联碱氯化铵结晶工序氨冰机大型化与智能化控制

蒋 威，董文林2，霍小永2，杨亚军，朱 雷

(1.浙江中控技术股份有限公司，浙江 杭州 310052； 2.河南金山化工集团，河南 郑州 450046)

联碱工艺中氯化铵结晶工序氨冰机是联碱装置的核心运转设备之一。上世纪八九十年代，联碱行业制冷一般采用活塞式压缩机，其制冷量约为465～1163 kW(40～100万kcal/h)，主电机功率一般为200～450 kW，单台设备制冷能力较低，一般与4～20万t/a联碱装置配套；2000年后，螺杆冰机以其制冷量大、维护保养费用低、操作简单等优势逐渐为联碱行业所青睐，其单台设备制冷量约为1 163～2 908 kW(100～250万kcal/h)；近几年，螺杆冰机大型化取得新进展，6 048 kW(520万kcal/h)的螺杆冰机已经成熟，逐渐为大型联碱企业所采用。

2000年后，联碱生产能力约100万t/a的大型联碱企业一般配置10～12台螺杆冰机，配备的主电机功率一般为900～1 200 kW，装机容量约8 000～13 000 kW。联碱结晶工序冰机岗位电耗约50～80 kW·h/t碱(联碱行业制碱、制铵当量差别很大，且结晶工序投量AⅠ温度差别也很大，故单位产品冰机电耗参差不齐，相差很多)。

近几年，尽管螺杆冰机也实现了大型化，但是单台螺杆冰机最大制冷量约5 815 kW(500万kcal/h)，所以100万t/a联碱系统结晶工序仍需配置4～5台大型化的螺杆冰机，设备数量多，且大型化的螺杆冰机配备的主电机功率一般为1 800～2 000 kW，如果采用蒸汽汽轮机拖动，需配置4～5台汽轮机。不仅螺杆冰机配套的蒸汽汽轮机数量多，投资大，而且因螺杆冰机驱动轴功率一般低于2 000 kW，也存在蒸汽汽轮机运行效率偏低的问题。

目前，单台离心冰机制冷量远大于螺杆冰机。一台离心冰机即可提供23 260～40 705 kW(2 000～35 00万kcal/h)制冷量，能满足年产100～120万t/a大型联碱装置结晶工序制冷量之需。

若能将离心式冰机用于联碱行业，不仅可解决联碱冰机大型化问题，也可化解汽轮机拖动所面临的投资性价比低的矛盾。大型化氨离心冰机采用汽轮机拖动，驱动轴功率远高于螺杆冰机，一般高于6 500 kW，不仅具有投资性价比高的优势，且机组系统自动化控制投资费用也会因冰机数量的减少(及配套汽轮机数量减少)而大幅度降低。

近几年来，我国大型合成氨装置(煤气化空分制气、等温变换、低温甲醇洗、液氮洗、循环压缩机、合成氨工艺)中配置的冰机基本实现了大型化，且氨冰机运行稳定、可实现无人值守运行。需要说明的是合成氨工艺冰机进口气氨压力基本稳定，波动很小，而联碱工艺提供的气氨不具备此有利条件。

联碱工艺氨冰机(进口)气氨来自于结晶工序液氨蒸发外冷器，因联碱工艺特性，外冷器出口的气氨压力存在持续衰减问题，且运行8 h，压力因衰减到不足以维持生产继续进行(气氨压力波动范围可达23%～30%)，必须停车轮换(备用设备)。

此外，受大气环境温度及循环水温度影响，联碱冰机冬季与夏季实际运行负荷相差约20%，也增加了联碱冰机大型化、自动化、智能化、无人值守运行的难度。

更主要的是联碱冰机制冷量核算选型关系到设备的经济运行。制冷量选择偏高，在冬季会出现运行负荷低于其设计负荷的70%，易在喘振区运行不经济现象；制冷量选择偏低，夏季制冷能力不足，会表现出冰机满负荷运行也不能满足制冷量之需，影响生产能力的问题。

河南金山化工集团与浙江中控通过调速控制、负荷控制、压力波动控制、喘振保护控制等相关技术方案成功解决了联碱行业采用汽轮机拖动大型化离心冰机的相关技术难题。

1)汽轮机全自动一键启机，稳定转速波动基本控制在5 rpm以内；

2)离心冰机开停机实现一键自动加载和一键自动卸载。运行过程中防喘振控制和负荷控制全自动调整机组负荷，实时适应联碱系统的负荷波动，缩短了从开机到稳定的制冷的时间，实现无人值守；

