畢業(yè)設(shè)計串級控制在合成一段爐上的應(yīng)用

1、摘 要 合成一段爐是大型合成氨廠的關(guān)鍵設(shè)備之一，一段爐出口溫度是轉(zhuǎn)化工藝段的重要控制參數(shù)，出口溫度控制的穩(wěn)定性和快速性方面均有較高要求。因合成一段爐的大熱容量，傳熱過程的滯后和溫度變化的相對延遲，傳統(tǒng)的單回路控制系統(tǒng)難以滿足控制要求。本文研究了串級控制控制系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)，并通過與單回路控制系統(tǒng)的比較，分析了串級控制系統(tǒng)在提高系統(tǒng)工作頻率，增強(qiáng)抗干擾能力和自適應(yīng)能力方面的優(yōu)勢，探討了串級控制系統(tǒng)的設(shè)計、參數(shù)整定方法。在對合成一段爐對象建?；A(chǔ)上，求解出燃燒天然氣流量到合成一段爐出口溫度的傳遞函數(shù)，設(shè)計出相應(yīng)的串級控制系統(tǒng)，并利用simulink仿真器對該系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：合成

2、一段爐；串級控制；建模；傳遞函數(shù)；simulink；階躍響應(yīng)abstract application of cascade control in primary reformer of ammonia synthesis plant primary reformer of ammonia synthesis plant is one of the key equipment in a large ammonia plant .the temperature of primary reformer outlet-gas is an important control parameters in

3、transformation process section. the temperature of the outlet-gas control has higher requirements in swiftness and accuracy. due to the large heat capacity of primary reformer of ammonia synthesis plant, heat transfer and temperature changes lag relative delay; the traditional single loop control sy

4、stem can not meet the requirements of the control. in this paper, control system elements of the cascade control structure have been studied , an analysis of advantages of cascade control system in improving system operating frequency, enhancing anti-jamming capability and self-adaptive ability by c

5、omparing with single-loop control system .the design method and parameter tuning methods of the cascade control system have been discussed .base on the object modeling of primary reformer of ammonia synthesis plant, the transfer function of the flow rate of burning natural gas to the temperature of

6、outlet-gas were solved ,and the corresponding cascade control system was designed, then simulink simulator was used to do corresponding simulation experiment .key words： primary reformer of ammonia synthesis plant；cascade control； modeling；transfer function；simulink；step response目錄摘 要iabstractii第1章

7、引 言11.1 研究概述11.1.1 選題背景及意義11.1.2 合成氨工藝及設(shè)備2第2章 串級控制系統(tǒng)52.1串級控制系統(tǒng)的基本概念52.1.1 串級控制系統(tǒng)的組成52.1.2 串級控制系統(tǒng)的特性分析62.2 串級控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)92.2.1串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用92.2.2串級控制系統(tǒng)的設(shè)計112.2.3串級控制系統(tǒng)的整定和投運(yùn)14第3章 串級控制在合成一段爐上的應(yīng)用163.1 合成一段爐工藝概況163.1.1 合成一段爐工藝概況163.2 合成一段爐出口溫度控制系統(tǒng)183.2.1 合成一段爐出口溫度控制的任務(wù)183.2.2 合成一段爐出口溫度控制的動態(tài)特性183.3 合成一段爐出口溫度串級

8、控制系統(tǒng)193.3.1 合成一段爐出口溫度串級控制系統(tǒng)組成193.3.2 合成一段爐出口溫度串級控制系統(tǒng)控制方案設(shè)計203.3.3合成一段爐出口溫度串級控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)求取213.3.4合成一段爐出口溫度串級控制系統(tǒng)仿真分析26第4章 結(jié)束語33致 謝35參考文獻(xiàn)36附 錄37第1章 引 言1.1 研究概述1.1.1 選題背景及意義選題背景：（1）串級控制研究與應(yīng)用的成熟。單回路控制系統(tǒng)解決了工藝生產(chǎn)過程自動化中大量的參數(shù)定值控制問題在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。但是.現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步深入發(fā)展，工藝的要求條件更加嚴(yán)格，對安全運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)性和控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的要求也越來越高。當(dāng)負(fù)荷變化比較劇烈或

9、負(fù)荷頻繁變化，對象表現(xiàn)為大容量滯后，或者工藝對產(chǎn)品品質(zhì)要求比較高，此時單回路控制系統(tǒng)就很難滿足控制要求，這就需要設(shè)計一種更為有效的控制系統(tǒng)對生產(chǎn)流程進(jìn)行控制。在這樣的情況下，串級控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并因其能有效改善控制品質(zhì)而在過程控制中得到了廣泛應(yīng)，對串級控制的理論研究和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均有相當(dāng)?shù)姆e累。（2）一段爐出口溫度控制的研究有待深入。在一段爐熱力學(xué)和動力學(xué)模擬方面，sverre g等(2001)建立一段爐蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)和爐膛傳熱的模型。何東（2007）對布朗工藝合成氨過程進(jìn)行了一段轉(zhuǎn)化爐和氨合成塔的建模和計算。sepehr sanaye等(2007)對建立模型對一段爐進(jìn)行熱力學(xué)和動力學(xué)模擬，建

