合成氨優(yōu)化控制課件

合成氨工藝流程常規(guī)控制與局限優(yōu)化控制應(yīng)用降低能耗提高處理量合成氨優(yōu)化控制效果優(yōu)化控制實施提綱合成氨工藝流程提綱天燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化重油部分氧化煤粉氣化合成氨工藝天燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化合成氨工藝天燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化工藝流程脫硫一段轉(zhuǎn)化脫碳二段轉(zhuǎn)化氨儲存變換蒸汽空氣粗合成氣變換氣合成氣氨氨合成精制天燃?xì)馓烊細(xì)庹羝D(zhuǎn)化工藝流程脫硫一段轉(zhuǎn)化脫碳二段轉(zhuǎn)化氨儲存變換蒸汽重油/煤粉氣化工藝流程空分氣化酸性氣處理變換氨儲存酸性氣脫除粗合成氣變換氣酸性氣合成氣氮氣氨氨合成精制氫氣氧氣煤/重油重油/煤粉氣化工藝流程空分氣化酸性氣處理變換氨儲存酸性氣脫除合成氨主要操作原料不同，工藝不同，但仍歸納為三大步驟：制氣（一二段轉(zhuǎn)化爐/部分氧化爐/加壓氣化爐）凈化（高低溫變換、脫碳、脫硫、精制）合成（合成氣壓縮、合成塔、冷凝分離）工藝特點：設(shè)備多、流程長、響應(yīng)復(fù)雜、約束變量多、能耗高合成氨主要操作原料不同，工藝不同，但仍歸納為三大步驟：合成氨裝置操作挑戰(zhàn)如何充分利用先進(jìn)的控制手段提高轉(zhuǎn)化爐效率，并確保爐管使用壽命，減少故障？如何盡可能多產(chǎn)生蒸汽，降低蒸汽消耗？如何克服流程長、響應(yīng)滯后等因素影響，優(yōu)化氫氮比控制，提高合成轉(zhuǎn)化率？如何優(yōu)化合成回路壓力、惰性氣控制，優(yōu)化合成塔溫度剖面控制，降低能耗？如何在現(xiàn)有設(shè)備及供應(yīng)條件下提高氨產(chǎn)量？合成氨裝置操作挑戰(zhàn)如何充分利用先進(jìn)的控制手段提高轉(zhuǎn)化爐效率常規(guī)控制與優(yōu)化控制常規(guī)控制能勝任以下情形：一對一關(guān)系響應(yīng)較快且接近線性沒有滯后或滯后不大優(yōu)化控制則能較好處理以下情形：多對一或多對多各種響應(yīng)模式：快、慢、大滯后、非線性多個控制協(xié)調(diào)，具有效益優(yōu)化功能常規(guī)控制與優(yōu)化控制常規(guī)控制能勝任以下情形：優(yōu)化控制方法：采用基于模型預(yù)測控制技術(shù)實現(xiàn)合成氨裝置優(yōu)化目標(biāo)合成氨裝置優(yōu)化主要目標(biāo)，在不違反設(shè)備約束前提下，長期穩(wěn)定實現(xiàn)：降低能耗提高處理量優(yōu)化控制介紹優(yōu)化控制方法：采用基于模型預(yù)測控制技術(shù)實現(xiàn)合成氨裝置優(yōu)化目標(biāo)模型預(yù)測控制模型預(yù)測控制降低能耗制氣系統(tǒng)凈化系統(tǒng)氨合成系統(tǒng)提高處理量優(yōu)化控制在合成氨裝置應(yīng)用降低能耗優(yōu)化控制在合成氨裝置應(yīng)用合成氨裝置能耗主要在制氣單元，超過總能耗70%以上。提高轉(zhuǎn)化率降低燃料消耗是制氣控制的主要目標(biāo)。由于制氣過程復(fù)雜，控制要素多，加之原料及燃料組成波動，常規(guī)控制僅靠反饋信息操作，不能提前調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)化率低而造成高能耗。