计算机在国内大型氨厂的开发实际应用 |
----我 国 已 经 建 成 投 产 的 大 型 合 成 氨 厂 有27 个， 每 个 氨 厂 都 有30 万 吨/ 年 合 成 氨、52 万 吨/ 年 尿 素 及 辅 助 生 产 装 置。 其 中 有14 个 是70 年 代 建 成 投 产 的， 另 外13 个 是80 年 代 至90 年 代 期 间 建 成 投 产 的。 有20 个 大 型 氨 厂 以 天 然 气 或 轻 油 为 原 料，5 个 氨 厂 以 重 油 为 原 料，2 个 以 煤 为 原 料。 这27 个 氨 厂 除 了 乌 鲁 木 齐 化 肥 厂 和 宁 夏 化 肥 厂 外 均 不 同 程 度 地 采 用 了DCS、PLC(培训) 或IPC 进 行 生 产 过 程 控 制 和 生 产 管 理， 还 开 发 了 先 进 的 控 制 软 件， 建 立 了 计 算 机 网 络， 实 施 了 集 过 程 控 制、 生 产 调 度 管 理 和 经 营 决 策 一 体 化 的 综 合 自 动 化 系 统， 取 得 了 很 好 的 经 济 效 益 和 社 会 效 益。 有 些 企 业 与 科 研 单 位 合 作 开 发 的 研 究 成 果 和 技 术 革 新 改 造 项 目 取 得 了 突 破 性 进 展， 达 到 了 世 界 领 先 水 平。 可 以 说 我 国 大 型 氨 厂 生 产 自 动 化 水 平 代 表 着 国 内 化 学 工 业 自 动 化 的 先 进 水 平。
----70 年 代 设 计 安 装 的14 个 大 型 氨 厂， 建 厂 设 计 时 均 采 用 电 动 Ⅲ 型 或 气 动 模 拟 仪 表， 设 计 投 运 了 成 熟 的 控 制 回 路(100 ～200 个 回 路) 和 继 电 器 连 锁 控 制， 基 本 满 足 了 这 种 单 机 组 大 容 量 连 续 性 生 产 控 制 的 要 求。 但 是， 一 些 节 能 效 果 显 著 的 复 杂 控 制 回 路 原 设 计 中 仍 然 是 人 工 操 作， 生 产 调 度、 管 理 报 表 等 项 工 作 也 是 人 工 来 做， 操 作 管 理 人 员 劳 动 强 度 很 大。 装 置 运 行 十 多 年 后， 仪 表 和 自 控 装 置 已 临 近 耗 损 失 效 阶 段， 因 检 测 控 制 系 统 故 障 而 影 响 生 产 的 情 况 时 有 发 生， 给 生 产 的 安 全 稳 定 带 来 威 胁。 从 80 年 代 中 期 开 始， 上 述14 个 大 型 氨 厂 相 继 采 用 单 回 路 数 字 调 节 器、DCS 和PLC(培训) 等 新 型 数 字 控 制 装 置 取 代 原 有 模 拟 调 节 仪 表， 并 开 发 了 应 用 软 件， 向 一 些 节 能 效 果 显 著 的 复 杂 控 制 回 路 引 入 计 算 机 控 制， 利 用 丰 富 的 硬 软 件 功 能 监 控 生 产 过 程， 受 到 工 厂 工 艺 人 员 的 普 遍 欢 迎。 与 此 同 时， 办 公 自 动 化 迅 速 发 展，PC 机 走 进 氨 厂 的 管 理 科 室， 计 算 机 网 络 等 先 进 的 信 息 处 理 手 段 强 化 了 生 产 管 理。 采 用 计 算 机 改 造 传 统 工 业， 大 大 提 高 了 氨 厂 的 自 动 化 水 平。 各 企 业 决 策 者 对 技 术 进 步 和 走 科 技 兴 化 之 路 的 认 识 逐 步 深 化。 所 以 80 年 代 中 期 以 后 新 建 投 产 的13 个 大 型 氨 厂 在 原 始 设 计 中 就 已 采 用 了DCS 和PLC(培训) 等 数 字 控 制 装 置， 特 别 对 节 能 显 著 的 重 要 回 路 和 安 全 联 锁 系 统 均 用 计 算 机 控 制， 有 的 企 业 还 引 进 了 先 进 控 制 软 件， 极 大 地 提 高 了 自 动 化 水 平。