3)全自动防喘振控制，可以有效避免压缩机喘振，并且可以自动实现空载待机运行，避免了零负荷停机；

4)对侧流离心氨冰机的负荷控制效果稳定，入口压力可控制在1 kPa的压力波动范围(0.25%的波动范围以内)。

目前，仅开一台离心式冰机，氯化铵日产量约2 500～3 600 t/d之间，可实现自动调节，无人值守运行，且氯化铵产能还有继续提高的可能。

1 压缩机控制算法介绍

浙江中控压缩机机组防喘振控制方案是综合考虑汽轮机调速控制，压缩机负荷控制和防喘振控制的一体化整体解决方案，为离心式压缩机组提供了先进的控制手段，可全面保障机组的安全稳定运行。

1.1 喘振控制

1.1.1 压缩机喘振控制进展

总体来说，压缩机防喘振控制经历了定流量控制、变流量限控制的模拟量控制阶段，目前正处于微信号处理机式计算机控制阶段。

浙江中控压缩机机组控制一体化解决方案以浙江中控先进的软件系统，可靠的硬件系统为基础，防喘振的基本原理采用最小流量限控制，但是考虑压缩机正常工况，失速工况和喘振工况的不同特性，采取了不同的控制策略，可以有效的避免压缩机发生喘振，并且使压缩机在安全的工作区域达到最高的节能效果。

1.1.2 防喘振控制坐标系的建立

传统的压缩机防喘振控制坐标系是基于压缩机特定的设计条件建立的。当压缩机工作工况偏离设计工况，或者气体介质分子量发生变化，相应的喘振线也会发生变化，不利于压缩机防喘振控制。如图1所示，随着压缩机工作介质分子量不同，压缩机喘振线各不相同。为了保证压缩机的安全运行，需要选取较大的安全裕度，或者选取最安全的喘振线，从而缩小了操作空间，造成了防喘阀开度相对较大，存在能耗浪费的现象。此外，压缩机实际工作工况很可能与设计工况偏离较大，并且可能是实时变化的，喘振线的唯一性是防喘振精确控制的前提与保障。浙江中控压缩机防喘振控制坐标系采用无量纲的坐标系,将多变的入口条件转化成与入口条件无关的曲线，将不同工况和不同分子量多条喘振线归一成唯一的一条，如图2所示。

图1 有量纲坐标系

图2 无量纲坐标系的建立

1.1.3 算法简介

如图3所示，为压缩机喘振控制矢量图，图中有4条线，代表不同的控制策略。

喘振线—Surge Limit Line，SLL

喘振控制线—Surge Control Line，SCL

阶跃响应线—Step Response Line，SRL

喘振保护线— Surge Protect Line，SPL

图3 矢量图介绍

SLL是压缩机实际喘振线，是其他不同控制策略线的基础。正常情况下，压缩机工作点在SCL线上运行，这是压缩机安全和节能的最佳平衡点。当出现较大的扰动时，压缩机工作在可能往左移动，直至SRL线，触发阶跃功能，防喘阀阶跃打开，压缩机迅速脱离喘振。SPL为喘振保护线，触碰该线，防喘阀全开，快速脱离喘振，保护机组。

1.2 负荷控制

1.2.1 负荷控制的定义及控制目标

负荷控制是指压缩机为了满足工艺需求，通过自动调整转速或者压缩机入口导叶开度，满足工艺需求的控制功能。

开车初期时，联碱系统的产量存在不稳定问题，会造成冷量需求的实时变动，此外，设备的故障，临时检修等也会影响生产负荷，从而影响结晶工序冷量的稳定需求，这就要求压缩机能够自适应工艺需求，实现自动变负荷以适用联碱生产。

1.2.2 负荷控制策略

1)工艺操作的负荷控制，首先通过调节转速或入口导叶来实现最高效率的负荷控制；

2)多回路协调优化控制；

3)负荷控制与喘振控制之间的解耦、喘振控制回路之间的解耦；

4)限制控制，性能超弛控制；

5)自动加载卸载功能，可将压缩机自动平稳地并入和切出工艺系统。

1.3 调速控制

汽轮机转速控制采用专用快速PID算法调节汽轮机转速，此外，还具备以下辅助功能：

1)全自动启动：汽轮机可以通过按下控制面板的启动按钮自动启动、升速、暖机、越过临界转速直到最小调速转速Ngovmin，投入正常运行。全自动启动可以组态为热启动和冷启动两种模式。

