的发展，将对生产效益、生产科学化管理提出更高的要求，因而提高合成氨生产的过程控制和管理水平，增加效益，将是设计、生产、管理、科研等人员的共同目标。
根据合成氨生产的特点，比较适合采用APC技术中的多变量预测控制策略。预测控制的模型预测、滚动优化、反馈校正的控制原理在合成氨装置上更容易得到实现。这是因为合成氨生产、设计的成熟性给建模创造了有利条件；大、中型合成氨装置普遍采用高性能的DCS为装载先进控制软件提供硬件基础；合成氨装置现场监控仪表良好的性能质量将使APC顺利投运得到保证，因而采用APC的装置将会逐渐增多。在APC市场需求不断扩大的情况下，将促进有关部门包括科研、大专院校、设计、生产等部门积极开发这种技术。这样，功能更强、效能更好、成本价格更合理的APC将不断上市，从而也将促进APC的应用。
四、结束语
合成氨在人类社会扮演了重要的角色，人类在利用现有合成氨技术的同时，也应继续对合成氨领域加深探索。但是我们应该牢记，这一切都是自然的馈赠。在享受合成氨为人类生活带来的便利时，更要加强对环境的保护。如何能使大型合成氨装置的技改达到节能减排的要求，这始终是全人类的课题。
参考文献
[1]李练昆.合成氨装置一氧化碳变换单元技术改进分析[j].大氮肥.2011(04)
[2]蒋德军.合成氨工艺技术的现状及其发展趋势[j].现代化工2005(08)
[3]张占一.合成氨装置中制冷方式的选择与优化[j].化肥设计2011(08)
关键词:合成氨技术改造自控方案节能减排中海石油
中图分类号： TE08 文献标识码： A
一、前言
众所周知，合成氨是人类历史上的伟大成就。自哈伯－博施法成功合成氨起，合成氨在工业领域就起着不可替代的作用。在改革开放前后，我国自国外引进了第一批大型合成氨装置，极大地提高了我国的工业技术水平。但随着工业农业发展对合成氨需求的变化以及新的合成氨工艺技术发展，合成氨的技术改造重点放在低能耗、充分回收利用能量上。相应地，大型合成氨装置中的自控改造也变得格外重要。
二、合成氨装置的现状
70年代，我国从国外引进了13套大型合成氨装置，均采用的是常规仪表进行检测。80年代中期，慢慢开始进行了仪表检测控制的改进。起初一些是用单回路控制器+操作站来作替代，一些是用DCS来作替代。到90年代初，基本都将旧的仪表改造完成，达到了上述两种控制水平。
80年代末至90年代初引进的大型合成氨装置的仪表系统基本都是采用DCS控制。这期间我国也自己攻关设计了一些大型合成氨装置，使用先进的集散控制系统DCS对装置进行监控，如四川化工总厂的200kt/a合成氨装置。
很多的旧装置之前的控制功能比较简单，进行DCS改造后在控制功能上并没有实质的改进。随着合成氨工艺技术的发展改进，很多装置相应地开发出一些复杂的控制系统，如H /N控制、H20/C控制、一段转化炉出口气体温度控制等等；还有一些合成氨装置厂家与大专院校、科研部门进行技术研究合作，对上述控制系统实施新型控制方案。但是总体来讲,我国大型合成氨装置的自动控制系统水平以及过自动控制的设计水平与国际相比差距还是很大的，高新技术含量不多，技术品位不高，所以真正要通过自动控制来实现节能、降耗、增产的目标，我们还有很多的工作要做。
三、合成氨装置的技术改造实例-中海石油合成氨技改
1、工程概况
中海石油化学有限公司一期合成氨年产300万吨装置自1996年投产后，经过5年多的运行，取得很大的成绩，同时发现装置存在一些设计和设备问题，特别是转化系统的设计存在明显的缺陷，原料气预热盘管超温，设计温度为580℃，实际操作温度为603~610℃，而一段炉出口温度却低于设计值776℃，实际操作温度在750~755℃。这样就形成了一段炉在操作上的矛盾，一方面盘管超温影响设备的使用寿命，另一方面一段炉出口温度低造成转化部分的能力下降。
2、技改项目的选擇
1)在蒸汽转化前增建预转化。蒸汽加烃绝热预转化工艺是丹麦托普索公司为降低能耗，减轻蒸汽转化炉的负荷而开发的新工艺。