制氣系統(tǒng)節(jié)能—需求合成氨裝置能耗主要在制氣單元，超過總能耗70%以上。制氣系統(tǒng)根據(jù)天燃?xì)饨M成信息如密度等推測其含碳量，及時調(diào)整蒸汽，嚴(yán)格控制水碳比，并通過適當(dāng)降低水碳比（降低3%）；嚴(yán)格控制煙氣氧含量，減少其波動，并保持較低數(shù)值（減少20%）；在滿足H2/N2和二段爐出口CH4%以及溫度前提下，盡可能降低一段爐負(fù)荷；像Kelogg型轉(zhuǎn)化爐，進(jìn)行各個支路間溫度均衡控制，盡可能減少各爐管間溫度偏差，提高加熱效率，同時可延長使用壽命。天燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化爐優(yōu)化控制原理根據(jù)天燃?xì)饨M成信息如密度等推測其含碳量，及時調(diào)整蒸汽，嚴(yán)格控根據(jù)原料性質(zhì)如密度、熱值等探尋反應(yīng)的最佳配比，及時調(diào)整氧氣量、蒸汽量，減少能耗；根據(jù)爐型及工藝設(shè)計不同控制方案，通過平穩(wěn)操作和優(yōu)化參數(shù)，提高轉(zhuǎn)化率，降低能耗；由于這類氣化控制的特殊性，如原料性質(zhì)難以定性、監(jiān)測點少、自動化程度低等，尚無開發(fā)出理想的優(yōu)化控制系統(tǒng)。重油/煤粉氣化爐優(yōu)化控制原理根據(jù)原料性質(zhì)如密度、熱值等探尋反應(yīng)的最佳配比，及時調(diào)整氧氣量變換反應(yīng)好壞將關(guān)系到脫碳、精制負(fù)荷，以及合成回路惰性成分含量，從而影響合成效率；粗氣組成變化以及床層催化劑活性變化差異使得溫度控制難度加大；脫碳系統(tǒng)以能耗為代價不斷進(jìn)行吸收和解析過程，常規(guī)控制由于人工的惰性無法保持精確控制造成不必要的能耗。粗氣凈化系統(tǒng)節(jié)能—需求變換反應(yīng)好壞將關(guān)系到脫碳、精制負(fù)荷，以及合成回路惰性成分含量變換反應(yīng)溫度控制本身就是個優(yōu)化問題。優(yōu)化控制利時刻監(jiān)控床層溫度變化和約束調(diào)整各個床層進(jìn)入溫度，盡可能使得變換長期處在最佳溫度，提高變換反應(yīng)效率；對于吸收解析過程脫碳系統(tǒng)，過度吸收和解析都會增加不必要的能耗。優(yōu)化控制通過“卡邊”控制實現(xiàn)節(jié)能。粗氣凈化優(yōu)化控制原理變換反應(yīng)溫度控制本身就是個優(yōu)化問題。優(yōu)化控制利時刻監(jiān)控床層溫合成氨裝置能耗除了制氣最大之外，合成部分排在第二位，占20%左右降低能耗、提高氨合成轉(zhuǎn)化率手段包括輕氮比控制、惰性氣濃度控制、合成壓力控制以及合成塔溫度控制。其中前三個控制，由于影響因素復(fù)雜，而且響應(yīng)十分緩慢，常規(guī)控制很難達(dá)到理想效果合成塔溫度控制類似于變換溫度控制。氨合成節(jié)能--需求合成氨裝置能耗除了制氣最大之外，合成部分排在第二位，占20%優(yōu)化控制動態(tài)模型可以采用不同響應(yīng)時間分別處理快速和緩慢工藝過程。通過響應(yīng)時間很長的模型利用上游相關(guān)信息提早微調(diào)實現(xiàn)H2/N2比精確控制，并優(yōu)化比值；通過惰性氣濃度控制，不但減少合成氣損失，還能減少因惰性氣過多而帶來壓縮機(jī)功耗以及轉(zhuǎn)化率降低；隨著催化劑活性逐漸變?nèi)?，氨合成反?yīng)平衡線也隨著移動。