适应工艺原料压力变化的变更控制方案分析

李华山，孙晓光

(中国石油天然气股份有限公司 乌鲁木齐石化分公司，乌鲁木齐 830019)



适应工艺原料压力变化的变更控制方案分析

李华山，孙晓光

(中国石油天然气股份有限公司 乌鲁木齐石化分公司，乌鲁木齐 830019)

摘要：针对为了适应工艺原料压力的变化而需要仪表控制方案作出相应调整的问题，介绍了现有的工艺设备情况，对过程控制方案进行了优化，并增加了相应的联锁保护功能，使之满足工艺控制以及工艺原料压力变化的要求。项目实施后，可以灵活地实现二化原料气的切换，节约了部分蒸汽，降低了投资成本；联锁组态完成后模拟各种异常工况进行了联锁试验，各项联锁保护动作正常，满足了生产需求。

关键词：控制方案联锁顺控表调节器强制

乌鲁木齐石化公司化肥厂第二套化肥装置作为该公司的重要生产装置，设计年生产能力为300kt/a合成氨、520kt/a尿素。合成氨采用布朗工艺，节能效果明显，装置分转换、脱碳、合成、净化等工段。尿素装置采用斯塔米卡邦的二氧化碳气提工艺。第二套合成氨装置原设计入口天然气压力为0.78MPa，经过原料气压缩机压缩至3.8MPa进入一段转化炉反应；西气东输二线工程(简称西二线)完工后，引入第二套合成氨装置的天然气设计压力为4.0MPa，此压力天然气可以直接进入一段转化炉反应，不再需要原料气压缩机，节能效果明显。

1前期准备

该厂第二套化肥装置接西二线天然气工程，工艺设备新增气液分离罐、过滤器及蒸汽加热器各1台，仪表控制部分设计有AI 13点，AO 5点，DI 2点，DO 1点。主要控制回路分述如下。

1) 天然气压力放空调节回路。包括压力放空调节器PIC2512、压力放空调节阀PV2512。

2) 原料天然气压力调节回路。包括压力指示PI2520、压力调节器PIC2515及压力调节阀PV2515。

3) 去一段转化炉燃料气压力调节回路，包括压力调节器PIC2514、压力调节阀PV2514。

4) 去燃气轮机燃料气压力调节回路，包括压力调节器PIC2513、压力调节阀PV2513。

5) 入一段转化炉原料天然气温度调节回路，包括温度调节器TIC2511、温度调节阀TV2511。其他均为显示或参与运算回路，工艺流程如图1所示。

2控制方案的优化

2.1过程控制方案

该改造项目的过程控制方案与装置现场实际情况有所差异，不能完全满足工艺生产的需要，因而对方案进行如下优化。

1) 装置原有的去一段转化炉原料气流量调节器FC100的温压补偿，按照原设计当西二线高压天然气投用时，由西二线温度压力指示TI2520/PI2520进行补偿；当西二线高压天然气未投用，原料气压缩机运行时由压缩机出口温度压力进行补偿。这样需在DCS内部做1个切换开关进行选择，比较麻烦并容易造成误操作，而且如果第二套合成氨装置运行时，在线切换西二线高压天然气流程和原料气压缩机流程时无法满足控制。计划将西二线温度压力指示TI2520/PI2520测点后移到2股天然气合并管线处，不论开哪个流程都由TI2520/PI2520进行补偿，简化了控制方案和工艺操作。

2) 入一段转化炉原料天然气温度调节阀TV2511，按照原设计正常生产时由换热器出口温度调节器TIC2511控制，当天然气压力放空阀PV2512打开后延时20s，由放空阀后温度调节器TIC2512控制，PV2512关闭后恢复TIC2511控制。实际情况TIC2511测点在换热器出口，无论天然气放空还是去一段转化炉投料都经过该测点，该设计考虑的是在正常投料和放空时温度设定不同，这种情况只需修改设定即可，因而计划用天然气温度调节TIC2511控制而不做选择控制。

