先進過程控制技術在尿素合成裝置上的應用

金治東

(湖北三寧化工股份有限公司, 湖北枝江 443200)

湖北三寧化工股份有限公司尿素裝置產能達到80萬t/a，所采用的智能化設備達到20 000余臺。從目前的過程控制情況來看，以比例積分單回路控制(PID)為主的常規控制策略難以達到理想的控制效果，裝置的生產操作部分依賴人工經驗，存在操作不及時、調節幅度不匹配等問題，難以較好地克服系統波動和外界干擾，而且不同班組的操作習慣和操作方法仍有顯著差異。

采用先進過程控制(APC)技術中的多變量預測控制器，其能根據裝置的工藝特點，實現裝置全流程或部分單元的多變量綜合閉環控制，達到穩定操作、“卡邊”生產等目的，為化工企業智能工廠建設數字化轉型奠定了基礎[1]。

1 工藝流程

尿素合成裝置工藝流程見圖1。

圖1 尿素合成裝置工藝流程

尿素工藝生產大致分為四步:(1)通過液氨泵將液氨和CO2氣體按照比例在反應器內壓縮；(2)在反應器高壓和一定溫度下合成尿素；(3)將未反應的氨和CO2進行回收和循環利用；(4)蒸發造粒產出高濃度的尿素顆粒[2]。尿素合成裝置的轉化率可達95%～98%。

2 過程控制現狀分析

尿素合成裝置屬于生產末端裝置，進氣的流量受機組出口控制，且來料流量存在較大波動。尿素裝置(尿素合成與分離)生產過程包括：原料氨和CO2的壓縮、合成尿素和CO2的汽提、甲銨的中低壓分解和回收、尿液的蒸發和造粒、產品的包裝與儲存等工序。同時，整個裝置及關聯單元屬于多變量耦合系統，在生產操作過程中需要克服變量間的強耦合特性，以保持裝置間及各單元操作內部的物料平衡和能量平衡，基于人工經驗的過程控制難以確保裝置的平穩運行和節能降耗，操作難度較大。另外，由于各班組操作習慣不同，因此控制品質也存在一定的差異。

2.1 氨碳比的控制

池式反應器液相出口物料的氨碳比是裝置反應轉換率的重要指標之一，控制好該指標對整個裝置的穩定、節能降耗及延長設備生命周期均有好處，但該指標對反應轉換率的體現滯后性較大，很難直接根據氨碳比分析儀判斷當前反應器反應轉換率。根據氨碳比調整氨進料容易造成氨碳比繞大彎式上下波動，破壞裝置反應平衡，對下游精餾、中壓吸收、低壓吸收工序造成不穩定影響，同時CO2進料負荷波動較大，又對氨碳比的穩定造成影響[3]。

2.2 CO2氣體中氧含量控制

為了減輕設備的腐蝕問題，需要在CO2進料中增加部分O2,因此需要補充空氣進料量。空氣中的氧含量占比為固定值，由于CO2進料中H2含量太高，空氣中的O2與H2反應而無法達到有效防腐蝕的目的。太多的空氣進料量會影響進料中CO2的含量，進而影響反應效率。目前，通過操作人員無法做到根據CO2進氣中O2含量及時改變通入的空氣量，影響設備防腐效果。

2.3 反應器液位控制

為保證反應正常進行，需要控制池式反應器液位和汽提塔液位在一定合理范圍內，既要保證足夠的液相物料，又不能液位太高失去可調空間。池式反應器出口閥門主要保證在液位不超標的情況下根據CO2進料負荷做出調整，造成反應器液位波動較大，影響反應穩定。池式反應器液位受到來自高壓甲銨泵液相進料和液氨進料量變化影響，其調整對后續汽提塔及中壓系統各設備液位均產生影響，產生多變量耦合影響[4]。

3 APC策略

3.1 多變量預測控制技術

首先，多變量預測控制技術通過APC服務器采集尿素裝置整個回路數據，再通過APC軟件將所用數據導入；其次，選取所需要的數據段，進行數據處理，基于數據算法建立相關控制器模型和測試，設計畫面，切換邏輯；最后，投運控制器，調試上線。此次尿素裝置采用了2個控制器，即分離控制器和合成控制器，對18條回路進行控制分析，針對一些老舊、精確度不高的儀表設備，在進行了現場整改之后，使其滿足APC投入的條件[5]。