優(yōu)化控制可動態(tài)優(yōu)化床層溫度剖面，使合成塔維持高轉(zhuǎn)化率。氨合成優(yōu)化控制原理優(yōu)化控制動態(tài)模型可以采用不同響應(yīng)時間分別處理快速和緩慢工藝過裝置存在各種各樣約束限制生產(chǎn)提高處理量，包括工藝安全約束、設(shè)備安全約束有效約束隨著工況變化而變，靠人工監(jiān)控約束提高處理量不現(xiàn)實處理量改變影響全流程操作，調(diào)整的快慢以及其它各個操作的協(xié)作單靠常規(guī)分散的局部PID回路實現(xiàn)很困難。提高處理量--需求裝置存在各種各樣約束限制生產(chǎn)提高處理量，包括工藝安全約束、設(shè)提高合成氨裝置處理量的常見約束：爐管及各催化劑層熱點溫度壓縮機(jī)（原料氣、空氣、合成氣、冰機(jī)）限制脫碳能力氨制冷能力優(yōu)化控制時刻監(jiān)控這些變量，當(dāng)監(jiān)控及預(yù)測到提量空間時，就增加進(jìn)料，否則維持現(xiàn)狀或者適當(dāng)減少進(jìn)料；在調(diào)整處理量過程中，控制器自動協(xié)調(diào)各個控制回路，確保安全穩(wěn)定過渡。提高處理量優(yōu)化控制原理提高合成氨裝置處理量的常見約束：提高處理量優(yōu)化控制原理合成氨優(yōu)化控制效果合成氨優(yōu)化控制效果合成氨優(yōu)化控制效果量化效益增加處理量約0.5%–2.0%能量單耗約減少0.3%–1.5%非量化效益平穩(wěn)控制及安全操作延長設(shè)備壽命(如爐管)改善催化劑使用提高工程師工作效率合成氨優(yōu)化控制效果量化效益合成氨先進(jìn)控制效果實例一控制指標(biāo)對照合成氨先進(jìn)控制效果實例一控制指標(biāo)對照合成氨先進(jìn)控制效果實例一能量單耗對照合成氨先進(jìn)控制效果實例一能量單耗對照kellogg一段爐溫度均衡控制效果實例kellogg一段爐溫度均衡控制效果實例項目開工2天功能設(shè)計15天現(xiàn)場測試20天詳細(xì)設(shè)計25天DCS操作界面建立15天控制器投運(yùn)及調(diào)試10天操作員培訓(xùn)5天項目考核驗收15天先進(jìn)控制項目實施步驟項目開工合成氨工藝流程常規(guī)控制與局限優(yōu)化控制應(yīng)用降低能耗提高處理量合成氨優(yōu)化控制效果優(yōu)化控制實施提綱合成氨工藝流程提綱天燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化重油部分氧化煤粉氣化合成氨工藝天燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化合成氨工藝天燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化工藝流程脫硫一段轉(zhuǎn)化脫碳二段轉(zhuǎn)化氨儲存變換蒸汽空氣粗合成氣變換氣合成氣氨氨合成精制天燃?xì)馓烊細(xì)庹羝D(zhuǎn)化工藝流程脫硫一段轉(zhuǎn)化脫碳二段轉(zhuǎn)化氨儲存變換蒸汽重油/煤粉氣化工藝流程空分氣化酸性氣處理變換氨儲存酸性氣脫除粗合成氣變換氣酸性氣合成氣氮氣氨氨合成精制氫氣氧氣煤/重油重油/煤粉氣化工藝流程空分氣化酸性氣處理變換氨儲存酸性氣脫除合成氨主要操作原料不同，工藝不同，但仍歸納為三大步驟：制氣（一二段轉(zhuǎn)化爐/部分氧化爐/加壓氣化爐）凈化（高低溫變換、脫碳、脫硫、精制）合成（合成氣壓縮、合成塔、冷凝分離）工藝特點：設(shè)備多、流程長、響應(yīng)復(fù)雜、約束變量多、能耗高合成氨主要操作原料不同，工藝不同，但仍歸納為三大步驟：合成氨裝置操作挑戰(zhàn)如何充分利用先進(jìn)的控制手段提高轉(zhuǎn)化爐效率，并確保爐管使用壽命，減少故障？