10、立蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)的動力學(xué)模型并研究了壓力、水碳比、天然氣組成等對甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)的影響。在一段爐運(yùn)行控制方面，吳鴻欣（2003）進(jìn)行了提高布朗合成氨裝置一段爐生產(chǎn)能力的探討。張恩玲（2005）對一段爐過?？諝獾目刂七M(jìn)行了相關(guān)研究。王勇明（2003）提出了利用數(shù)學(xué)模型優(yōu)化一段爐的運(yùn)行。另在合成一段爐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，工藝技改，故障檢修等均有相關(guān)研究，但對合成一段爐的出口溫度控制還少有研究。 選題意義：合成一段轉(zhuǎn)化爐處于合成氨全部工藝流程之首，是烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法制成合成氨原料氣的關(guān)鍵設(shè)備之一。另外一段轉(zhuǎn)化爐材質(zhì)上大量使用高級合金鋼，據(jù)估計其造價要到占全廠總投資的30左右，一段爐構(gòu)造相對復(fù)雜卻十分脆弱，其部分

11、部件對高溫及急劇的溫度變化敏感，因此一段爐不僅在開停爐上有嚴(yán)格要求，在日常運(yùn)行的溫度控制上也有較高的要求。合成一段爐出口溫度能在一定程度上反映一段爐爐管內(nèi)溫度，無論從合成一段爐穩(wěn)定運(yùn)行的角度還是工藝條件的角度，對合成一段爐出口溫度的控制均有重大意義。而當(dāng)使用傳統(tǒng)的單回路控制系統(tǒng)控制合成一段爐出口溫度時，因合成一段爐的大熱容量及傳熱的速度限制，溫度的不可突變性，單回路控制系統(tǒng)的控制作用發(fā)揮的不夠及時，合成一段爐出口溫度波動，難以滿足一段爐溫度控制的精度與及時性的要求，同時影響一段爐使用壽命。本文選用有在工業(yè)控制上有成熟應(yīng)用的串級控制系統(tǒng)來控制合成一段爐出口溫度。本文在研究了串級控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

12、，工作原理，系統(tǒng)設(shè)計，參數(shù)選擇及串級控制在工業(yè)過程控制中的實(shí)際應(yīng)用之后，分析了一段轉(zhuǎn)化爐的相關(guān)特性和控制指標(biāo)，并探討串級控制在合成一段爐爐溫控制的可行性和實(shí)際應(yīng)用前景，并針對一段轉(zhuǎn)化爐設(shè)計相應(yīng)的流量-溫度串級控制系統(tǒng)，并對合成一段爐出口串級控制系統(tǒng)控制效果進(jìn)行matlab仿真分析。 1.1.2 合成氨工藝及設(shè)備 合成氨是無機(jī)化工基礎(chǔ)工業(yè)。合成氨工業(yè)誕生于20世紀(jì)初，在六十年代開始的合成氨廠大型化是其發(fā)展史上一次重大的改革。（1）合成氨工藝合成氨工藝常見流程圖如圖1-1所示：天然氣原料氣壓縮機(jī)脫硫一段轉(zhuǎn)化二段轉(zhuǎn)化高溫變換低溫變換脫碳甲烷化合成冷凍產(chǎn)品蒸汽空氣空氣壓縮機(jī)副產(chǎn)品合成氣壓縮機(jī)冰機(jī)熱回收

13、系統(tǒng)高壓蒸汽圖1-1 烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法大型氨廠原則流程圖合成氨基本反應(yīng)式：+3=。氣態(tài)烴(亦可以是液態(tài)烴)首先要經(jīng)脫硫工序以除去硫化氫和硫化合物后，再與水蒸汽混合，在一段轉(zhuǎn)化爐的反應(yīng)管內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，一段轉(zhuǎn)化氣中除了反應(yīng)產(chǎn)物和、外，還有未轉(zhuǎn)化的和水蒸汽。氣態(tài)烴轉(zhuǎn)化反應(yīng)總體表現(xiàn)為吸熱，因此在反應(yīng)管外用燃料燃燒（一般為天然氣）供給所需熱量。之后一段轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐，在此還需引入空氣，在爐內(nèi)燃燒掉一部分氫氣或其它氣體，放出熱量以供進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，同時又把合成氨所用氮?dú)庖胂到y(tǒng)。二段轉(zhuǎn)化氣殘余的已經(jīng)很少了。接下去的高溫變換和低溫變換(簡稱高變和低變)各在不同的溫度下使氣體中的一氧化碳與水蒸汽反應(yīng)，生成等

