王亞建

(陽煤豐喜泉稷能源有限公司，山西 稷山 043200)

引 言

近年來，我國合成氨行業(yè)得到飛速發(fā)展，通過合成工藝所制備的氨占我國氨總共使用量的80%左右。而且，隨著合成氨工藝的不斷改進與優(yōu)化，目前可應用于合成氨的原料包括有潔凈煤、石油天然氣以及含有一定量硫、灰等雜質特殊煤種。因此，基于煙煤、褐煤以及含雜質的煤合成氨不僅解決了我國對氨的需求，還提高了對低質量煤種的利用率[1]。本文著重針對某化工廠合成氨的工藝流程以及關鍵儀表的選型設計，最終完成合成氨DCS自動化控制系統(tǒng)的設計。

1 合成氨控制系統(tǒng)總體方案設計

結合合成氨裝置的工藝流程及操作規(guī)范要求，選用集散控制系統(tǒng)實現對合成氨整個工藝流程中涉及到的工藝設備進行集中監(jiān)測、控制。并為系統(tǒng)設置專用的保護生產裝置，為合成氨工藝流程設置可檢測有毒氣體和可燃氣體的裝置。

其中，集散控制系統(tǒng)主要由操作站、控制站、工程師站以及UPS電源等裝置組成，其主要作用是實現對合成氨工藝流程的集中監(jiān)測和控制[2]。結合合成氨工藝從氣化到最終產品獲取所經歷的24個工段，要求集散控制系統(tǒng)對每個工段都需做到實時精確監(jiān)控，并對工藝過程中的相關數據以及報警信息進行準確記錄。結合合成氨工藝流程，設計如表1所示的相關系統(tǒng)及設備。

表1 合成氨工藝涉及到的站臺及設備統(tǒng)計

其中，合成工藝中涉及到的循環(huán)水由PLC系統(tǒng)進行監(jiān)控，脫鹽水、給水裝置、中水回用系統(tǒng)均有常規(guī)儀表進行監(jiān)測和控制，污水處理基于就地控制室和PLC控制器進行集中監(jiān)測和控制，基于ITCC控制系統(tǒng)對壓縮機組進行控制[3]。由于合成氨工藝流程中涉及到多個工段的變換，因此根據工藝條件對點數進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結果如表2所示。

表2 變換工段控制點數的統(tǒng)計

2 合成氨工藝儀表選型

結合合成氨工藝的自動化集散控制要求，合成氨工藝中涉及到的儀表類型包括溫度儀表、壓力儀表、流量儀表、液位儀表、可燃有毒氣體檢測儀表以及相關閥門等。值得注意的是，現場儀表的選型需嚴格按照相關標準規(guī)范等要求進行，并保證所選型儀表滿足實際生產的需求。

2.1 溫度儀表的選型

溫度儀表為煤化工廠中最為常用的儀表之一，且常用溫度儀表的類型包括有熱電阻溫度計、熱電偶溫度計、溫度變送器以及雙金屬溫度計等。其中，熱電阻溫度計主要應用于測量溫度低于500 ℃的檢測；熱電偶溫度計主要應用于測量溫度高于500 ℃的測量。為了保證溫度檢測的精確性，要求將溫度計安裝與保護套管內，并基于法蘭式連接完成對測量點溫度的檢測。

根據本化工廠中合成氨工藝流程中變換工段的粗煤氣溫度、壓力以及管道工程壓力相關參數，所選型熱電阻溫度計的型號為Pt100。由于合成氨工藝需對多個點的溫度進行測量，并且需通過增加測量深度保證測量精度[4]。因此，最終所選型熱電偶溫度計的具體結構形式為多支多點式結構。

2.2 壓力儀表的選型

壓力儀表為工業(yè)生產中比不可少的檢測設備，針對合成氨工藝中的壓力儀表其主要是對生產環(huán)節(jié)中的壓力變化進行實時監(jiān)測，保證工藝實時的安全性。由于，合成氨工藝中涉及到多個變換工段最大點的壓力值為3.67 MPa。因此，合成氨工藝所選型壓力儀表為普通壓力變送器，但是，合成氨工藝中涉及了易結晶、有毒介質的組分。故，針對工藝管路中壓力的測量選用隔膜密封壓力變送器，對于需監(jiān)測壓力的位置，除了采用普通壓力表外還為可選用不銹鋼耐震壓力表。

2.3 流量儀表的選型

針對本文所述合成氨工藝，可選型流量儀表的類型包括有節(jié)流裝置、流量變送器以及各種類型的流量計等。因此，根據不同的應用工況，最終所選型流量儀表的類型不同及相關參數不同：

1) 用于對蒸汽流量監(jiān)測，且蒸汽管道的直徑小于300 mm，蒸汽的溫度小于500 ℃，選用渦街路流量計；對于蒸汽管道直徑大于300 mm，蒸汽溫度大于500 ℃蒸汽流量的測量選擇具有節(jié)流功能的流量變送器，按照GB/T 2624-2006進行選型。

2) 用于對蒸汽流量存在變換工況時流量的測量選擇德爾塔流量計。

3) 用于對冷凝液流量測量選擇金屬管浮子流量計。

2.4 液位(物位)儀表的選型

針對合成氨工藝中需對其中所涉及到換熱器中液體的高度進行實時監(jiān)測，還需對煤倉中原料煤的高度進行實時監(jiān)測。因此，需在合成氨工藝中選配對應的液位(物位)儀表。該化工廠所選用的液位儀表主要包括有磁致伸縮液位計、磁翻板液位計以及液位差壓變送器[5]。

其中，液位壓差變送器主要應用于合成氨工藝中對脫氧水灌的液面高度進行監(jiān)測(測量原理如圖1所示)，磁翻板液位計主要應用于對合成氨工藝中相關設備液面高度的實時監(jiān)測(即就地液位的監(jiān)測)；磁致伸縮液位計應用于對其他設備液面高度的實時監(jiān)測。

圖1 液位壓差變送器測量原理圖

2.5 其他儀表的選型

本節(jié)所述其他儀表的選型包括有對可燃有毒氣體檢測儀表和相關閥門的選型。在合成氨的實際生產中的變換工段中不可避免地會產生可燃性氣體氫氣以及具有毒性的氣體二氧化硫、一氧化碳和氨氣等。為保證合成氨生產的安全性，為其合成工藝配置了對應數量的可燃氣體和有毒氣體的監(jiān)測點。其中，可燃氣體的監(jiān)測點為6個，有毒氣體的監(jiān)測點為12個。

閥門的選型需根據合成氨工藝變換工段中涉及到管路的直徑進行選擇，具體選型結果如表3所示。

表3 閥門選型結果

3 結語

結合合成氨工藝的工藝流程及變換工段的統(tǒng)計，實現對合成氨的集散自動化控制是保證制備氨高效性、安全性的主要途徑。本文針對合成氨涉及到各個工藝流程中關鍵儀表進行選型，并對涉及到設備以及變換工段控制點數進行統(tǒng)計，初步完成可應用于合成氨工藝中的DCS自動化控制系統(tǒng)，經實踐應用表明：

1) 作業(yè)人員可對各個變換工段的控制點進行實時監(jiān)測，并完成對合成氨工藝回路的主動控制；

2) DCS自動化控制系統(tǒng)在合成氨工藝中的應用大大提升了控制的可靠性和精度，保證了合成氨工藝實施的安全性和高效性，減少應控制系統(tǒng)故障而造成的停機事故發(fā)生。