先 进 控 制 系 统 的 开 发 应 用
---- 从80 年 代 一 些 大 型 氨 厂 利 用DCS 和PLC(培训) 实 行 自 动 化 技 术 改 造 以 后， 其 他 氨 厂 也 纷 纷 利 用 这 项 技 术， 结 合 生 产 实 际 研 究 开 发 了 大 量 的 应 用 软 件 和 高 级 控 制 策 略， 用 以 优 化 生 产 过 程 和 生 产 管 理， 取 得 了 可 喜 的 成 效， 改 变 了 氨 厂 生 产 过 程 传 统 的 操 作 方 式 和 管 理 现 状， 使 企 业 综 合 效 益 明 显 提 高。
----1 ． 四 套 节 能 控 制 系 统 推 广 使 用
---- 四 川 化 工 厂30 万 吨/ 年 合 成 装 置 生 产 过 程 计 算 机 控 制 是 我 国" 六 五"、" 七 五" 期 间 国 家 级 科 研 课 题。" 六 五" 期 间 在 探 索 对 象 特 性 和 开 发 对 象 数 学 模 型 方 面 做 了 许 多 工 作， 用FOX3 工 控 机 实 现 了 一 段 炉 出 口 温 度 控 制 系 统( 控 制 燃 料 量)、 水 碳 比 控 制 系 统( 控 制 原 料 量 和 蒸 汽 量)、 氢 氮 比 控 制 系 统( 控 制 空 气 量) 和 施 放 气 组 分 压 力 控 制 系 统。" 七 五" 期 间 又 研 究 开 发 了 一 段 炉 炉 管 温 度 均 匀 控 制、 再 生 塔 温 度 均 匀 控 制、 氨 合 成 塔 催 化 床 层 温 度 优 化 控 制。 上 述 先 进 控 制 系 统 经 现 场 运 行 实 践 证 明 经 济 效 益 明 显。
----90 年 代 初， 各 大 型 氨 厂 对 上 述 四 套 节 能 控 制 系 统 进 行 了 完 善 和 创 新， 主 要 体 现 在 以 下 五 个 方 面：
---- 第 一， 用 总 碳 信 号 将 水 碳 比、 氢 氮 比 和 一 段 炉 出 口 温 度 控 制 联 系 在 一 起， 在 负 荷 改 变 时， 原 料 量、 蒸 汽 量、 空 气 量 和 燃 料 量 可 自 动 改 变， 将 水 碳 比、 氢 氮 比 和 一 段 炉 出 口 温 度 维 持 在 适 当 的 给 定 值 上。
---- 第 二， 水 碳 比 为 双 闭 环 比 值 系 统， 可 实 现 双 向 跟 踪 和 安 全 逻 辑 提 量。 当 负 荷 增 加 时， 按 一 定 的 速 率 先 增 蒸 汽， 再 增 原 料 气。 当 负 荷 减 少 时， 按 一 定 的 速 率 先 减 少 原 料 气 再 减 蒸 汽。
---- 第 三， 氢 氮 比 为 三 环 串 级 控 制 系 统， 并 引 入 总 碳 信 号 进 行 前 馈 补 偿， 在 原 料 气 变 化 时 改 变 空 气 量。
---- 第 四， 一 段 炉 出 口 温 度 为 温 度 与 燃 料 量 串 级 控 制 系 统， 引 入 总 碳 信 号 进 行 前 馈 补 偿， 使 原 料 量 变 化 时 及 时 改 变 燃 料 量， 同 时 还 与 燃 料 气 压 力 组 成 超 驰 控 制， 防 止 燃 料 气 压 力 过 高 造 成 的 脱 火。
---- 第 五， 当 空 气 量 不 足 时， 可 以 自 动 减 轻 负 荷。
---- 这 四 套 节 能 控 制 回 路 随 着 各 氨 厂DCS 应 用 已 经 得 到 普 遍 推 广 使 用。
----2. 尿 素 氨 碳 化 控 制 系 统