2)增加高压蒸汽过热器。鉴于装置中高压蒸汽过热器能力不足，使过热蒸汽不能达到设计值，在合理操作范围内，增加高压蒸汽过热器，改善和提高高压蒸汽的过热温度，使其实现设计值，同时也改善了入高温变换炉的气体温度。
3)增设燃气机入口前空气冷却器。为了提高燃气轮机和空气压缩机组的功率，实现氨增产的需要，必须将其环境温度由经常性的35℃降低至约15℃，使燃气轮机的功率满足增产的需要，同时增加了该机组的操作稳定性。
4)增建新鲜合成气分子筛干燥及合成回路系统改造。
3、结论
此次合成氨改造非常成功，所有改造项目都是在良好的正常生产下进行施工安装任务，利用大修的机会完成与主装置的并管连接工作，设备试压、气密实验、置换、冲洗等试车准备工作均在停车大修前和大修期间完成，大修结束装置开车后逐渐串入系统，并能在运行中相互切换操作，以确保不因改造系统而威胁装置的正常生产运行。
四、合成氨装置的发展趋势
随着工业自动化仪表与计算机技术的发展，先进过程控制技术的开发以及合成氨生产对过程控制的要求越来越高，合成氨装置的过程控制技术将得到很大发展。这种发展将体现在以下几方面：
1、现场监控和分析仪表将不存在“瓶颈”
合成氨工艺参数的监测条件不算太苛刻，随着现场监测仪表的更新换代，其性能和质量不断提高,特别是多样化、精密化、智能化的分析仪表、变送器（传感器）的上市，将保证工艺参数得到精确、可靠的测量。如有的多功能变送器(传感器)能完成多参数，温度、压力、压差等少信号检测，并附表完成，调节功能；而高性能色谱仪、质谱仪、多组分红外/近红外分析仪的采用，将使工艺气体得到快速、精确的分析从而保证装置节能系统的正常投运。
2、关键控制系统和安全联锁系统设计更加完善、可靠
在采用常规控制策略的情况下，设计部门将根据不同流程精心设计一些重要、复杂的控制系统使这些系统更合理、更完善、更有效、更容易实现。比如转化工序，从节能和安全生产上考虑，辐射段、对流段、辅锅、烟道等部分的许多控制系统将有很大改进；对HIN控制系统设计时必须考虑系统的前馈干扰和纯滞后问题，并制定解决这些问题的措施。
今后，设计部门将对上述典型控制系统建立局部或单元操作的模型，并开发出实施新型控制策略的专用控制模块。这些模块一般适用于规模不同而流程相差不大的装置,使用时只要按不同装置测定的特性参数，如时间常数、放大系数、滞后时间等进行应用软件组态即可。对安全联锁系统SIS的设计，将对通讯部件的选择和设置作出改进，切实保证灵敏、可靠。
3、APC技术得到较为广泛的应用
随着合成氨生产的发展，将对生产效益、生产科学化管理提出更高的要求，因而提高合成氨生产的过程控制和管理水平，增加效益，将是设计、生产、管理、科研等人员的共同目标。
根据合成氨生产的特点，比较适合采用APC技术中的多变量预测控制策略。预测控制的模型预测、滚动优化、反馈校正的控制原理在合成氨装置上更容易得到实现。这是因为合成氨生产、设计的成熟性给建模创造了有利条件；大、中型合成氨装置普遍采用高性能的DCS为装载先进控制软件提供硬件基础；合成氨装置现场监控仪表良好的性能质量将使APC顺利投运得到保证，因而采用APC的装置将会逐渐增多。在APC市场需求不断扩大的情况下，将促进有关部门包括科研、大专院校、设计、生产等部门积极开发这种技术。这样，功能更强、效能更好、成本价格更合理的APC将不断上市，从而也将促进APC的应用。
四、结束语
合成氨在人类社会扮演了重要的角色，人类在利用现有合成氨技术的同时，也应继续对合成氨领域加深探索。但是我们应该牢记，这一切都是自然的馈赠。在享受合成氨为人类生活带来的便利时，更要加强对环境的保护。如何能使大型合成氨装置的技改达到节能减排的要求，这始终是全人类的课题。
参考文献
[1]李练昆.合成氨装置一氧化碳变换单元技术改进分析[j].大氮肥.2011(04)
[2]蒋德军.合成氨工艺技术的现状及其发展趋势[j].现代化工2005(08)
[3]张占一.合成氨装置中制冷方式的选择与优化[j].化肥设计2011(08)