14、量的和，從而提供了更多的作為合成氨原料的氫氣，這個反應(yīng)叫作變換反應(yīng)。 以上幾個工序構(gòu)成了合成氨廠的造氣系統(tǒng)，創(chuàng)出了合成氨所用的粗原料氣，主要成分是和、。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化的基本反應(yīng)式如下所示：天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化后即得到合成氨粗原料氣。合成氨粗原料氣進(jìn)入脫碳工序，用一種溶液把氣體中的二氧化碳吸收掉，而后再將溶液加熱并減壓，釋放出二氧化碳釋作為副產(chǎn)品。二氧化碳吸收溶液可循環(huán)使用。甲烷化工序把氣體中殘存的極少量和氣體經(jīng)甲烷化反應(yīng)變成水蒸汽和。水蒸汽經(jīng)冷凝排出，因?qū)罄m(xù)工序是無害的惰性氣體不予處理。脫碳和甲烷化工序合稱為凈化，即把轉(zhuǎn)化反應(yīng)后的粗原料氣凈化成合成氨所需要的比較純凈的氫氮混合氣。氫氮混合氣經(jīng)合成氣

15、壓縮機(jī)壓縮到高壓后，送入合成氨合成塔進(jìn)行氨的合成。由于氣體一次通過合成塔后一般只能有10一20%的氫氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)，因此需要將出塔氣體冷卻，使產(chǎn)品氨冷凝分離后將未反應(yīng)的氫氮混合氣重新送回合成塔，以提高原料利用率。以上所述的合成氨工藝流程大體上可分為制氣，凈化和合成三個部分。此外，在凡有生產(chǎn)余熱可資利用之處，都安排有熱回收設(shè)備，構(gòu)成了全廠的蒸汽動力系統(tǒng)，穿插于各個工藝工序之內(nèi)。（2）合成氨設(shè)備合成氨工業(yè)主要設(shè)備包括:脫硫工序中的加氫轉(zhuǎn)化器，鐵錳脫硫槽。 轉(zhuǎn)化工序中的一段轉(zhuǎn)化爐和二段轉(zhuǎn)化爐 。變換工序的主要設(shè)備變換爐（高變爐和低變爐兩部分）。脫碳工藝中的主要設(shè)備吸收塔和再生塔（高度都有五、六十米，直

16、徑都在3米以上，是全廠的兩臺主要設(shè)備，兩塔一般均采用填料塔。一般說來，填科塔是較老的塔型，生產(chǎn)能力不如一些新型的板式塔）。甲烷化工序中的甲烷反應(yīng)器（又叫甲烷化妒）。另外以天然氣為原料的大型氨廠使用四臺大壓縮機(jī)，即原料氣壓縮機(jī)將原料天然氣送入一段轉(zhuǎn)化爐，空氣壓縮機(jī)將工藝空氣送入二段轉(zhuǎn)化爐，合成氣壓縮機(jī)將合格的氫氮?dú)馑腿牒铣苫芈?包括循環(huán)氣的增壓)，以及提供冷凍的氨氣壓縮機(jī)；另有熱交換器，水泵，煙囪等設(shè)備。典型合成氨設(shè)備布置圖如圖1-2所示。圖1-2合成氨設(shè)備布置圖 第2章 串級控制系統(tǒng) 串級控制系統(tǒng)是為應(yīng)對不斷發(fā)展的工業(yè)生產(chǎn)，不斷出現(xiàn)的新工藝，日趨強(qiáng)化的生產(chǎn)過程，日益嚴(yán)格的產(chǎn)品質(zhì)量要求，簡單控制

17、系統(tǒng)已不能滿足工藝要求的情況應(yīng)運(yùn)而生的。 串級控制是在單參數(shù)、單回路pid調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種控制方式.它可以較簡易地解決幾個因素影響同一個被控制變量的相關(guān)問題。 在生產(chǎn)過程的常規(guī)控制中，串級控制系統(tǒng)是提高過程控制品質(zhì)很有效的方案之一，因此，得到了廣泛的應(yīng)用。2.1串級控制系統(tǒng)的基本概念 2.1.1 串級控制系統(tǒng)的組成圖1-2為串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)有兩個調(diào)節(jié)器。在串級控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)中，外閉環(huán)稱為主回路或主環(huán)，用于最終保證被調(diào)量滿足工藝要求。副控制器，副對象，副檢測變送環(huán)節(jié)，在主回路內(nèi)部構(gòu)成一個內(nèi)閉環(huán)稱為副回路或副環(huán)，用于克服被控對象所受到的主要干擾。對應(yīng)有兩個控制器:主控制器用

