1、引語 在公司合成氨脫碳裝置中采用變壓吸附脫除合成氨變換氣中的二氧化碳，對脫除了CO2、H20、硫化物等組分的凈化氣直接進入合成工段。整個變壓吸附過程通過一系列嚴格的計算機控制實現的，計算機控制系統采用的是費希爾-羅斯蒙特公司的DeltaV控制系統。 2、工藝簡介 變壓吸附技術（Pressure Swing Adsorption,簡稱PSA）是一個近似于等溫變化的物理過程，它是利用氣體介質對不同組份在吸附劑上的吸附量隨壓力變化而呈差異性的特性，在吸附劑選擇的條件下，加壓時吸附原料的二氧化碳和水等組份，難吸附的組份如氫、氮、一氧化碳、甲烷等作為凈化氣由吸附塔出口排出。減壓時將吸附的二氧化碳和水脫除，同時吸附劑獲得再生。工藝主要以8-3-2/V方式運行，即三個吸附塔同時進行吸附操作，其余三個吸附塔處于再生過程的不同階段，八個吸附塔循環操作，達到連續處理原料氣和輸送凈化氣的目的。在循環過程中，每個塔都經歷了（1）.吸附（A）；(2).一均降（E1D）；(3).二均降（E2D）；(4).逆放（D）；(5).抽真空（V）；(6).二均升（E2R）；(7).一均升（E1R）；(8).最終升壓（FR）共八個步驟。故8-3-2/V工藝也稱為“八塔真空解吸三塔同時進料二次均壓工藝”。合成氨裝置的變壓吸附采用八塔操作，通過DCS系統控制，保證在任何時刻都有相同數量的吸附床處于吸附狀態，從而實現連續的、流量壓力恒定的脫碳過程。 3 3、控制方案 變壓吸附工藝是靠周期性切換閥門來實現的，為使整個工藝過程能連續穩定的進行，要求自動控制系統具有較高的水平。本裝置程控系統使用的是Rosemount公司的Deltav控制系統，在DCS系統上設有工藝流程圖，顯示程控閥門的開關狀態及吸附塔的工作狀態，重要參數在系統上都有顯示，并能對重要工藝參數進行報警和打印。由于變壓吸附裝置受前后工段的影響，使得原料氣流量、成份和壓力有一定的波動，為了保證裝置正常、安全的運轉，本裝置共設置了一套壓力單回路調節系統、一套流量單回路調節系統、兩套計算機按設定的開度曲線輸出控制系統、兩套流量計量系統、一套CO2成份在線連續分析系統、一套計算機程序控制系統。 3. 1程序控制系統 在變壓吸附裝置中，每個吸附塔有6個程控閥，正常情況下，八個吸附塔的48個程控閥按照預先設定的步驟及切換時間開啟和關閉，實現吸附、均壓降等過程，當出現下列情況時，DCS系統會自動檢測并報警：1）某程序控制閥的外部元件出現故障；2）某吸附塔程序控制閥的執行機構失靈；3）某吸附塔的控制輸出模塊發生故障；4）某吸附塔的壓力變送器故障。如果此時處于自動程序切換方式，DCS系統程序會考慮在最合適的步序自動切換到6塔運行，使生產得以連續穩定的進行。如果此時處于手動切換方式，操作人員則根據屏幕上的報警提示，選擇相應的塔，將其切除，程序同樣會考慮在最合適的步序自動切換到6塔運行。反之，在故障得以處理后，程序同樣要考慮從6塔切換到8塔的步序切換。每一步序的時間設定可人工設定，或選擇自適應控制方式，由DCS程序根據工況自動設置其時間。 在整個程序控制系統中，DCS系統中的控制程序用Daltav系統所提供的CL語言編寫，程序為模塊化結構，有初始化程序、主程序、各塔運行程序、各塔壓力檢測程序、閥檢程序、分周期計算程序及程控回路等程序模塊，每一模塊都掛在相應的程序點上，分別實現各自的功能。同時，通過邏輯點、流程圖和中間數字的靈活應用，使CL程序與過程的控制更好的結合在一起。整個PSA程序是由一個順序控制主程序塊、時序塊、手動閥門程序塊等20個程序模塊組成，每個程序塊的組態使用ACT塊、DO塊等多類模塊來實現。其核心模塊是ACT功能塊。ACT塊根據輸入IN_D（被置為1時）進行表達式計算（Expression evaluate）。表達式的編寫以IF（表達式）THEN（表達式）ENDIF條件語句為主，在組態及進行程序設計時，根據程控閥的動作時序圖，來編制相應的控制程序，控制程序采用大量的ACT功能模塊來實現，如，組態時定義一個相應的ACT功能模塊，為該功能塊添加一段表達式來實現相應的控制功能（在CAT塊上鼠標右擊并選擇Expression，則可以打開表達式編寫對話框來進行控制程序的編寫）： if ‘LP.CV’＞=1and‘LP.CV＜=15 THEN ‘PSAC2/KV1A.CV’:=1 ENDIF if ‘LP.CV’＞=6and‘LP.CV＜=20 THEN ‘PSAC2/KV1B.CV’:=1 ENDIF 該表達式的意思就是如果ACT模塊LP的CV值大于1小于15時，則KV1A閥打開，當LP的CV值大于6小于20時，KV1B閥打開。 3．2 檢測系統及控制回路 1） 原料氣及凈化氣流量計量系統。 該系統主要用于檢測、指示、記錄原料氣和凈化氣的流量，通過該流量系統，可以反映整個裝置的處理能力及生產效率，為經濟核算提供依據。