合成生产工艺自动控制解决方案
一、合成工段简介
合成是合成氨厂的核心。精制后氢氮混合气在较高的压力、温度及触媒存在的条件下合成为氨。由于反应过程中其他不能完全反应，故分离氨后的剩余氢氨气可以循环使用。合成工段的控制点主要是合成塔内的温度。合成塔内的温度受多方面因素的影响。反应机制复杂。要进行自控，难度较大，主要受以下几个方面的影响：
（1）流程复杂，干扰大，CO含量的波动，对放热反应过程影响极大。CO 含量每变化一个百分点，温度可以变化几十度。
（2）调节手段弱，手段主要是调节主线、副线原料气流量。
（3）系统滞后大。
（4）系统时变，由于触媒活性随着使用时间增加而下降，反应速率减慢，转换率降低，触媒层温度控制点也随之变化，温度变化大，气体分布不均匀，气流速度不一，触媒有被烧结，造成阻力增加，进出塔压差增大，生产负荷下降，系统是时变的
合成工段主要有以下几个控制回路：
⑴氨分、冷交液位
⑵废锅液位
⑶系统压差
⑷系统压力
⑸循环量控制
⑹废锅蒸汽流量
⑺合成塔温
⑻废锅蒸汽压力。
合成系统由合成塔、废锅、水冷器、循环气压缩机、氨冷器、氨分离器，油分等设备组成。
合成系统的流程图如下：
二、合成工段控制简介：
合成工段的控制点是一～四段热点温度。一段采用系统近路调节手段，二～四段采用冷激调节手段。由于合成塔反应温度受多方面因素的影响，在控制软件
中，将NH
3冷温度、和H
2
/N
2
值引入作为前馈量。为了消除一段阀门调节的影响，
在二循环量～四段温度控制中引入了解耦控制。
在简单调节系统中，PID调节规律综合了各类调节规律的优点，所以适用面广;但是对于滞后很大的对象，负荷变化很剧烈的系统，生产氨的合成塔，它是合成工段的关键设备，合成塔触媒层的热点温度是一个重要的控制参数，应尽量保持稳定。稳定操作就能提高氨合成率，保持触媒清洁性和延长触媒的使用寿命，以及保证合成塔的安全运行。如采取单回路PID控制，用控制副冷气量来保证热点温度的稳定。温度升高，调节阀开大，温度降低，则关小调节阀;但由于对象滞后大，反应慢，一旦干扰出现，如循环气流是波动的，调节也无能为力了。
这就引入了串级控制方式，它是选取塔的敏感点温度作为副环检测点。它温度反应快，滞后小当干扰出现后，在热点温度尚未变化前，它已发生变化，因此可按照热点温度变化来预先调节冷气量，及时克服干扰或减小干扰对热点温度的影响，而当干扰作用于主回路时，由于主调节器给定到调节器，副调节器接到指令后，很快发生校正作用，使阀动作。这样，控制系统中由于多了副回路，调节和反馈的通道都缩短了，因而能使被控量的超调量减小，调节过程缩短。而当干扰同时作用于主副回路时，如主副变量往同一方向变化，则副调节器输入偏差将显著增加。因而它的输出也将发生较大变化，以迅速克服干扰。如果主副变量向相反方向变化，则副调节器输入的偏差将缩小，它的输出只要有较小的变化即能克服干扰。按照串级调节的原理，由于主副两个调节器串联在一起，再加上一个闭合的副回路，因而不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对于作用于主回路的干扰也有加快调节的进程。在调节过程中，副回路具有先调，快调，粗调的特点;主回路则具有后调，慢调，细调的特点。主副回路的互相配合，与单回路相比，大大改善了调节过程的品质。
图6 热点温度串级控制结构
虽然串级调节可以改善调节品质，但如何选择主副参数对整个系统的调节作用影响很大。主参数的选择与简单调节系统相同，应选取最能直接表征过程中一个要控制的工艺参数，而且要便于测量，变送，并具有一定的灵敏度。副参数的
选择则要考虑以下几点：
(1)副回路必须包括主要干扰和更多干扰。
(2)应使主副对象的时间常数适当匹配，避免共振。
(3)应当考虑工艺上的合理性和实现的可能性与经济性。在合成塔的温度串级调节中，主要干扰为氢氮比的变化。由于敏点温度对氢氮比的变化特别敏感，主副参数的时间常数相差很远，不会引起震荡，而且在工艺的实现上是允许的，所以选择敏点温度作为副参数是可行的。
对于合成工段，实现优化控制以后，提高了氨净值，降低循环回路（循环机、冰机）的动力消耗；降低系统压力，降低压缩机的电流；提高了废锅的产汽量。通过实施优化控制，氨净值由原来的12.5%提高到14.2%。
