基于DCS自動化控制系統(tǒng)的合成氨工藝研究

劉 恩

（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，蘭州 730060）

合成氨是一種重要的化工原料，在農(nóng)業(yè)、化肥、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。為了提高合成氨工藝的效率、穩(wěn)定性和安全性，自動化控制系統(tǒng)成為關(guān)鍵技術(shù)之一。DCS（分散控制系統(tǒng)）自動化控制系統(tǒng)以其分布式控制、靈活性和高度集成的特點，已經(jīng)成為合成氨工藝中常用的控制手段。通過在合成氨工藝中引入DCS 系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對關(guān)鍵參數(shù)和環(huán)節(jié)的精確控制和優(yōu)化調(diào)節(jié)，提高工藝的穩(wěn)定性和效率。

1 合成氨工藝概述

1.1 合成氨的生產(chǎn)過程和原理

合成氨是通過將氮氣（N2）和氫氣（H2）在一定條件下催化反應(yīng)而得到的化合物，其生產(chǎn)過程主要基于哈伯-博侖過程。該過程中，氮氣和氫氣在高溫（400℃～500℃）和高壓（150 atm ～300 atm）條件下經(jīng)過催化劑的作用，發(fā)生氮氫氣體的結(jié)合和釋放，最終生成合成氨。

化學反應(yīng)方程式：N2+ 3H2→ 2NH3

合成氨的生產(chǎn)過程一般包括以下幾個步驟：

氮氣和氫氣凈化：通過各種凈化設(shè)備，去除氮氣和氫氣中的雜質(zhì)，確保反應(yīng)物的純度和質(zhì)量。

壓縮和供氣：將凈化后的氮氣和氫氣分別壓縮到所需的工藝壓力，并按照一定的比例供應(yīng)給合成氨反應(yīng)器。

催化反應(yīng)：在合成氨反應(yīng)器中，通過加熱和催化劑的作用，使氮氣和氫氣發(fā)生反應(yīng)，生成合成氨，催化劑通常采用鐵、銠或鎳基催化劑。

分離和純化：將反應(yīng)后的氣體混合物經(jīng)過冷卻和減壓處理，使氨氣（NH3）液化，然后進行分離和純化，得到高純度的合成氨。

合成氨工藝的原理基于氮氣和氫氣的化學反應(yīng)，并受到溫度、壓力、催化劑和反應(yīng)物質(zhì)量比等因素的影響。在工藝設(shè)計和操作中，需要考慮如何優(yōu)化反應(yīng)條件，提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇合適的催化劑，以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定和經(jīng)濟的合成氨生產(chǎn)[1]。

1.2 合成氨工藝的基本流程和關(guān)鍵步驟

合成氨工藝是一個復雜的過程，包括多個關(guān)鍵步驟，每個步驟都對合成氨的產(chǎn)率和質(zhì)量有重要影響。合成氨工藝的基本流程和關(guān)鍵步驟如圖1 所示。

圖1 合成氨的工藝流程Fig.1 Process flow of synthetic ammonia

氮氣和氫氣的凈化和供應(yīng)：氮氣和氫氣作為反應(yīng)物，需要經(jīng)過凈化處理，去除其中的雜質(zhì)和不良成分，凈化后的氮氣和氫氣按照一定比例供應(yīng)給合成氨反應(yīng)器。

壓縮和預(yù)熱：凈化后的氮氣和氫氣被分別壓縮到合成氨反應(yīng)所需的壓力。同時，它們也需要通過預(yù)熱設(shè)備，提高其溫度，以促進后續(xù)的反應(yīng)過程。

反應(yīng)器和催化劑：氮氣和氫氣進入合成氨反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)部通常裝有催化劑，如鐵、銠或鎳基催化劑。催化劑的作用是提高反應(yīng)速率和選擇性，促使氮氣和氫氣發(fā)生反應(yīng)生成合成氨。

冷卻和分離：反應(yīng)后的氣體混合物通過冷卻設(shè)備，使氨氣液化。然后，通過減壓操作，將液氨與未反應(yīng)的氮氣和氫氣進行分離。

氨氣的純化和貯存：分離出的氨氣需要經(jīng)過進一步的純化處理，去除殘留的雜質(zhì)和不純物質(zhì)。然后，純凈的氨氣可以被儲存和輸送到需要的地方。

在整個合成氨工藝中，控制溫度、壓力和反應(yīng)物質(zhì)量比是關(guān)鍵的操作參數(shù)。同時，催化劑的選擇、反應(yīng)器的設(shè)計和操作條件的優(yōu)化也對合成氨的產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要影響。通過合理的工藝設(shè)計和操作控制，可以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定和可持續(xù)的合成氨生產(chǎn)。