18、于保證系統(tǒng)的控制精度，減小穩(wěn)態(tài)誤差，其輸入是被控量給定值的偏差信號，其輸出作為副控制器的給定值。副控制器主要用于保證系統(tǒng)反應(yīng)快速性，其輸出作為控制信號直接送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。串級控制通用框圖如圖2-1所示 ：輸出副對象控制閥副控制器主控制器 主對象 副測量變送器主測量變送器 圖2-1串級控制系統(tǒng)通用框圖 2.1.2 串級控制系統(tǒng)的特性分析(1) 串級控制系統(tǒng)的工作過程 在串級控制系統(tǒng)中，擾動作用進(jìn)入控制回路時，控制系統(tǒng)克服擾動的過程即開始。根據(jù)擾動進(jìn)人系統(tǒng)的位置不同，可將其分為兩類，二次擾動（包含于副回路的擾動）和一次擾動（作用于副回路之外的擾動），現(xiàn)分三種情況加以討論： 1) 擾動進(jìn)入副回路一般來

19、說，當(dāng)擾動進(jìn)入副回路時，由于副回路控制通道短，滯后小，時間常數(shù)小，可獲得相比于單回路控制超前的控制作用。當(dāng)擾動大時，副控制器搶先發(fā)生控制作用，削弱擾動影響，干擾余量再由主、副環(huán)一起實(shí)施精確控制，擾動小時，副環(huán)可以完全克服此擾動的影響，故整個控制過程速度快、質(zhì)量高。2)擾動進(jìn)入主回路當(dāng)擾動進(jìn)入主回路時，主被控量受干擾影響而波動，這時距離干擾更近的主控制器先發(fā)生控制作用，其輸出變化迅速改變副控制器的設(shè)定值而使副控制器發(fā)出控制信號，通過調(diào)節(jié)閥開度的迅速變化，使主被控量很快回到設(shè)定值。在這個過程中副回路雖然不能對擾動發(fā)揮控制作用，但由于副回路的存在，加速了整個系統(tǒng)的控制作用。在主副回路的共同作用下，克

20、服擾動的影響較單回路控制快，控制過程也較短。3)擾動同時作用于主、副回路假如擾動使主、副被控量同方向(即同時減小或增大)變化，則副控制器所接受的偏差為主、副被控制量兩方向作用之和，偏差值較大，此時副控制器的輸出就以較大幅度改變調(diào)節(jié)閥開度，使主被控量盡快向設(shè)定值靠近;假如擾動使主、副控制器反方向變化(即一個減小，另一個增大)，則副控制器所接受的偏差為主、副控制量兩方向作用之差，其值較小，此時調(diào)節(jié)閥開度只需較小變化就可把主被控量調(diào)整回來。（2） 串級控制系統(tǒng)的特性串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比，由于在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上多了一個副回路，所以具有以下一些特點(diǎn)： 1）改善了過程的動態(tài)特性，提高了控制作用的快速

21、性 設(shè)、為主、副控制器的傳遞函數(shù)； 、 為主副對象的傳遞函數(shù)；、為主、副變送器的傳遞函數(shù)，是控制閥的傳遞函數(shù)，則串級控制系統(tǒng)的框圖可用圖2-2所示的一般形式來表示。 圖2-2串級控制系統(tǒng)框圖的一般形式如果把整個副控制回路看成一個等效副對象，并以的傳遞函數(shù)表示。假定= ,= ,= ,=， , = ,=。則可由圖2-2可求得副回路的等效傳遞函數(shù) （2-2）式中= = 推算可知串級控制系統(tǒng)中，由于副回路的存在，使等效副對象的時間常數(shù)僅為副對象本身的時間常數(shù)的,并且在，不變的情況下，隨著副控制器放大系數(shù)的增大，這種時間常數(shù)減小的效果更顯著。意味著控制通道縮短，使控制作用更加及時，響應(yīng)速度更快，控制質(zhì)量

22、得到提高。因?yàn)橹挥挟?dāng)0，一般工程上常取=（310）。 一定時，主、副回路時間常數(shù)有以下的關(guān)系：=(310)，其中和是主、副回路的等效時間常數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中/取多大為宜，應(yīng)根據(jù)具體對象的情況和控制系統(tǒng)要達(dá)到的目的要求具體分析。如果串級控制系統(tǒng)的目的是為了克服對象的主要干擾，那么副回路的時間常數(shù)小一點(diǎn)為好，只要將主要干擾納入副回路就行了。如果串級控制系統(tǒng)的目的是為了克服對象時間常數(shù)過大和滯后嚴(yán)重，為改善對象特性，那么副回路的時間常數(shù)可適當(dāng)大一些。如果想利用串級控制系統(tǒng)克服對象的非線性，那么主、副對象的時間常數(shù)又宜相差遠(yuǎn)一些。以上對副變量選擇的討論都是從控制質(zhì)量角度來考慮的，而在實(shí)際應(yīng)用時，首先要考