如何盡可能多產(chǎn)生蒸汽，降低蒸汽消耗？如何克服流程長、響應(yīng)滯后等因素影響，優(yōu)化氫氮比控制，提高合成轉(zhuǎn)化率？如何優(yōu)化合成回路壓力、惰性氣控制，優(yōu)化合成塔溫度剖面控制，降低能耗？如何在現(xiàn)有設(shè)備及供應(yīng)條件下提高氨產(chǎn)量？合成氨裝置操作挑戰(zhàn)如何充分利用先進(jìn)的控制手段提高轉(zhuǎn)化爐效率常規(guī)控制與優(yōu)化控制常規(guī)控制能勝任以下情形：一對一關(guān)系響應(yīng)較快且接近線性沒有滯后或滯后不大優(yōu)化控制則能較好處理以下情形：多對一或多對多各種響應(yīng)模式：快、慢、大滯后、非線性多個控制協(xié)調(diào)，具有效益優(yōu)化功能常規(guī)控制與優(yōu)化控制常規(guī)控制能勝任以下情形：優(yōu)化控制方法：采用基于模型預(yù)測控制技術(shù)實現(xiàn)合成氨裝置優(yōu)化目標(biāo)合成氨裝置優(yōu)化主要目標(biāo)，在不違反設(shè)備約束前提下，長期穩(wěn)定實現(xiàn)：降低能耗提高處理量優(yōu)化控制介紹優(yōu)化控制方法：采用基于模型預(yù)測控制技術(shù)實現(xiàn)合成氨裝置優(yōu)化目標(biāo)模型預(yù)測控制模型預(yù)測控制降低能耗制氣系統(tǒng)凈化系統(tǒng)氨合成系統(tǒng)提高處理量優(yōu)化控制在合成氨裝置應(yīng)用降低能耗優(yōu)化控制在合成氨裝置應(yīng)用合成氨裝置能耗主要在制氣單元，超過總能耗70%以上。提高轉(zhuǎn)化率降低燃料消耗是制氣控制的主要目標(biāo)。由于制氣過程復(fù)雜，控制要素多，加之原料及燃料組成波動，常規(guī)控制僅靠反饋信息操作，不能提前調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)化率低而造成高能耗。制氣系統(tǒng)節(jié)能—需求合成氨裝置能耗主要在制氣單元，超過總能耗70%以上。制氣系統(tǒng)根據(jù)天燃?xì)饨M成信息如密度等推測其含碳量，及時調(diào)整蒸汽，嚴(yán)格控制水碳比，并通過適當(dāng)降低水碳比（降低3%）；嚴(yán)格控制煙氣氧含量，減少其波動，并保持較低數(shù)值（減少20%）；在滿足H2/N2和二段爐出口CH4%以及溫度前提下，盡可能降低一段爐負(fù)荷；像Kelogg型轉(zhuǎn)化爐，進(jìn)行各個支路間溫度均衡控制，盡可能減少各爐管間溫度偏差，提高加熱效率，同時可延長使用壽命。天燃?xì)庹羝D(zhuǎn)化爐優(yōu)化控制原理根據(jù)天燃?xì)饨M成信息如密度等推測其含碳量，及時調(diào)整蒸汽，嚴(yán)格控根據(jù)原料性質(zhì)如密度、熱值等探尋反應(yīng)的最佳配比，及時調(diào)整氧氣量、蒸汽量，減少能耗；根據(jù)爐型及工藝設(shè)計不同控制方案，通過平穩(wěn)操作和優(yōu)化參數(shù)，提高轉(zhuǎn)化率，降低能耗；由于這類氣化控制的特殊性，如原料性質(zhì)難以定性、監(jiān)測點少、自動化程度低等，尚無開發(fā)出理想的優(yōu)化控制系統(tǒng)。