2)半自动启动：通过按怠速1、怠速2和额定按钮，可以将汽轮机升速到工作转速，升速过程中可以通过“暂停”和“继续”按钮来停止升速和继续升速。

3)手动操作：当汽轮机冲转达到最小控制转速Nmin，操作员也可以通过按升速、降速按钮或者直接输入转速目标值来进行升速降速调节。

4)超速试验：正常运行中汽轮机转速不能超过最大连续转速Nmax，超速试验功能将暂时屏蔽这个转速限制功能，使得汽轮机能够升到超速跳车转速，以测试超速保护装置的功能。

5)抽汽控制：速度控制可以与抽汽控制回路配合实现单抽、双抽、抽注汽汽轮机的控制。

2 浙江中控机组控制在河南金大地联碱项目中的应用

2.1 项目简介

氨冰机制冷原理是通过离心式氨冰机将液氨蒸发外冷器蒸发的气氨(0.33～0.42 MPa)压缩到一定的压力(1.2～1.55 MPa)，在此压力(1.2～1.55 MPa)下，通过循环水(或蒸发冷凝器)将离心式冰机出口的高温气氨冷凝成低温液氨；然后将冷凝的液氨送至结晶工序液氨蒸发外冷器内，通过减压气化蒸发成气氨，再进入离心式冰机进行压缩，继续进行循环。液氨蒸发外冷器内液氨通过减压蒸发吸收热量，用于降低液氨蒸发外冷器列管内母液以及冷析结晶器内母液温度，冷析结晶器内可析出NH4Cl产品。此前，国内联碱行业基本采用螺杆机进行氨制冷，本项目是我国联碱行业首次采用大型化离心冰机进行氨制冷。

图4 浙江中控汽轮机升速控制原理图

2.2 项目重点和难点

如图5 所示，为河南金大地化工联碱项目离心冰机主流程图，主要显示了离心冰机气氨工艺图。来自液氨蒸发外冷器的氨气先进入压缩机入口的一级气液分离器，然后进入压缩机，此外，还有一股侧流氨气进入压缩机，两股气体混合之后，经过压缩机做功，高温高压的氨气首先经后冷却器初步冷却，然后再去氨蒸发冷凝器进一步冷凝。该压缩机有两段防喘和一个出口压力高限制放空阀。压缩机后冷却器后氨气经2个防喘振阀分别回到一级气液分离器和二级气液分离器。压缩机出口有一个高压放空阀，正常该阀门关死，当压力过高，该阀门打开，氨气直接回到一级气液分离器。整个控制过程非常复杂，存在许多难点。

1)控制复杂：氨气通过两段压缩冷却后，冷凝成液氨去液氨储罐。每一段入口分离器的温度都对应相应的饱和蒸汽压和过热度。主要控制目标是一段入口压力控制、温度控制和喘振控制，以及每段入口的温度和防喘振控制。压缩机入口压力控制、温度控制和喘振控制之间互相影响、互相干扰，压力的变化会引起温度的变化，温度的变化会影响喘振控制，喘振控制回流会升高温度。这是一个多变量影响的复杂逻辑过程，控制难度大。

2)开工困难：由于制冷压缩机各段入口压力与冷段温度是相对应的。在开工初期，压缩机是全回流启动，各冷段温度没有降到设计温度。压缩机的加载过程就是随着各冷段温度的下降，逐步关闭各段防喘阀。在这一过程中，任何一个波动或操作失误都会打乱平衡，造成压缩机喘振或停车。因此，靠手动操作压缩机极易喘振，致使开工时很难稳定。即使最有经验的操作员手动操作也需很长时间才能稳定。

3)容易波动：运行过程中一旦工艺操作波动，制冷压缩机控制不好会放大波动，造成控制振荡，很难恢复。对于压缩机的每一段入口来说，温度压力都是一个动态平衡的过程，平衡的要素是冷源(冷剂)和热源(喘振回流量)的平衡，这两个要素任何一点波动都会带来整个压缩机和制冷过程的波动，甚至于停车(冷剂加入过多会造成泛液联锁停车)。因此，防喘振控制要与温度控制(激冷控制)协调解耦。

4)喘振的侧流控制：氨制冷压缩机的二段除了有一段压缩来的气体，还有入口分离器来的气体，这种应用称之为侧流控制。侧流控制非简单意义上的上一段来的流量和本段气体流量的相加，而是经过严格的侧流计算。浙江中控开发的侧流控制算法解决了这一问题。

2.3 项目实施过程及控制效果

如图5所示，为河南金大地化工联碱离心冰机主流程图，左侧为汽轮机蒸汽流程图，主要显示蒸汽压力和温度和抽汽阀门输出；右侧主要显示了离心冰机氨气工艺图。

该压缩机为侧流压缩机，压缩机二段中的氨气量为一段和二段的总和，不同状态的气体由于密度不同，不能直接相加，此处的处理采用了浙江中控压缩机控制的侧流算法，取得较好控制效果。