---- 尿 素 合 成 塔 原 料 气 氨 和 二 氧 化 碳 比 值 控 制 原 设 计 为 手 动 调 整NH3/CO2， 靠 人 工 分 析。 这 种 原 始 人 工 操 作 滞 后 大、 误 差 大， 而 且 系 统 难 以 稳 定， 容 易 造 成 超 温 超 压， 增 加 氨 耗， 降 低 装 置 的 生 产 能 力。 新 开 发 的 氨 碳 比 值 调 节 系 统 是 一 套 气 相 氨 碳 比 与 系 统 配 料 合 一 的 先 进 控 制 系 统， 用 一 台 工 业 色 谱 仪 在 线 分 析NH3 和CO2 组 分， 分 析 信 号 引 入 控 制 系 统 是 一 个 三 串 级（ 前 馈- 比 值- 纯 滞 后 补 偿） 的 综 合 性 复 杂 控 制 系 统。 其 中 气 相 HN3/CO2 和 配 料 比 作 为 主 控 参 数， 副 控 参 数 是 进 入 高 压 系 统 的 液 氨 流 量 和 高 压 氨 泵 的 转 速。 进 入 尿 素 合 成 塔 的CO2 流 量 作 为 前 馈 信 号。 主 动 物 料 氨 和 从 动 物 料 二 氧 化 碳 之 间 具 有 比 值 调 节 关 系， 当 氨 碳 比 变 化 或 有 其 他 干 扰 影 响 时， 通 过 调 节 氨 流 量 保 证 氨 碳 比 恒 定。 从 加 物 料(NH3 和CO2) 到 氨 碳 比 变 化 存 在 大 时 滞， 为 克 服 纯 滞 后， 改 善 调 节 特 性， 系 统 设 计 有 纯 滞 后 补 偿 单 元。 该 控 制 系 统 的 主 要 功 能 如 下：
具 有 两 个 调 节 通 道， 第 一 通 道 是 配 比， 第 二 通 道 是 氨 碳 比。 工 作 通 道 由 软 开 关 选 择， 不 论 那 个 通 道 运 行， 都 会 保 证 氨 碳 比 恒 定。
当 增 加 负 荷 时， 控 制 系 统 根 据 二 氧 化 碳 流 量 信 号( 即 前 馈 信 号) 自 动 调 节 氨 流 量 和 氨 泵 转 速， 保 证 氨 碳 比， 并 具 有 前 馈 调 节 作 用。
当 氨 流 量 或 氨 泵 转 速 波 动 时， 通 过 副 环 超 前 调 节 作 用 提 前 克 服 干 扰， 不 至 于 影 响 主 参 数。
系 统 设 计 有 纯 滞 后 补 偿 单 元， 克 服 对 象 纯 滞 后( 约35 分 钟) 现 象。
氨 流 量 和 二 氧 化 碳 流 量 信 号 具 有 温 压 补 偿、 密 度 补 偿 和 体 积、 重 量、 流 量 等 运 算 功 能， 还 要 把 氨 泵 转 速 换 算 成 氨 流 量 以 提 高 精 度。
系 统 与 上 位 机 联 网， 接 受 上 位 机 优 化 运 算 的 结 果-- 氨 碳 比 最 佳 设 定 值， 进 行 两 级 计 算 机 优 化 控 制。
系 统 设 置 了 许 多 改 善 操 作、 投 运 和 运 行 的 安 全 保 护 措 施， 保 证 系 统 安 全 可 靠 运 行。
----3. 辅 助 锅 炉 燃 烧 控 制 系 统
---- 辅 助 锅 炉 是 大 型 氨 厂 的 重 要 热 力 设 备， 其 燃 烧 控 制 系 统 对 保 证 蒸 汽 质 量、 节 约 燃 料 和 安 全 生 产 有 着 突 出 的 意 义。 泸 州 天 然 气 化 工 厂 率 先 开 发 了 带 氧 校 正 的 双 交 叉 燃 烧 控 制 系 统， 并 在 部 分 大 型 氨 厂 推 广 使 用。 锅 炉 燃 烧 控 制 系 统 由 两 个 并 列 的 串 级 控 制 系 统 组 成， 一 个 以 过 热 蒸 汽 压 力 为 主 参 数， 以 燃 料 气 流 量 和 空 气 流 量 为 副 参 数。 另 一 个 以 烟 气 中 的 氧 含 量 为 主 参 数， 仍 以 燃 料 气 流 量 和 空 气 流 量 为 副 参 数， 同 时 燃 料 气 压 力 和 流 量 之 间 又 构 成 超 驰 控 制。 此 外， 系 统 还 引 入 汽 包 出 口 蒸 汽 流 量 进 行 前 馈 补 偿。 此 系 统 的 主 要 功 能 有：