23、慮生產(chǎn)工藝的要求,具體為:1) 副變量的選擇，應(yīng)首要考慮工藝上副變量的實(shí)時在線檢測性，要求主、副變量應(yīng)有對應(yīng)關(guān)系，即調(diào)整副變量能有效地影響主變量。2) 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)該根據(jù)工藝的具體情況，不僅考慮控制的合理性、可行性，還要考慮工藝的可行性。3) 在副回路的設(shè)計中，若出現(xiàn)幾個可供選擇的方案時，應(yīng)把經(jīng)濟(jì)原則和控制品質(zhì)要求有機(jī)地結(jié)合起來。在保證生產(chǎn)工藝要求的前提下，盡量選擇投資少、見效快，成本低、效益高的方案。這個思想應(yīng)作為工程設(shè)計人員的指導(dǎo)原則。 2.2.3串級控制系統(tǒng)的整定和投運(yùn)串級控制系統(tǒng)的方案正確設(shè)計后，為使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，系統(tǒng)必須進(jìn)行校正，即參數(shù)整定。其實(shí)質(zhì)是通過調(diào)節(jié)pid參數(shù)

24、，來改善系統(tǒng)的動態(tài)特性和靜態(tài)特性，以獲得最佳的控制效果。在整定串級控制系統(tǒng)控制器參數(shù)時，首先必須明確主、副回路的作用，以及主、副參數(shù)的控制要求，然后通過控制器參數(shù)整定，才能使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。從整體上來看，串級控制系統(tǒng)主回路是一個定值控制系統(tǒng)，要求主參數(shù)有較高的控制精度。副回路是一個隨動系統(tǒng)，副控制器能快速而準(zhǔn)確地跟蹤主控制器的輸出變化即可。在工程實(shí)踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有:兩步整定法，一步整定法等。（1）兩步法 兩步法是在主、副回路工作頻率相差比較大的條件下采用的一種方法，所謂兩步法就是整定分為兩步進(jìn)行，先整定副回路，再整定主回路，具體步驟如下: 1) 將主、副回路均閉環(huán)，置主控

25、制器的比例帶為=100%，積分時間為最大，微分時間為最小，副控制器比例度放100%，積分時間最大，微分時間最小，主環(huán)投入手動，副環(huán)投入自動。然后調(diào)整主控制器輸入，直到副被控參數(shù)出現(xiàn)4:1衰減振蕩過程，記錄此時的比例帶和振蕩周期。 2) 將副控制器的比例帶置為所得到的，按4:1衰減曲線法整定主回路的比例帶和振蕩周期 3) 按所得到的主副回路的比例帶和振蕩周期、，結(jié)合主、副控制器的選型，采用4:1衰減曲線法的經(jīng)驗(yàn)公式，分別整定主、副控制器的參數(shù)。 4) 在主、副回路均閉合的條件下，采用步驟3所得到的控制器的參數(shù)，按先副回路后主回路，先比例后積分最后微分的順序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，觀察控制過程的曲線，如果

26、結(jié)果不夠滿意，可適當(dāng)進(jìn)行一些調(diào)整。（2）一步法一步法是在主變量控制精度要求較高，而副變量的控制精度要求不高，即允許副變量在一定范圍內(nèi)變化的條件下采用的一種有效方法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將副控制器的參數(shù)一次性置好，不再變動，然后按一般單回路系統(tǒng)的整定方法，直接整定主控制器的參數(shù)。如果系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，只要加大主、副控制器的任意參數(shù)值，即可消除。這種方法的依據(jù)是，在串級控制系統(tǒng)中，通常主變量是工藝過程的主要操作指標(biāo)，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，因而對其控制精度要求較高，而副變量是為了提高主變量的控制質(zhì)量，對副變量本身沒有很高的控制精度要求，允許其在一定范圍內(nèi)變化。串級控制系統(tǒng)的投運(yùn) ：選用不同的儀

27、表組成的串級控制系統(tǒng)，投運(yùn)方法也有所不同，但是所遵循的原則基本都是相同的：其一是投運(yùn)順序，一般都采用先投副環(huán)后投主環(huán)的投運(yùn)順序；其二是投運(yùn)過程必須保證無擾動切換。第3章 串級控制在合成一段爐上的應(yīng)用 一段轉(zhuǎn)化爐是大型氨廠的關(guān)鍵設(shè)備之一。由于反應(yīng)管長期處于高溫、高壓和氣體腐蝕的苛刻條件，需采用耐熱合金鋼管，因此費(fèi)用昂貴，整個轉(zhuǎn)化爐的投資約占裝置投資的30%，而反應(yīng)管的投資約為一段爐的一半。因此，一段轉(zhuǎn)化爐必須精心維護(hù)。一段轉(zhuǎn)化爐出口溫度能在一定程度上反映爐膛溫度和一段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率，對甲烷轉(zhuǎn)化率，二段轉(zhuǎn)化反應(yīng)均有較大的影響，另在合成氨工藝中綜合考慮能耗和產(chǎn)率，一段爐出口溫度必須控制在一定范