2 DCS自動化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識

2.1 DCS系統(tǒng)的定義和特點

DCS 系統(tǒng)是一種應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的控制系統(tǒng)，采用分布式架構(gòu)，將控制和監(jiān)控功能分散到多個地點，并通過通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換和協(xié)調(diào)。其特點包括分布式結(jié)構(gòu)，由多個控制單元組成，每個單元負責監(jiān)控和控制特定設(shè)備或過程，使系統(tǒng)更加靈活、可靠和可擴展。盡管分布式DCS 系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)進行集中管理，中央控制室可以對各個單元進行監(jiān)控、調(diào)整和協(xié)調(diào)，實現(xiàn)高協(xié)同性和一體化程度。系統(tǒng)通常采用冗余配置，引入備用元素以提高可靠性和穩(wěn)定性，并具備處理多種傳感器信號和控制各種設(shè)備的能力，監(jiān)測和控制多個過程參數(shù)，如溫度、壓力、流量和液位[2]。

2.2 DCS系統(tǒng)的組成和工作原理

DCS 系統(tǒng)由控制器、通信網(wǎng)絡(luò)、輸入輸出模塊和人機界面等主要組成部分構(gòu)成。控制器是系統(tǒng)的核心部件，負責接收和處理傳感器信號，并根據(jù)設(shè)定的控制策略對執(zhí)行器進行控制。通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各個控制單元之間的數(shù)據(jù)交換和通信。輸入輸出模塊連接傳感器和執(zhí)行器，將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字或模擬信號，并與控制器進行數(shù)據(jù)傳輸。人機界面提供操作人員對系統(tǒng)進行監(jiān)控和操作的功能。

DCS 系統(tǒng)的工作原理是：傳感器測量工藝參數(shù)并將數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器根據(jù)設(shè)定的控制策略對執(zhí)行器進行控制。同時，通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給其他控制單元進行協(xié)調(diào)和集中管理。人機界面實時顯示工藝參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)，操作人員可以監(jiān)控、調(diào)整和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對工藝過程的全面管理和控制。這樣的系統(tǒng)架構(gòu)和工作原理使DCS 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高度集成、靈活性、可擴展性以及實時數(shù)據(jù)采集和分析，提高工藝過程的效率和安全性。

3 基于DCS的合成氨工藝控制策略

3.1 合成氨工藝中的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)和參數(shù)

在合成氨工藝中，存在一些關(guān)鍵的控制環(huán)節(jié)和參數(shù)，對于實現(xiàn)高效、穩(wěn)定和安全的合成氨生產(chǎn)至關(guān)重要。這些控制環(huán)節(jié)和參數(shù)主要包括以下幾點：

反應(yīng)器溫度控制：合成氨反應(yīng)器溫度是一個關(guān)鍵參數(shù)，它對反應(yīng)速率、氨產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要影響。合成氨工藝通常在高溫高壓條件下進行，需要控制反應(yīng)器溫度在適宜的范圍內(nèi)。工藝特點是合成氨反應(yīng)是一個放熱反應(yīng)，溫度的控制需要防止過熱和溫度過高引發(fā)副反應(yīng)。DCS 控制系統(tǒng)可以通過實時監(jiān)測反應(yīng)器溫度，并通過控制器對加熱、冷卻和廢熱回收系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，以維持反應(yīng)器溫度在合適的范圍內(nèi)。

壓力控制：合成氨工藝通常在高壓下進行，合適的壓力有利于提高氨的產(chǎn)率和反應(yīng)速率。工藝特點是壓力對反應(yīng)平衡和氨的溶解度具有影響，需要精確控制。DCS 控制系統(tǒng)可以監(jiān)測并控制進料流量、氣體排放和循環(huán)氣體的調(diào)節(jié)，以維持穩(wěn)定的工藝壓力。

氮氫比控制：氮氫比是合成氨反應(yīng)中的重要參數(shù)，它影響氨的產(chǎn)率和能耗。工藝特點是氮氫比需要在適宜的范圍內(nèi)控制，過高或過低都會影響工藝經(jīng)濟性。DCS 控制系統(tǒng)可以監(jiān)測氮氣和氫氣的供應(yīng)比例，并通過控制器對供氣流量進行調(diào)節(jié)，以維持最佳的氮氫比值。