蒸 汽 负 荷 增 加 时， 先 增 加 空 气 再 增 加 燃 料 气。 蒸 汽 负 荷 减 少 时， 则 先 减 燃 料 再 减 空 气。 这 样 既 保 证 了 工 艺 系 统 对 蒸 汽 的 需 要 和 蒸 汽 压 力 的 恒 定， 又 使 得 动 态 过 程 中 燃 料 和 空 气 的 增 减 按 比 例 和 顺 序 进 行。
根 据 对 烟 气 中 氧 含 量 的 要 求， 自 动 较 正 燃 空 比， 以 获 得 最 佳 燃 烧。 这 不 仅 可 以 提 高 燃 烧 效 率， 而 且 可 减 少SO2 和NOX 对 环 境 的 污 染。
当 空 气 量 不 足 或 燃 料 量 剧 增 时， 有 自 动 保 护 作 用， 同 时 对 燃 料 压 力 过 高 也 执 行 软 保 护。
对 蒸 汽 流 量 干 扰 有 较 强 的 抑 制 能 力。
大 系 统 优 化 和 人 工 智 能 优 化
----" 八 五" 期 间， 华 东 理 工 大 学、 上 海 化 工 研 究 院 与 沧 州 化 肥 厂 合 作， 研 究 开 发 了 大 系 统 优 化 方 法 和 人 工 智 能 优 化 方 法。 系 统 结 构 采 用 三 级 计 算 机 形 式， 第 一 级 为 装 置 DCS 过 程 控 制， 第 二 级 为 车 间 上 位 机(486 微 机)， 第 三 级 设 置 调 度 室 上 位 机(486 微 机)。 各 级 计 算 机 之 间 采 用RS ～232 接 口 连 接 实 现 双 向 通 信。 优 化 功 能 主 要 在 二 级 上 位 机 内 实 现， 上 位 机 对DCS 内 的 工 艺 参 数 进 行 周 期 性 采 集， 通 过 建 立 实 时 和 历 史 数 据 库 完 成 盘 面 仪 表 和 流 量 画 面 实 时 显 示、 在 线 趋 势 和 历 史 趋 势 图 的 显 示 和 各 类 报 表 数 据 打 印。 上 位 机 内 装 有 系 统 操 作 优 化 算 法， 可 根 据 不 同 的 生 产 过 程 特 点 选 择 不 同 的 优 化 策 略， 以 实 现 全 系 统 的 优 化 控 制 和 决 策。 合 成 氨 系 统 采 用 了 系 统 数 学 模 型 参 数 的 在 线 修 正、 大 系 统 最 优 化 算 法 和 输 出 逻 辑 处 理 方 法， 以 一 小 时 为 周 期， 根 据 工 况 实 际 操 作 状 况， 指 出 优 化 操 作 方 向， 并 给 出 关 键 工 艺 参 数 的 最 优 设 定 值。 优 化 设 定 值 通 过 通 信 线 路 回 到DCS， 作 为 上 位 机 送 来 的 外 给 定 值。 正 常 操 作 时， 整 个 系 统 实 现 闭 环 在 线 优 化 控 制， 即 工 艺 参 数 通 过 通 信 接 口 传 输 到 上 位 机， 上 位 机 根 据 在 线 优 化 程 序 计 算 出 最 优 设 定 值 后 送 回DCS， 改 变 关 键 回 路 的 设 定 值， 通 过 调 节 系 统 再 调 整 操 作 工 况， 达 到 优 化 后 的 工 作 点。