28、圍內(nèi)。為提高一段爐出口溫度控制精度，考慮采用燃燒天然氣流量合成一段轉(zhuǎn)化爐出口溫度的串級控制系統(tǒng)，以有效提高一段轉(zhuǎn)化爐出口溫度的控制品質(zhì)。3.1 合成一段爐工藝概況3.1.1 合成一段爐工藝概況 一段轉(zhuǎn)化爐是大型氨廠烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法制合成氨原料氣的的關(guān)鍵設(shè)備之一，它分為輻射段和對流段。一段轉(zhuǎn)化爐按供熱方式不同可分為側(cè)燒、傾斜燒和頂燒三種類型。（1）側(cè)壁燃燒型(側(cè)燒爐)。原料氣由上集氣管、上豬尾管進(jìn)入輻射段內(nèi)兩行按三角形錯排的轉(zhuǎn)化管，管間距為管外徑的2倍，每1214根為一組，每組出口有一根不到4米長的下集氣管。轉(zhuǎn)化后的氣體由下集氣管匯集到集氣總管送往二段爐。其特點(diǎn)是：1） 采用碗形輻射式或無焰板式燒

29、嘴從上到下分設(shè)在兩側(cè)爐墻上，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化管軸向兩側(cè)的這些燒嘴使整根轉(zhuǎn)化管上下溫度均勻，從而使催化劑發(fā)揮出最佳活性。2） 對流段放在爐子頂部，可不用引風(fēng)機(jī)，節(jié)省動力，但檢修和安裝不方便，所以也有將對流段與輻射段平行設(shè)置的變型。3） 轉(zhuǎn)化管有效長度只受阻力和催化劑抗壓強(qiáng)度的限制而不受煙道氣溫度分布的限制，因而只要條件允許，可適當(dāng)加長或縮短，以適應(yīng)不同生產(chǎn)能力的需要。 （2）傾斜壁燃燒型(梯臺爐)。這種爐型轉(zhuǎn)化管的排列與側(cè)燒爐類似，其特點(diǎn)是： 1） 設(shè)置兩個輻射段合用一個對流段。 2） 兩側(cè)爐壁內(nèi)傾斜約10，爐嘴設(shè)在傾斜壁的下邊，火焰與壁平行。每層斜壁的高度由火焰長度而定，梯臺數(shù)則取決于爐管長度

30、。 3） 盡管燒嘴較少，但依靠傾斜壁而輻射熱的作用軸向溫度分布很均勻，操作也方便。 4） 在長期高溫下運(yùn)行，內(nèi)傾壁易損壞坍塌。（3）頂部燃燒型(頂燒爐)。這種爐子外殼像長方形箱子，其特點(diǎn)是： 1） 燒嘴布置在爐頂，火焰從上往下噴燃，轉(zhuǎn)化管內(nèi)工藝氣體與煙道氣同向流動，可以獲得較理想的溫度分布，轉(zhuǎn)化管徑向溫度分布也比較均勻。 2） 燒嘴少，燃料管道系統(tǒng)比較簡單，只要在總管上設(shè)調(diào)節(jié)閥即可，故操作方便投資低，但不如側(cè)燒壁那樣易調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化管軸向的溫度分布。 3） 轉(zhuǎn)化管長度受煙道氣溫度分布的限制，不便加長，好在爐子長度和寬度不受限制，可用增減管數(shù)的方法適應(yīng)不同生產(chǎn)能力的需要。4）對流段平行地設(shè)在輻射段一旁

31、，雖然占地面積較大，但安裝檢修都比較方便。目前比較常用的頂燒爐有冷底式和熱底式兩種。冷底式的轉(zhuǎn)化管下端穿過爐底，下豬尾管和下集氣管一起設(shè)在爐外保溫箱內(nèi)。燃燒空氣由風(fēng)機(jī)鼓入，經(jīng)預(yù)熱送往各燒嘴，對流段呈水平型。熱底式?jīng)]有下豬尾管，轉(zhuǎn)化管、下集氣管和上升管均設(shè)在爐內(nèi)。在燃燒空氣不預(yù)熱的情況下來用自吹式燒嘴，其對流段呈拱形。一段爐主要控制指標(biāo)有以下幾項(xiàng)：1) 入爐介質(zhì)的質(zhì)量。原料氣含總硫0.5ppm，蒸汽含鹽量3.5ppm，工藝空氣清潔無油，不含腐蝕性氣體，燃料氣無灰塵等雜質(zhì)。2) 溫度。進(jìn)氣390一415，出氣680一760，轉(zhuǎn)化管底部溫度800，各管底部溫差20，爐膛溫度1000。3) 壓力。爐管

