比值控制系统在氨分解工艺中的应用

摘要：本文介绍了比值控制系统在攀钢煤化工厂氨分解生产过程中的应用，从特殊的生产工艺及设备安全角度充分考虑开发、应用了相应的比值控制方案，满足工艺生产的需要，应用较为成功。
关键词：比值控制系统   氨分解   应用

0 引言
      在化工生产中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行化学反应，一旦比例失调，轻则造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生人身伤害，给企业带来较大的损失。例如氨分解工艺中的氨分解炉，入炉煤气和空气应保持一定的比例，否则将使燃烧反应不能正常进行，而煤气和空气比例超过一定的极限将会引起爆炸。比值控制的目的就是为了实现几种物料符合一定比例关系，以使安全生产正常进行。

1 比值控制系统原理简介
      比值控制系统是一种物料量随另一种物料量而变化的自动调节系统，根据实际生产过程的不同要求，常用的比值控制系统有定比值控制系统和变比值控制系统。
      定比值控制系统有开环比值控制、单闭环比值控制系统及双闭环比值控制系统三种形式。其共同特点都是以保持主流量Q1和副流量Q2比值一定为目的，比值计数器的参数经计算设置好后不再变动，工艺要求的实际流量比值r也就固定不变。由于此类控制系统只考虑如何来实现两物料流量之间的比值关系，未考虑两种物料混合后最终质量是否符合工艺要求，因此从最终质量看这种定比值方案，系统是开环的。
       变比值控制系统中引入了第三个参数——以反映质量指标的主参数y，和以两个流量比r为副参数所组成的串级控制系统。实际工业生产过程中存在着除流量干扰以外的其他干扰，如温度、压力、成分等随机干扰，当这些干扰引起主参y变化时，通过主反馈回路使主控制器输出变化，以保持主参数稳定。 对于进入系统的主流量Q1受干扰变化，比值控制回路快速随动跟踪，使副流量按Q2=r Q1关系变化，以保持主参数y稳定，它起到了静态前馈作用。对于副流量本身的干扰，同样可以通过自身的控制回路克服，它相当于串级控制系统的副回路。其系统方框图如图1所示。
 

图1： 变比值控制系统方框图

2 氨分解工艺及控制系统设计
2.1 工艺简介
       由脱酸蒸氨工序来的氨汽经分缩器冷却到86℃左右，进入氨分解炉, 在高温和催化剂的作用下，将NH3和HCN等氮化物进行还原分解，生成N2、H2和CO,氨分解炉中的主要反应如下：
NH3→1.5H2+0.5N2           △H=+2922KJ/Kg•NH3   （吸热反应）
HCN+H2O→1.5H2+0.5N2+CO    △H=+62KJ/Kg•HCN   （吸热反应）
      以上反应均为吸热反应，为维持炉内的高温必须不断的向炉内通入煤气和空气。工艺流程图见图2。分解所需温度是通过调节煤气量而达到的。煤气由煤气风机K-6102A/B加压至0.03～0.04Mpa，进入氨分解炉顶部；空气由空气风机供给，并经空气预热器预热至130℃左右后入炉。氨汽与热的燃烧气体一起从上至下通过分解炉的催化床，经反应分解后产生1050～1150℃左右的热过程气体，送废热锅炉装置。
 

图2：氨分解工艺流程图

2.2控制方案选择与比值计算
      通过分析氨分解工艺可以看出，氨分解炉催化层温度是反应过程的主要指标，而影响温度的主要因素是煤气和空气的比值，保证了混合器的煤气与空气的比值，基本上也就控制了氨分解炉的温度。当温度受其它干扰（如触媒老化等）而发生变化时，则可通过主控制器（此处为温度控制器）改变煤气与空气的比值来补偿，以满足工艺的要求。在控制方案选择时，引入了双闭环变比值控制系统，见图3。 

 图3：控制系统方框图
      控制好氨分解炉催化层温度，主要是控制好氨分解炉中煤气和空气的配比燃烧。选煤气作为主流量Q1，空气作为副流量Q2，构成比值控制回路，主参数为催化层温度y，与Q2/ Q1构成串级控制回路。主调节器选择PID控制规律，副调节器选择PI控制规律，调节作用为正作用。
煤气和空气流量测量均采用环室喷嘴差压变送器，流量与差压的关系为

3 比值控制系统的实现
3.1攀钢煤化工厂煤气回收系统采用的是FOXBORO公司的I/A  Series开放型DCS工业控制系统，氨分解工艺控制系统采用氨分解炉比值调节系统中间过程计算及其控制是计算机功能模块来实现的。
3.2 I/A  Series系统硬件安装到位，所做的工作就是把控制方案组态到机器上，需要的控制方案已经确立，在计算机里进行控制组态（选择一些控制需要用的组合模块，这些模块的功能将代替仪表中的调节器、开方器、比值控制器等）、流程图的建立与组态（在计算机上建立工艺流程及其数据的连接便于生产操作）、报警显示和报警组态等。

4 需要解决的问题
4.1在实际控制过程中对系统的干扰除温度、流量干扰以外还存在如压力、成分等随机干扰，这些干扰使分解炉煤气和空气比值要随时调整，而这调整是靠人工取氨分解尾气中氮氧化物含量高底来定的，这人工取样化验过程缓慢，不能及时消除干扰。
4.2可以在氨分解尾气管道上安装一个分析仪，直接将分析结果信号传入I/A  Series系统做一MATH 数学运算模块，运算结果连接到比值控制块。

5 结束语
       比值控制系统在氨分解的生产过程中较为成功的应用，取得了较好的控制效果及经济效益，值得在化工企业广泛应用。

参考文献
林德杰  机械工业出版社  《过程控制仪表及控制系统》  2004.6
上海•福克斯波罗有限公司 《I/A  Series系统及应用》 二00一年 第四版