图1　工艺流程示意

3) 原料气压力调节阀PV2515，按照原设计西二线高压天然气投用时由原有的原料气压缩机转速远程调节器PDC111控制，而西二线不投用时PDC111是原料气压缩机的转速调节器，进而要在DCS内部做1个切换开关进行选择，比较麻烦并容易造成误操作，而且如果在线切换西二线和原料气压缩机时无法满足控制，计划由原料气压力指示PI2520控制。

2.2联锁保护方案

该改造项目中未提供联锁保护方案，只是在天然气放空调节阀PV2512上设计了电磁阀，但没有控制逻辑，计划增加如下联锁控制方案。

1) 在原料气系统停车联锁中，原来联锁停车后联锁动作需要将原料气压缩机降至最小转速并打循环；改为投用西二线高压天然气后则需要关闭原料天然气压力调节阀PV2515，打开天然气压力放空调节阀PV2512放空。所以需要增加原料天然气压力调节阀PV2515强制关闭信号PC2515D，且在原料气系统停车联锁复位前不受控；增加天然气压力放空阀PV2512强制开信号PC2512D,强制PV2512开到50%阀位,5s后允许控制，按照原设计有1个DO点是用于联锁天然气压力放空阀PV2512打开，由于实际情况全开后放空量过大会影响天然气管网压力，所以改为开50%，原设计DO点和电磁阀取消。

2) 装置原有设计一段转化炉燃料气是从原料气压缩机入口抽出天然气，压力为0.78MPa，管线设计压力等级较低。改为西二线高压天然气运行后，调节阀前压力为4.0MPa，一旦发生联锁停车，原有联锁切断阀关闭后如果燃料气压力调节阀PV2514不能及时关闭，可能造成调节阀至切断阀之间管线超压，所以需要在装置主停车联锁中，增加去一段转化炉燃料气压力调节阀PV2514强制关闭信号PC2514D，且在原料气系统停车联锁复位前不受控。

3) 装置原有设计去燃气轮机燃料气是从原料气压缩机段间抽出天然气，压力为1.5MPa，管线设计压力等级较低。改为西二线高压天然气运行后，调节阀前压力为4.0MPa，原有联锁切断阀关闭后如果燃料气压力调节阀PV2513不能及时关闭，可能造成调节阀至切断阀之间管线超压，所以需要在空气压缩机停车联锁中，增加去燃气轮机燃料气压力调节阀PV2513强制关闭信号PC2513D，且在原料气系统停车联锁复位前不受控。

4) 在原料气压缩机停机联锁中，原流程原料气压缩机联锁停机后，停机信号要去原料气停车系统参与联锁。开西二线流程后因为原料气压缩机不用运行，不需要该联锁动作，所以需要在原料气压缩机停车联锁中增加旁路开关。当选择西二线时，原料气压缩机停车信号不联锁原料气系统停车。

3控制方案的实施

2012年检修期间，对该装置DCS，SIS进行改造，DCS选用CS3000系统，SIS选用TRICON系统。利用此次改造机会，对第二套合成氨装置接西二线高压天然气项目的控制方案予以实施。按照前期制订好的控制方案，做了回路接线及组态工作，所有过程控制接入DCS予以实现，联锁部分接入SIS予以实现。由于该项目中部分调节阀没有设计电磁阀，部分设计了电磁阀但不符合实际工况无法使用，所以SIS的联锁动作信号输出引入DCS，利用DCS的强制输出实现联锁动作。

3.1DCS部分实施

该技术改进项目涉及仪表控制共计AI 13点，AO 5点，DI 6点，上述点全部接入DCS,单指示的在DCS中组态PVI表用于指示，带控制的在DCS中组态PID表实现自动控制。回路接线及组态完成后，与现场进行回路联校，确认回路是否正常。

由于联锁部分的动作信号也要引入DCS控制，所以利用CS3000系统的顺控表来实现该功能，SIS的联锁动作信号接入DCS后，利用顺控表强制调节器输出到指定阀位，实现联锁保护。天然气压力放空调节器PIC2512联锁动作后还要求调节器受控，所以选用了TC型顺控表，当条件改变时执行一次。