催化劑循環(huán)控制：合成氨工藝中使用催化劑促進反應(yīng)，催化劑的活性和穩(wěn)定性對工藝性能具有重要影響。工藝特點是催化劑需要定期添加、分離和再生，要求精確地控制。DCS 控制系統(tǒng)可以監(jiān)測催化劑濃度、循環(huán)液流量和再生系統(tǒng)等參數(shù)，并通過控制器對添加、分離和再生過程進行調(diào)節(jié)，以保持催化劑的活性和穩(wěn)定性[3]。

3.2 DCS系統(tǒng)在合成氨工藝中的應(yīng)用案例

DCS 的典型案例就是在合成氨工藝中應(yīng)用DCS 系統(tǒng)進行氨合成反應(yīng)的溫度和壓力控制。

在合成氨工藝中，溫度和壓力是關(guān)鍵的工藝參數(shù)，對反應(yīng)的速率和選擇性有著重要影響。合成氨反應(yīng)是一個放熱反應(yīng)，反應(yīng)器內(nèi)需要保持適宜的溫度和壓力條件以獲得高效的氨合成。DCS 系統(tǒng)在這個過程中發(fā)揮著重要的作用。

首先，DCS 系統(tǒng)通過連接傳感器和控制器，實時監(jiān)測反應(yīng)器的溫度和壓力。傳感器將溫度和壓力數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器對數(shù)據(jù)進行處理和分析。

基于工藝特點，DCS 系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定的控制策略對加熱、冷卻和廢熱回收系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，以維持反應(yīng)器溫度在合適的范圍內(nèi)。當溫度過高時，DCS 系統(tǒng)可以通過控制冷卻系統(tǒng)降低溫度；當溫度過低時，可以通過控制加熱系統(tǒng)提高溫度。這種精確的溫度控制有助于避免過熱和溫度過高引發(fā)副反應(yīng)，并提高反應(yīng)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

同時，DCS 系統(tǒng)還可以監(jiān)測進料流量、氣體排放和循環(huán)氣體的調(diào)節(jié)，以維持穩(wěn)定的工藝壓力。通過實時調(diào)節(jié)供氣流量，DCS 系統(tǒng)能夠確保工藝壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)，保持反應(yīng)平衡和氨的溶解度，提高生產(chǎn)效率。

此外，DCS 系統(tǒng)還可以進行數(shù)據(jù)采集和分析。通過采集和記錄溫度、壓力和其他工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)，DCS 系統(tǒng)可以實時監(jiān)測工藝狀態(tài)并進行數(shù)據(jù)分析。這有助于工藝工程師了解反應(yīng)器運行情況、檢測異常和優(yōu)化控制策略，提高工藝安全性和效率。

3.3 基于DCS的合成氨工藝控制策略優(yōu)化

根據(jù)合成氨工藝的特點和DCS 系統(tǒng)的控制功能，優(yōu)化合成氨工藝的控制策略可以采取以下措施：

多變量控制策略：利用DCS 系統(tǒng)的多變量控制功能，建立合成氨工藝的數(shù)學模型，并采用協(xié)調(diào)控制算法對多個關(guān)鍵參數(shù)進行聯(lián)合調(diào)節(jié)。通過綜合考慮溫度、壓力、流量等參數(shù)之間的相互影響，優(yōu)化反應(yīng)速率和選擇性。例如，在控制溫度的同時，調(diào)節(jié)氣體流量和壓力，以實現(xiàn)更高的產(chǎn)量和更好的產(chǎn)品質(zhì)量。

高級控制應(yīng)用：利用DCS 系統(tǒng)的高級控制功能，如模型預(yù)測控制（MPC），建立準確的合成氨工藝模型。通過預(yù)測和優(yōu)化算法，實現(xiàn)對關(guān)鍵參數(shù)的精確調(diào)節(jié)。MPC 可以考慮非線性響應(yīng)和多變量耦合效應(yīng)，優(yōu)化控制策略，并自動根據(jù)實時工藝數(shù)據(jù)進行調(diào)整，以實現(xiàn)更高的工藝效率和穩(wěn)定性。