图5 河南金大地化工联碱项目离心冰机主流程图(100%负荷运行)

2.3.1 汽轮机启机效果

如图6所示，河南金大地联碱冰机汽轮机启机升速过程。B线条为转速目标值，C线为转速实际值，A线条为阀门输出值。在满足汽轮机启机条件之后，按下控制面板的启动按钮，汽轮机自动启动、升速、暖机、越过临界转速直到到达最小调速转速，投入正常运行。整个升速过程中，转速稳定，实际转速历史趋势线与汽轮机升速曲线基本重合。汽轮机控制实现了全自动一键启机，稳定转速波动基本控制在5 rpm以内。

图6 联碱冰机汽轮机启机升速过程

2.3.2 压缩机防喘振控制效果

如图7所示，为压缩机喘振负荷控制画面，主要显示了压缩机正常运行工况，防喘振副线全部关闭，符合设计工况要求。

如图8和图9所示，压缩机加载完成之后，一段工作点被控制在了压缩机喘振控制线上，达到了安全和节能的最佳平衡点。开车初期，整体生产负荷较低，防喘阀开度相对较大。二段防喘阀已经关死，工作点落在压缩机安全工作区内。

图7 联碱离心冰机喘振负荷控制画面(100%负荷运行)

图8 联碱离心冰机喘一段振性压线控制图

图9 联碱离心冰机二段喘振控制效果

2.3.3 负荷控制效果

联碱项目结晶工序离心冰机最直接的工艺指标变量应为实时需求的制冷量。因离心冰机制冷量指标冷量不易直接量化监测，且工艺所需的冷量目标值更难以实时设定，故需找出与工艺所需制冷量有逻辑关系工艺指标作为控制目标值。

对于制冷离心冰机而言，在出口气氨压力基本恒定，入口气氨压力可以间接反映离心冰机做功能力，也可间接反映工艺所需的冷量。因此，联碱项目结晶工序采用压缩机入口压力作为负荷控制的主要工艺指标。

可以依据联碱工艺生产对冷量的需求变化，设置相应的入口压力值，通过升速或者降速调整压缩稳定的做功输出，保证联碱工艺生产。当气氨进入离心冰机入口的压力高于设定值，负荷控制器自动计算转速的调整量，在100 ms的控制周期内做出及时准确的指令，提高工作转数，以增加制冷能力；当气氨进入离心冰机入口压力低于设定值，同理，降低工作转速，以保证压缩机入口压力的稳定，以降低制冷能力。

当联碱系统工艺生产负荷提高后，提高了产量，对冷剂的需求也相应的增加，此时，防喘阀会关小，同时，压缩机转速同步升高；当防喘阀关死之后，如果还不能满足联碱工艺制冷量的需求，只需要将氨离心冰机入口压力设定值进一步下调，氨离心冰机会根据工艺需求自动提高转速，以满足生产之需。

当联碱系统工艺生产减负荷运行后，防喘阀会自动打开，转速会自动降低，无需人工参与，即可完成调整。如果联碱其它工序突然停产，也不会引起氨离心冰机跳车，氨离心冰机控制系统会自动调整防喘阀开度和转速，实现空载待机，可以有效避免压缩机喘振，并且可以自动实现空载待机运行，避免了零负荷停机。

如图10所示，联碱正常生产过程中负荷控制效果，随着压力的波动，负荷控制器通过计算输出汽轮机目标转速，然后串级调速控制器，实现氨离心冰机转速的实时调整。结果表明，负荷控制稳定，转速调整及时。

3 项目总结

联碱汽轮机拖动的大型化离心冰机智能化控制的成功运行，不仅可降低联碱项目投资，提高联碱劳动生产率，而且还可大幅度降低联碱运行成本。初步估算，河南金大地化工联碱项目大型氨离心冰机装置年可降低电耗约4 000～5 000万度，综合效益可观。

浙江中控压缩机智能化解决方案，可为联碱工艺“汽轮机拖动的大型化离心氨冰机”机组提供可靠、稳定的运行保障，机组控制成功实现了全自动控制，无人值守操作，且节能效果显著。

河南金山化工集团的河南金大地化工联碱项目“汽轮机拖动的大型化离心氨冰机”的成功运行，开创了我国联碱行业冰机大型化、智能化之先河，对联碱行业节能、减排、高质量发展意义深远。