---- 尿 素 系 统 优 化 是 采 用 人 工 智 能 优 化 方 法， 通 过 建 立 尿 素 装 置 的 实 时 专 家 系 统 来 实 现 优 化 决 策、 故 障 诊 断 和 工 况 预 测 等 各 项 功 能。 在 这 一 过 程 中， 根 据 对 尿 素 生 产 过 程 的 机 理 特 征 分 析， 通 过 引 入 先 进 的 神 经 网 络 理 论， 分 别 建 立 了 尿 素 合 成 塔、 汽 提 塔 和 低 压 循 环 过 程 等 装 置 的 神 经 网 络 模 型。对 这 些 网 络 模 型 利 用 大 量 的 样 本 进 行 学 习， 并 根 据 生 产 过 程 信 息 不 断 对 其 进 行 在 线 校 正 学 习。 结 合 工 艺 专 家 现 场 生 产 实 践 总 结 得 到 的 大 量 经 验 规 则， 采 取 一 种 新 的 区 域 优 化 技 术， 以 每 生 产 一 吨 尿 素 氨 的 能 耗 最 低 作 为 全 局 优 化 目 标， 求 出 操 作 参 数 的 可 行 域 或 满 意 域， 再 将 关 键 回 路 新 的 设 定 值 送 回 到DCS 作 为 外 给 定 值， 通 过DCS 内 的 系 统 控 制 作 用， 使 操 作 工 况 进 入 满 意 域 内 运 行， 达 到 节 能 降 耗 的 效 果。
----在 开 展 工 艺 参 数 优 化 操 作 的 同 时， 实 现 了 上 位 机 数 据 管 理 和 连 锁 保 护 计 算 机 化， 还 通 过 网 络 将 现 场 信 息 送 往 调 度 室， 并 向 厂 长 办 公 室 扩 展， 提 高 了 企 业 管 理 决 策 水 平， 延 长 了 全 厂 装 置 运 行 时 间。 华 东 理 工 大 学、 上 海 化 工 研 究 院 与 沧 州 化 肥 厂 合 作， 研 究 开 发 了 大 系 统 优 化 方 法 和 人 工 智 能 优 化 方 法 及 其 工 程 实 现， 于1994 年10 月 通 过 技 术 鉴 定， 年 增 效 益 达 1200 万 元， 并 获 化 工 部1995 年 科 技 进 步 一 等 奖。
----在 线 优 化 是90 年 代DCS 重 要 的 发 展 领 域 和 方 向， 可 以 将 一 些 关 键 参 数 操 作 移 向 优 化 设 定 点， 专 家 系 统 可 以 依 照 人 工 经 验 将 工 艺 状 况 调 整 到 满 意 域， 从 而 达 到 节 能 降 耗， 获 取 最 佳 经 济 效 益 的 目 标。
CIMS 工 程
----最 初 的DCS 和PLC(培训) 应 用 提 高 了 生 产 自 动 化 水 平， 然 而 也 受 当 时 控 制 装 置 硬 件 和 软 件 功 能 的 限 制， 构 成 的 生 产 自 动 化 系 统 就 像 是 一 个 个 自 动 化 孤 岛。 企 业 内 各 计 算 机 系 统 是 独 立 的， 不 同 计 算 机 间( 或DCS 间) 不 能 互 通 信 息。 工 程 师 不 能 用 过 程 控 制 计 算 机 接 受 实 验 室 计 算 机 和 企 业 各 部 门 管 理 计 算 机 的 信 息， 各 计 算 机 之 间 不 能 兼 容， 造 成 了 过 程 控 制 与 管 理 决 策 的 脱 节， 限 制 了 企 业 适 应 市 场 变 化 的 能 力。 从80 年 代 后 期， 计 算 机 集 成 制 造 系 统(CIMS) 脱 颖 而 出， 覆 盖 了 企 业 操 作 控 制 层、 经 营 管 理 层 和 决 策 层， 使 企 业 生 产 管 理 全 过 程 的 计 算 机 优 化 成 为 现 实， 代 表 了 信 息 时 代 企 业 自 动 化 的 发 展 方 向。
----进 入90 年 代， 我 国 各 大 氨 厂 在 使 用 DCS、PLC(培训) 和IPC 的 基 础 上， 积 极 建 立 企 业 计 算 机 网 络， 开 发 应 用 软 件， 规 划、 设 计 和 实 施CIMS 工 程， 带 动 了 许 多 新 的 经 济 效 益 增 长 点。