實時數(shù)據(jù)分析與反饋：DCS 系統(tǒng)實時采集和分析合成氨工藝的關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)。利用趨勢分析和報警功能，工程師可以及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，并優(yōu)化控制策略。通過監(jiān)測工藝條件的波動和進料組成的變化，及時調(diào)整控制參數(shù)，確保工藝穩(wěn)定運行和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

故障診斷與自動切換：DCS 系統(tǒng)具備故障診斷和自動切換功能。當某個設(shè)備或部件發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠自動切換到備用設(shè)備或工作模式，確保合成氨工藝的連續(xù)運行和安全性。同時，系統(tǒng)可以提供故障診斷信息，幫助工程師快速定位和修復故障，減少停工時間和生產(chǎn)損失[4]。

綜合利用DCS 系統(tǒng)的多變量控制能力、高級控制功能、實時數(shù)據(jù)分析和故障管理特點，合成氨工藝的控制策略可以得到優(yōu)化。這將提高工藝效率、產(chǎn)品質(zhì)量和安全性，降低能耗和原材料消耗，從而增強工藝的經(jīng)濟性和競爭力。

4 DCS自動化控制系統(tǒng)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

4.1 DCS系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

首先，DCS 系統(tǒng)的高度集成性和靈活性使其能夠滿足復雜工業(yè)過程的要求。通過集成多種控制功能和應(yīng)用程序，DCS 系統(tǒng)可以實現(xiàn)對整個工藝過程的全面管理和控制。其次，DCS 系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)測和控制，能夠?qū)崟r采集、處理和分析工藝數(shù)據(jù)。這使得操作員可以及時發(fā)現(xiàn)異常情

況并采取相應(yīng)措施，確保過程的穩(wěn)定性和安全性。此外，DCS 系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信和遠程操作實現(xiàn)了遠程監(jiān)視和控制的能力。操作員可以從遠程位置監(jiān)控和控制工業(yè)過程，提高了操作的靈活性和便利性。最后，DCS 系統(tǒng)具備故障恢復和冗余配置功能，提高了系統(tǒng)的可靠性和容錯能力。當一個控制單元發(fā)生故障時，其他冗余單元可以接管任務(wù)，確保系統(tǒng)的連續(xù)運行[5]。

4.2 DCS系統(tǒng)在合成氨工藝中可能遇到的挑戰(zhàn)和解決方案

在合成氨工藝中，DCS 系統(tǒng)可能面臨以下挑戰(zhàn)：

1）復雜的過程控制

合成氨工藝涉及多個關(guān)聯(lián)的變量和復雜的化學反應(yīng)過程，對控制系統(tǒng)的要求較高。DCS 系統(tǒng)需要能夠處理多變量控制、約束條件，以及非線性動態(tài)過程等挑戰(zhàn)。

解決方案：采用高級控制策略，如模型預(yù)測控制（MPC）和多變量控制（MVC），結(jié)合合適的工藝模型和優(yōu)化算法，提高控制系統(tǒng)的性能和魯棒性。

2）快速響應(yīng)和實時性要求

合成氨工藝中，對于溫度、壓力和流量等變量的實時監(jiān)測和控制至關(guān)重要。DCS 系統(tǒng)需要具備高速的數(shù)據(jù)采集、處理和通信能力，以實現(xiàn)快速響應(yīng)和實時控制。

解決方案：采用高性能的硬件設(shè)備和高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，確保實時數(shù)據(jù)的準確性和及時性。優(yōu)化系統(tǒng)的采樣周期和控制算法，提高響應(yīng)速度。

3）系統(tǒng)可靠性和冗余配置

合成氨工藝對系統(tǒng)的可靠性和冗余配置要求較高，以保證連續(xù)運行和安全性。任何控制單元的故障都可能對生產(chǎn)過程產(chǎn)生重大影響。

解決方案：采用冗余配置的DCS 系統(tǒng)，確保備份控制單元能夠自動接管任務(wù)，并實施故障恢復策略。進行定期的設(shè)備維護和故障診斷，提前發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題。

5 結(jié)論與展望

基于DCS 自動化控制系統(tǒng)的合成氨工藝研究，可以提高工藝的效率、穩(wěn)定性和安全性。未來的研究可以聚焦于優(yōu)化控制策略和算法，結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，實現(xiàn)智能化監(jiān)測和控制。同時，加強數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全研究，關(guān)注工藝的綠色化、可持續(xù)化和智能化發(fā)展。這將推動合成氨工藝的可持續(xù)發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進一步提升。