重油/煤粉氣化爐優(yōu)化控制原理根據(jù)原料性質(zhì)如密度、熱值等探尋反應(yīng)的最佳配比，及時調(diào)整氧氣量變換反應(yīng)好壞將關(guān)系到脫碳、精制負(fù)荷，以及合成回路惰性成分含量，從而影響合成效率；粗氣組成變化以及床層催化劑活性變化差異使得溫度控制難度加大；脫碳系統(tǒng)以能耗為代價不斷進(jìn)行吸收和解析過程，常規(guī)控制由于人工的惰性無法保持精確控制造成不必要的能耗。粗氣凈化系統(tǒng)節(jié)能—需求變換反應(yīng)好壞將關(guān)系到脫碳、精制負(fù)荷，以及合成回路惰性成分含量變換反應(yīng)溫度控制本身就是個優(yōu)化問題。優(yōu)化控制利時刻監(jiān)控床層溫度變化和約束調(diào)整各個床層進(jìn)入溫度，盡可能使得變換長期處在最佳溫度，提高變換反應(yīng)效率；對于吸收解析過程脫碳系統(tǒng)，過度吸收和解析都會增加不必要的能耗。優(yōu)化控制通過“卡邊”控制實現(xiàn)節(jié)能。粗氣凈化優(yōu)化控制原理變換反應(yīng)溫度控制本身就是個優(yōu)化問題。優(yōu)化控制利時刻監(jiān)控床層溫合成氨裝置能耗除了制氣最大之外，合成部分排在第二位，占20%左右降低能耗、提高氨合成轉(zhuǎn)化率手段包括輕氮比控制、惰性氣濃度控制、合成壓力控制以及合成塔溫度控制。其中前三個控制，由于影響因素復(fù)雜，而且響應(yīng)十分緩慢，常規(guī)控制很難達(dá)到理想效果合成塔溫度控制類似于變換溫度控制。氨合成節(jié)能--需求合成氨裝置能耗除了制氣最大之外，合成部分排在第二位，占20%優(yōu)化控制動態(tài)模型可以采用不同響應(yīng)時間分別處理快速和緩慢工藝過程。通過響應(yīng)時間很長的模型利用上游相關(guān)信息提早微調(diào)實現(xiàn)H2/N2比精確控制，并優(yōu)化比值；通過惰性氣濃度控制，不但減少合成氣損失，還能減少因惰性氣過多而帶來壓縮機(jī)功耗以及轉(zhuǎn)化率降低；隨著催化劑活性逐漸變?nèi)?，氨合成反?yīng)平衡線也隨著移動。優(yōu)化控制可動態(tài)優(yōu)化床層溫度剖面，使合成塔維持高轉(zhuǎn)化率。氨合成優(yōu)化控制原理優(yōu)化控制動態(tài)模型可以采用不同響應(yīng)時間分別處理快速和緩慢工藝過裝置存在各種各樣約束限制生產(chǎn)提高處理量，包括工藝安全約束、設(shè)備安全約束有效約束隨著工況變化而變，靠人工監(jiān)控約束提高處理量不現(xiàn)實處理量改變影響全流程操作，調(diào)整的快慢以及其它各個操作的協(xié)作單靠常規(guī)分散的局部PID回路實現(xiàn)很困難。提高處理量--需求裝置存在各種各樣約束限制生產(chǎn)提高處理量，包括工藝安全約束、設(shè)提高合成氨裝置處理量的常見約束：爐管及各催化劑層熱點溫度壓縮機(jī)（原料氣、空氣、合成氣、冰機(jī)）限制脫碳能力氨制冷能力優(yōu)化控制時刻監(jiān)控這些變量，當(dāng)監(jiān)控及預(yù)測到提量空間時，就增加進(jìn)料，否則維持現(xiàn)狀或者適當(dāng)減少進(jìn)料；在調(diào)整處理量過程中，控制器自動協(xié)調(diào)各個控制回路，確保安全穩(wěn)定過渡。提高處理量優(yōu)化控制原理提高合成氨裝置處理量的常見約束：提高處理量優(yōu)化控制原理合成氨優(yōu)化控制效果合成氨優(yōu)化控制效果合成氨優(yōu)化控制效果量化效益增加處理量約0.5%–2.0%能量單耗約