合成氨装置中的蒸汽系统控制方案优化

摘要  详细介绍了云南天安化工有限公司年产500kt合成氨项目中， 有效利用控制系统，对原设计方案进行优化，实现了对蒸汽系统及汽轮发电机的控制，切实解决了工厂实际问题。

关键词  蒸汽系统  控制方案  优化  无扰动切换

云天化集团有限责任公司目前已经建设并投产的以煤为原料、年产500kt合成氨工程，是用于云南磷复肥基地配套、为磷复肥生产提供液氨原料的项目。项目建设单位为新组建的云南天安化工有限公司。

云南天安化工有限公司采用了 3 台能力为150t/h 的循环流化床锅炉为工厂提供蒸汽。在蒸汽系统配置中，共有四级蒸汽，其中高压蒸汽采用锅炉产出的9.8MPa 的过热蒸汽；次高压蒸汽为煤气化装置专用，属于气化炉热回收产生的蒸汽，压力为5.4MPa；中压蒸汽系统采用 4.6MPa的蒸汽，由高压蒸汽减温减压而来，低压蒸汽系统压力控制为0.7MPa，从中压管网经减压而来。

1  工艺过程描述

四级蒸汽系统中，在高压蒸汽管网上，挂有三台大型的汽轮机组，其中空分三合一机组汽轮机正常耗汽量为160t ，汽轮发电机组汽轮机正常耗汽量为120t ，合成氨冰机正常耗汽量为 40t；在中压蒸汽管网上，挂有一台大型的汽轮机组，即合成气压缩机，其汽轮机正常耗汽量为80t。

当工厂系统处于稳定，蒸汽系统处于平衡时，汽轮发电机组主要的功能就是用于调整高压管网的蒸汽平衡，当锅炉产出的蒸汽较多，高压管网压力偏高时，汽轮发电机组将加大负荷，消耗尽可能多的蒸汽；当锅炉产出的蒸汽比较少，高压管网压力偏低时，汽轮发电机组将降低负荷，来维持高压蒸汽管网的平衡。

在蒸汽系统中，来自锅炉的高压蒸汽经过减温减压后进入中压管网，其中减压是靠 2 台压力调节阀来实现，在原设计中，压力调节系统是根据阀后中压管网的压力信号对阀门进行自动控制；从中压管网到低压蒸汽也通过减温减压完成，其压力调节也是根据阀后低压管网的压力信号对阀门进行自动控制。在中压蒸汽管网上设有两台放空阀，在低压蒸汽管网上设有一台放空阀，通过放空来实现对管网的压力调节，在高压蒸汽管网上则没有设置放空阀。

2  系统隐患分析

在这个系统中，最大的隐患就是上述四台大型的汽轮机组，当四台机组中任一台由于不可控的因素出现停车时，其主汽门将快速关闭，消耗的蒸汽量也将突然变成零，这个时候将给整个蒸汽管网带来巨大的冲击，引起大幅度的波动。同时，由于在原设计中，高压蒸汽管网没有设计放空阀，当空分机组、汽轮发电机组或氨冰机停车时，此时将首先打开高压至中压的减压阀，同时打开中压的放空阀，来实现放空的目的。

在这个系统中，另一个巨大的隐患就是汽轮发电机组并没有完成电力并网的申请工作，其所发的电量并到6kV 电网，并且只能在内部使用，而电力主管部门为限制电的外送，在云南天安化工有限公司110kV 的外供线路上设置了逆功率保护，一旦出现向外供电的情况，逆功率保护就将动作，导致110kV 外供电开关跳闸，引起全厂失电的重大事故。

另外，在系统低压蒸汽管网中，除从中压管网减压补充的蒸汽外，汽轮机的抽汽将是影响低压蒸汽管网压力的重要因素，如果汽轮发电机组由于不可控的因素出现停车，除高压管网可能超压外，低压管网也会因为汽轮机抽汽突然中断导致压力被拉垮。

在系统实际使用及试开车过程中，发现原设计忽略了许多的细节，导致在实际使用过程中出现许多的问题，比如：在汽轮发电机组没有投用期间，高压到中压的调节阀没有考虑高压侧的压力，会导致高压超压，从而引起管网的波动；低压管网的压力也会因为汽轮发电机组的停车而把压力拉垮；同时发电机组没有考虑公司电网的实际情况，可能导致向外电网供电而引发全厂失电的重大事故等等。

针对以上存在的隐患和不足，仪表技术人员充分利用了强大的Honeywell TPS控制系统，对原设计进行了修改，对DCS 的组态进行了分析和深入研究，最终制定了相应的优化和整改措施。

3  控制方案优化

在组态方面对系统做了以下优化：

1 ）在原有中压调节器的基础上增加一个高压系统调节器。（见图1 ）

图1 蒸汽管网压力控制

2 ）实现高压管网超压（9.6MPa）时调节器自动切换到高压调节器控制，同时置 SP为9.45MPa ；当高压管网压力低于9.55MPa 时，恢复到原中压调节器控制。

3 ）高压管网超压时，仍然可以通过原中压调节器进行手动操作，但此时输入的开度只能比高压调节器的输出更大才起作用，有效防止操作人员误操作。

4 ）在110kV 回路上增加两台功率变送器，同时通过组态增加一个功率调节器。（见图 2 ）

图2 汽轮发电机组控制

5 ）当110kV 输入功率小于4000kW 时，切换到功率调节器来控制汽轮机；当110kV 输入功率大于4400kW 时，切换回压力调节器进行控制。