32、壓力1830絕壓，蒸汽和原料氣壓差0.5大氣壓，爐膛負(fù)壓1-3毫米水柱。4) 空速。以干天然氣計為9501000小時。5) 水碳比。33.5。6) 轉(zhuǎn)化氣質(zhì)量12。7) 煙道氣含氧3。3.2 合成一段爐出口溫度控制系統(tǒng)3.2.1 合成一段爐出口溫度控制的任務(wù) 合成一段爐出口溫度控制的任務(wù)是控制一段轉(zhuǎn)化爐出口蒸汽溫度溫升（溫降）范圍和溫升（溫降）速率，使合成一段爐出口氣體溫度在允許溫度變化范圍內(nèi)不發(fā)生急劇波動。從而天然氣一段轉(zhuǎn)化率和二段轉(zhuǎn)化爐入口氣體成分、溫度達(dá)到二段轉(zhuǎn)化的工藝要求，同時延長合成一段爐使用壽命。3.2.2 合成一段爐出口溫度控制的動態(tài)特性 通常的合成一段爐都采用調(diào)整燃燒天然氣流量

33、的方式控制一段轉(zhuǎn)化爐出口蒸汽的溫度。影響其溫度變化的擾動因素很多，如燃燒天然氣流量、成分變化，燃料燃燒狀況變化。合成原料氣的入口預(yù)熱溫度，流量，水碳比變化。一段爐爐管熱阻蠕變帶來傳熱效率的變化，催化劑活性改變等。歸納起來，主要有原料預(yù)熱蒸汽入口流量，溫度變化，燃燒天然氣流量，成分變化的擾動。合成一段爐溫度對象因一段爐的熱容量的存在及熱量傳遞，溫度變化、檢測的滯后性，使得整個一段爐溫度對象動態(tài)特性表現(xiàn)出較大的慣性特性。 （1） 燃燒天然氣流量變化對象的動態(tài)特性 引起燃燒天然氣流量擾動的原因有兩個，一個是天然氣總管的供氣壓力變化，另一個是燃燒天然氣調(diào)節(jié)閥的特性變化。天然氣供氣壓力的發(fā)生變化時，在調(diào)

34、節(jié)閥相同開度下單位時間內(nèi)通過調(diào)節(jié)閥的燃燒天然氣流量是不同的。在調(diào)節(jié)閥的使用過程中，調(diào)節(jié)閥會因?yàn)殚y芯磨損等原因，使調(diào)節(jié)閥的特性發(fā)生蠕變，對天然氣流量供應(yīng)產(chǎn)生影響。在原料氣流量，預(yù)熱溫度不變情況下，燃燒天然氣流量的增大（減?。⑹购铣梢欢螤t外部供熱的增多（減少），經(jīng)輻射和對流進(jìn)入一段爐爐管的熱量將增大（減?。?，直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)化溫度的升高（降低），從而使合成一段爐化反應(yīng)的速率、觸媒活性的變化，最終打破合成一段爐內(nèi)原有的熱量平衡，反映出來的是一段爐出口溫度超出工藝要求范圍。結(jié)構(gòu)形式不同的一段爐，在相同天然氣流量的擾動下，出口溫度變化的動態(tài)特性會有所不同的，主要在于傳熱效率，熱容量的不同。 （2） 燃燒天然

35、氣成分變化下對象的動態(tài)特性天然氣是一種多組分的混合氣體，主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數(shù)，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般還含有硫化氫、二氧化碳、氮?dú)夂退羝?，以及微量的惰性氣體，如氦和氬等。不同的產(chǎn)地或者同一產(chǎn)地不同生產(chǎn)工藝，不同儲藏深度，其出產(chǎn)的天然氣的成分和純度會有所不同，其熱值可能會有較大的不同，也就是相同流量的天然氣供應(yīng)其提供的熱量也可能較大的不同。天然氣成分難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測，因此燃燒天然氣成分變化擾動實(shí)際是不可測的，其成分變化擾動可通過調(diào)節(jié)閥門開度，控制流量來加以補(bǔ)償。對象特征總的特點(diǎn)是:有延遲、有慣性，有自衡能力。 （3） 合成原料氣入口預(yù)熱溫度擾動下對象的動態(tài)特性 原料氣