1) 当SIS来的联锁信号PC2512D出现时，启动计时器TM-PC2512，同时将调节器PIC2512模式置为手动，PSW置为3。PSW是PID调节器的1个参数，当它为1时，调节器输出为0；当它为2时，调节器输出为100%；当它为3时，调节器输出为预设值，该值可以在DCS的调整画面里的PMV上设定。PIC2512设定的是50%。当TM-PC2512计时时间达到后将PIC2512模式置为自动，启动TMPC2512计时器，当计时器时间达到后取消强置为自动，即可以人为干预控制。

其他几个天然气压力调节器PIC2513/PIC2514/PIC2515联锁动作后，要求调节器不受控，联锁复位后方可受控，所以选择了TE型顺控表，条件满足期间始终执行。

2) 当SIS来的联锁信号PC2513D等出现时，强制PIC2513等调节器的PSW值为1，调节器输出为0，且联锁信号出现期间调节器输出始终为0，调节器不受控，待联锁信号消失后，调节器受控。

3.2SIS部分方案实施

1) 在原料气停车系统中，需要在联锁动作中增加关闭原料天然气压力调节阀PV2515，打开天然气压力放空调节阀PV2512放空。由于改造后原有原料气压缩机流程还有可能运行，甚至有可能在装置运行期间在线切换工艺流程，所以在SIS的上位画面设置了1个切换开关，切换到原料气压缩机位置时，将内部软开关C4MODE置为1，旁路天然气压力放空调节阀的强制开信号PC2512D和天然气压力调节阀的强制关闭信号PC2515D；当切换到西二线位置时，将内部软开关WEST2MODE置为1，旁路原料气压缩机打循环信号和强制原料气压缩机最小转速信号；当打到中间位置时，均不旁路，所有联锁动作信号都起作用。

2) 装置主停车系统联锁动作时需要切断一段转化炉燃料气，原设计联锁动作时关闭燃料气切断阀，现在原有联锁逻辑中增加联锁动作信号PC2514D关闭燃气调节阀。

3) 空压机停车系统联锁动作时需要切断燃气轮机的燃料气，原设计联锁动作时关闭燃料气切断阀，现在原有联锁逻辑中增加联锁动作信号PC2513D关闭燃气调节阀。

4) 在原料气压缩机停机联锁中，将内部软开关WEST2MODE加入联锁逻辑中，用于旁路原料气压缩机停机去原料气停机系统联锁信号，原料气压缩机停车信号不联锁原料气系统停车。

系统组态完成后，经过实际实验，模拟各种异常工况，过程控制稳定，各项联锁保护动作正常，过程控制稳定，满足了生产需求，调试结束后，交付工艺人员使用。

4结束语

该控制方案的变更，是为了适应工艺条件的变化，因势利导利用现有控制系统资源实施的一项变更，真正实现了投资小、效益大的目的。项目实施后，可以灵活地实现第二套合成氨装置原料气的切换，西二线高压天然气的引入可以节约部分蒸汽，实现第二套合成氨装置蒸汽系统的自给自足，是一项节能环保的技术改进项目。

参考文献:

[1]王群增，郑秋萍，王燕，等.GB/T 17213.2—2005工业过程控制阀第2-1部分流通能力安装条件下流体流量的计算公式[S].北京： 中国标准出版社，2006.

[2]陈刚，沈小堃.高压差微小流量调节阀的设计与仿真[J].石油化工自动化，2015，51(02)： 54-58.

[3]郑建章.探讨调节阀的选型及应用[J].化工自动化及仪表,2012,39(07)： 841-843.

[4]张扬.EO/EG装置OMS安全联锁系统中关键阀门的控制方案[J].化工自动化及仪表,2015,42(02)： 228-230,233.

[5]吴刚,宋江涛,董兴明.安全仪表系统与过程控制系统间的共用性及联系[J].石油化工自动化，2015，51(06)： 76-78.

[6]亢海洲，朱建新，方向荣，等.液态二氧化碳储罐系统压力联锁回路的改进[J].化工自动化及仪表,2015,42(10)： 1147-1149.

作者简介：李华山(1973—)，男，新疆石河子人，1995年毕业于兰州石油学校仪表自动化专业，现就职于中国石油天然气股份有限公司乌鲁木齐石化分公司，主要从事仪表维修工作，任高级技师。

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2016)03-0081-03

稿件收到日期： 2015-12-24，修改稿收到日期： 2016-05-05。