---- 沧 州 化 肥 厂 为 了 实 现 企 业 信 息 系 统 高 度 有 效 的 集 成 化 和 全 局 综 合 优 化， 针 对 系 统 的 能 量 综 合 平 衡 要 求， 积 极 寻 求CIMS 系 统 工 程 的 支 持。 他 们 根 据 企 业 具 体 情 况， 采 用 了5 层 纵 向 递 阶 结 构 的CIMS。
----第 一 级 为 基 础 控 制 级， 对 合 成 氨、 尿 素、 水 汽、 双 氧 水、 硝 酸 和 硝 铵 等 生 产 装 置 使 用 了 多 套DCS， 可 以 充 分 利 用DCS 的 软 硬 件 功 能， 开 发 高 效 能、 高 质 量 的 先 进 控 制 系 统， 满 足 各 生 产 装 置 实 时 监 控 的 要 求。
----第 二 级 为 操 作 优 化 级， 主 要 考 虑 为 各 装 置 建 立 切 合 实 际 的 优 化 目 标 和 约 束 条 件。 一 次 性 做 到 全 部 过 程 的 优 化 往 往 会 遇 到 困 难， 可 通 过 逐 步 实 现 分 系 统 的 操 作 优 化， 让 各 子 系 统 间 的 原 料 分 配、 能 量 分 配 等 接 受 调 度 级 发 来 的 指 令， 实 现 在 指 定 条 件 下 的 整 体 操 作 优 化。 在 此 过 程 中， 在 线 校 正 十 分 重 要。
----第 三 级 是 调 度 级， 要 求 从 生 产 综 合 平 衡 考 虑， 按 实 际 生 产 的 能 量 分 布， 解 决 不 同 装 置 间 的 生 产 协 调 与 平 衡， 以 提 高 瓶 颈 部 位 的 吞 吐 能 力。 调 度 级 接 受 管 理 级 发 来 的 任 务 并 据 此 指 挥 生 产。 它 主 要 关 心 系 统 的 能 量 综 合 平 衡 与 安 全 管 理， 考 虑 到 实 际 对 象 的 要 求， 调 度 级 为 一 个 整 体 系 统， 不 作 横 向 分 解。
----第 四 级 为 管 理 级， 按 功 能 进 行 划 分。 针 对 生 产 过 程 特 点， 既 有 对 生 产 过 程 的 直 接 管 理， 也 有 专 项 能 量、 设 备 和 备 件 管 理。 管 理 级 要 实 现 对 全 厂 信 息 集 成 与 全 面 质 量 管 理。
----第 五 级 为 经 营 决 策 级， 根 据 业 务 特 点 分 解， 包 括 原 料、 供 应 销 售、 生 产 计 划 调 整、 企 业 发 展 决 策 和 市 场 需 求 分 析 等 多 个 子 系 统， 帮 助 企 业 在 运 营 中 求 取 最 大 的 经 济 效 益 与 社 会 效 益。
----全 厂 网 络 采 用C/S 结 构， 以 总 厂 管 理 网 为 主， 下 设 生 产 管 理 局 域 网、 物 资 管 理 局 域 网、 供 销 局 域 网、 财 务 管 理 局 域 网、TDT 分 厂 局 域 网 以 及 与 本 厂 有 业 务 联 系 的 外 部 远 程 网， 形 成 了 一 个 完 整 的 广 域 网 络 系 统。
----沧 州 化 肥 厂CIMS 工 程 实 施 后， 无 论 在 生 产 系 统， 还 是 设 备 和 大 修 管 理 系 统 乃 至 全 厂 辅 助 决 策 方 面， 都 取 得 了 明 显 的 经 济 效 益。
---- 总 之， 大 型 氨 厂 具 有 良 好 的 自 动 化 基 础， 又 具 有 较 高 层 的 复 合 型 技 术 人 才， 通 过 对DCS 和CIMS 的 应 用， 经 济 效 益 是 十 分 显 著 的， 其 中 有 许 多 经 验 值 得 总 结 和 推 广。
（自动化网小芳摘自计算机世界日报） |
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