36、入口預(yù)熱溫度變化擾動，其擾動地點(diǎn)與測量蒸汽溫度的地點(diǎn)之間有著較大的距離，此時合成一段爐是一個有純滯后的多容對象。當(dāng)擾動發(fā)生后，過高或過低的原料氣將直接并迅速改變反應(yīng)局部溫度，如果外部供熱不變時，持續(xù)提供的溫度過高或過低原料氣會使?fàn)t管內(nèi)溫度波動，影響觸媒活性、反應(yīng)速率和甲烷轉(zhuǎn)化率。擾動要隔較長時間才能使一段爐出口溫度發(fā)生顯著變化，滯后時間比較大。合成原料氣入口預(yù)熱溫度擾動也可由調(diào)節(jié)閥門開度，改變?nèi)紵烊粴饬髁考右哉{(diào)節(jié)。 （4） 原料氣流量變化擾動下的對象特性原料氣流量變化會在一定時間內(nèi)改變合成一段爐內(nèi)反應(yīng)物濃度和一段爐出口氣體流量，會對一段爐的熱量平衡產(chǎn)生影響，最終影響一段爐出口溫度，其對象特性

37、有很大的時延和滯后。調(diào)節(jié)燃燒天然流量可以克服原料氣流量變化擾動。由以上分析知，在合成一段爐出口溫度控制系統(tǒng)中，主要的擾動均可以由調(diào)節(jié)燃燒天然氣流量來克服，且通過調(diào)節(jié)燃燒天然氣流量對合成一段爐出口溫度的調(diào)節(jié)簡單有效。實(shí)際操作中，燃燒天然流量能實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測和測量，對流量的控制相對簡單，只需調(diào)節(jié)閥門開度即可實(shí)現(xiàn)，因此在合成一段爐出口溫度控制系統(tǒng)中選用燃燒天然氣流量作為操作變量是行之有效的。3.3 合成一段爐出口溫度串級控制系統(tǒng)3.3.1 合成一段爐出口溫度串級控制系統(tǒng)組成fefictic 燃燒天然氣來自總管te 圖3-1一段爐出口溫度-流量串級控制系統(tǒng) 合成一段爐溫度-流量串級控制系統(tǒng)選用一段轉(zhuǎn)化爐

38、的出口溫度為主控對象，選擇來自總管的燃燒天然氣流量為副控對象，將燃燒天然氣的成分、溫度、壓力波動等干擾引入副回路。溫度控制器的輸出作為流量控制器的輸入，組成溫度流量串級控制系統(tǒng)。其組成結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。由圖3-1可得一段爐溫度-流量串級控制系統(tǒng)框圖如圖3-2所示溫度控制器一段爐出口溫度天然氣流量控制閥流量控制器流量測量變送-溫度測量變送圖3-2一段爐溫度流量串級控制系統(tǒng)框圖3.3.2 合成一段爐出口溫度串級控制系統(tǒng)控制方案設(shè)計 （1） 控制閥開閉形式選擇 在合成一段爐出口溫度控制系統(tǒng)中，從生產(chǎn)安全出發(fā)，當(dāng)氣源供氣中斷時，或控制器因故障而無輸出時，控制閥應(yīng)能切斷燃燒天然氣的供應(yīng)，保證一段爐不會

39、因此被繼續(xù)加熱而被燒壞，因此控制閥因選擇氣開式。（2） 主、副控制器正反作用選擇1）副控制器正反作用選擇 根據(jù)副控制器正反作用選擇公式：(副控制器)(控制閥)(副對象)=(-) ?？刂崎y采用氣開閥，其放大倍數(shù)符號為正。副對象是流量對象，當(dāng)閥門開大時，流量將增大，副對象放大倍數(shù)為正。副變送器放大倍數(shù)符號為正，根據(jù)副環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)符號為負(fù)的要求，副控制器應(yīng)選反作用。2）主控制器正反作用選擇 根據(jù)主控制器正反作用選擇公式：主控制器)(副對象)(主對象)=(-) 。主控制器的正、反作用只取決于主對象放大倍數(shù)符號。主對象的輸入信號為天然氣流量（即副變量），輸出信號為出口溫度(即主變量），當(dāng)燃料流量增大時，提供的熱量增大，出口溫度會上升，因此，主對象放大倍數(shù)符號為正。主控制器放大倍數(shù)符號應(yīng)取主對象放大倍數(shù)符號的反號，因此主控制器應(yīng)選反作用。（3） 主、副控制器控制規(guī)律選擇 在一段爐溫度流量控制系統(tǒng)中，副控制器為流量控制器。當(dāng)天然氣流量或溫度控制器輸出發(fā)生變化時要求流量控制器能快速響應(yīng)，通過控制閥開度的迅速變化改變?nèi)紵烊粴夤?yīng)量使一段爐出口溫度回歸設(shè)定值。同時作為副控制器，流量控制回路作為一個隨動系統(tǒng)，對流量控制沒有較高的控制要求，控制余差的存在對一段爐出口溫度控制指標(biāo)沒有影響，即流量控制回路允許余差的存在，因