3.2 尿素合成先進控制器控制策略

為了使尿素裝置平穩運行，APC設計將從界區物料平衡、裝置內物料傳遞平衡和能量平衡及產品質量控制方面出發，對裝置簡單回路進行參數整定，統籌設計酸脫裝置出CO2流量和解吸塔壓力控制穩定CO2進尿素裝置流量，控制各設備液位穩定達到物料傳遞平衡，穩定蒸汽冷凝液各汽包壓力，減少熱源對能量平衡的影響，對CO2進料氧含量、反應器液位、氨碳比等主控參數進行先進控制器設計，根據實際調研和數據分析，共設計尿素合成先進控制器和尿素分離先進控制器2個控制器,實現尿素整體裝置的先進控制。

3.2.1 池式反應器氨碳比控制

建立N/C分析儀(AT_062301.PV)與去汽提塔CO2流量(FT_061101.PV)、池式反應器來尿液溫度(TT_062104.PV)、池式反應器氣相溫度(TT_062111.PV)、液氨流量修正值(FIC_061202.SV)、去汽提塔CO2壓力(PT_061101.PV)、池式反應器管束溫差(TDT_065102.PV)的多變量預測控制模型。

3.2.2 CO2氣體中氧含量控制

建立CO2進量(FT_061101.PV)、CO2進氣中氧含量(AT_061101.PV)、空氣進量(FIC_061102.SV)的多變量預測模型，根據CO2進料中氧含量及時調整空氣進量，為避免空氣進量過多影響CO2含量，對空氣盡量做好上限限幅，保證一定范圍內氧含量合理可控。

3.2.3 池式反應器液位控制

建立池式反應器液位(LT_062101.PV)與尿素第一蒸發器頂部液位槽進反應器調節閥門(LV_065201)/反應器氣相出口溫度(TT_062111.PV)、反應器管束溫差(TDT_065102.PV)、去第一蒸發器氨水流量(FT_064111_1.PV)、CO2進汽提塔流量(FT_061101.PV)、池式反應器液相出口調節閥(LIC_062101.PV)的多變量預測模型，調節池式反應器液位調節閥控制反應器液位在控制區間范圍內，同時兼顧汽提塔液位變化，減少對汽提塔液位的影響。

4 應用效果

APC系統投運后，裝置運行效果非常顯著：(1)在尿素裝置平穩控制的基礎下，通過“卡邊”優化，提高能源利用率，在裝置有優化空間的前提下，降低裝置單位產品能耗。(2)提高尿素裝置綜合自動化水平，降低操作勞動強度。(3)降低了蒸汽用量約4.3%。(4)實現尿素裝置的精細化控制，克服負荷波動干擾，保證產品質量。

通過APC系統控制后，其中摘取部分優化后的控制回路效果圖見圖2、圖3。

圖2 尿素裝置反應器氨碳比效果圖

圖3 池式反應器液位效果圖

通過APC系統控制后，其中摘取部分優化后的控制回路的平穩率見表1。

表1 部分回路優化比對統計表

在實施APC系統之后，尿素反應器的氨碳比指標得到了有效控制，相比之前調節幅度更加平穩；同樣，池式反應器液位波動相比之前要小，也兼顧了壓力、溫度穩定?；芈菲椒€率相比之前也有了大幅的提升，使裝置回路更加穩定運行。

5 結語

在尿素裝置常規控制的基礎上，運用以提高裝置自動化水平、保證生產安全、平穩運行和節能降耗為主要控制目標的APC系統，將模型預測和反饋校正有機結合，克服系統內變量強耦合、非線性、大滯后、負荷變化、進料波動等因素的影響，有效解決了裝置運行過程中的多變量協調優化控制問題，大幅度提高裝置的綜合自動化水平，降低操作勞動強度，實現裝置的安全、平穩控制，穩定產品質量，并在此基礎上通過對工藝指標的“卡邊”優化，降低消耗。APC技術在尿素裝置的運用上具有深遠的推廣意義。