流量檢測采用羅斯蒙特的8800A渦街流量計進行測量，流量信號經DCS系統處理后在系統畫面上進行顯示。 2） 原料氣流量自動調節系統。 由于受前后工段的影響，進入到脫碳工段的原料氣量可能會波動，設置該調節系統的目的就是保證原料氣處理量穩定。當原料氣流量低于給定值時，調節閥開度增大，反之，調節閥開度減小，從而達到穩定原料氣流量的目的。該調節系統只是一個簡單的單回路調節系統，在DCS系統上非常容易實現，組態上采用功能模塊圖（即FBD模塊），組態時只要定義好相應的輸入、輸出及PID模塊，整個控制回路就完成了。其控制回路示意圖如下： 原料氣流量控制回路示意圖 3） 最終升壓流量手操調節系統。 在終充時間內，由DCS系統按設定的開度曲線輸出信號到兩個終充調節閥來保證終充流量基本恒定，以減少凈化氣輸出量的波動。考慮到終充調節閥在終充時間內是從小開度逐漸變化到大開度，由于一均閥與該調節閥相連，為防止在均壓時對正在終充的塔造成影響，在一均過程開始前幾秒，由程序控制系統輸出信號使調節閥關閉，一均過程結束后超前信號消失，由手操調節系統控制終充流量的大小。脫碳系統的終充調節閥起2個作用，分別用于控制最終升壓步驟的流量和沖洗步驟的流量（1#系統僅用于終充階段的流量控制），因此應分別設置兩種開度。在沖洗（通過在抽空階段過程中打開KV-5閥幾秒時間來完成）時設置一個固定開度。在終充時調節閥的動作根據程序設定的開度曲線動作，其開度太大會影響產品氣的輸出，太小不能滿足終充壓力的需要。調節閥的設定值如下： 其中：PE1R為壓力一均升階段完成后的壓力；PFR 為終充階段完成時的壓力 t為終充過程時間，從0 tFR （終充時間設定值）；K為斜率系數，調整K值使終充到位，K=1～1.2。 以被終充吸咐塔的壓力（由變送器采集送PFR）作為終充調節閥的采樣PV，以設定值SP與采樣值PV的差值進行PID調節使PV跟蹤SP，實現終充均勻穩定，保證產品氣流量波動小。 4） 八個吸附塔壓力記錄系統 八個吸附塔的工作壓力在DCS系統上集中顯示，一次儀表為羅斯蒙特公司的3051型智能壓力變送器,它將八個吸附塔的壓力轉換成4-20mA的電流信號，送入DCS的模擬量輸入模塊，在DCS系統上實現壓力的顯示、歷史回顧和實時趨勢記錄。由于各塔在不同的階段壓力值不一樣，因而，通過壓力記錄系統觀察記錄曲線，就能看出吸附塔的工作狀況，當現場的程控閥出現故障時，通過塔壓曲線，可以快速、準確的找出出現故障的程控閥。塔壓曲線如下圖所示： 吸附塔壓力曲線示意圖 從塔壓曲線可以看出，在不同的階段，吸附塔的工作壓力不一樣，通過塔壓曲線可以看出吸附塔處于那個階段，如果在某一個階段閥門出現問題，則其壓力變化在曲線上就可以清楚的表現出來，通過壓力曲線就可以及時的判斷出是那一個閥門出現了問題，減少了出現故障閥門的判斷時間，這為及時處理閥門故障提供了很大的幫助。 5） 凈化氣緩沖罐壓力調節系統 設置此調節系統的目的是為了保證吸附壓力和凈化氣緩沖罐壓力的穩定。當任一塔處于最終升壓步驟時，由于升壓時用凈化氣，此時如果凈化氣輸出量波動比較大，就會造成處于吸附步驟那個塔的壓力下降而影響吸附工況。因此，必須及時調節凈化氣緩沖罐壓力調節閥的開度，減少凈化氣輸出來穩定吸附壓力，即改變凈化氣輸出量，使處于吸附工況的吸附塔壓力穩定在給定值上，以保證吸附塔壓力的穩定。該調節系統只是一個簡單的PID單回路調節系統，采用功能模塊圖進行組態，通過FBD模塊實現其控制功能。其控制回路示意圖如下： 凈化氣緩沖罐壓力調節回路示意圖 6） 真空泵的聯鎖 為了防止真空泵冷卻水倒流回吸附塔，致使吸附劑失效，與真空泵相連接的四臺程控閥組成聯鎖，其作用是如真空泵不開，則閥門也不能打開，從而達到聯鎖的作用，保護吸附塔內的吸附劑。其中1#脫碳系統有5臺真空泵，在開車時至少有一臺真空泵要處于運行狀態， 程控閥才能打開；2＃脫碳系統有4臺真空泵，在開車時至少要有兩臺真空泵運行程控閥才能打開。操作時在操作畫面點擊“啟動”后，現場才可以啟動真空泵。真空泵狀態信號送入DCS，控制程序根據真空泵的狀態信號進行判斷。聯鎖程序采用ACT功能模塊來實現，其控制程序如下： IF〔‘TEST／CHECK.CV’=0 and‘PSAD7/LS509100A/PV-D.CV’=1〕 OR〔‘TEST／CHECK.CV‘=0 and‘PSAD7/LS509100B/PV-D.CV’=1〕 OR〔‘TEST／CHECK.CV’=0 and‘PSAD7/LS509100C/PV-D.CV’=1〕 OR〔‘TEST／CHECK.CV’=0 and‘PSAD7/LS509100D/PV-D.CV’=1〕 OR〔‘TEST／CHECK.CV’=0 and‘PSAD7/LS509100E/PV-D.CV’=1〕THEN ‘LS509107/CAS-IN-D.CV’:=<