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摘要： 合成氨是化学工业中产量最大的化工产品，也是一种消耗大量能量的化工产品，同时因原料供应，市场需求的变化，合成氨的产品远比生产能力要低，本设计选用带前馈补偿的串级控制方案，对合成氨中氢氮比进行有效的控制，经实际生产反映，取得良好的经济效益。
关键词： 合成氨；氢氮比；前馈补偿；串级控制
中图分类号：TQ44 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1110085－01
1 合成氨生产工艺
以天然气作原料生成合成氨的工艺流程见图1所示。
图1合成氨的生产工艺
它可以分为几步进行，先是在一段炉中将天然气中的甲烷用蒸汽转化成氢和一氧化碳，然后送入二段炉，同时加入空气，这样一方面使空气中的氧和可燃气体发生反应，产生足够的热量，另一方面空气中的氮气和氢气组成一定比例的氢氮气。
二段炉的生成物称为转化气，再经过中、低温变换、碳化、甲烷化、压缩，最后在合成塔中生成合成氨，反应式为：
3H2+N2=2NH3+Q
此式表明，3份氢和1份氮可合成2份氨，因此，理论上讲，保持H2/N2为3/1最为理想。
氨的合成中，氢氮比是一个非常重要的参数，它不但影响合成氨的产量，而且会影响生产过程中其他参数。若氢氮比大于3，则合成塔中有氢气富余，它进入循环气体很快积累，使反应条件迅速恶化。若氢氮比小于3，合成结果也不理想，但对整个过程的影响略小，因此实际生产中氢氮比取为2.2-2.8。
2 控制方案的选择
要保持氢氮比稳定，显然取氢氮比直接作为被控参数是合适的。然而从二段炉的生成气开始就存在氢氮比这个参数，但归根结底起作用的是合成塔入口气体的氢氮比，所以取这个参数作为被控参数或系统输出。
改变氢氮比的手段是在二段炉改变空气输入量。若氢氮比过高，应加大空气输入即氮气的输入，反之亦然。所以取二段炉入口的空气输入为控制参数。
一旦选定了被控参数和控制参数，被控过程也就确定了，它包含二段炉、中低温变换炉、甲烷、碳化和压缩设备。从控制角度看，这个过程包含的设备多、线路长，因此有明显的大滞后、大惯性和多干扰的特性。如果对氢氮比不加控制，一旦比例失调，将会引起破坏性的雪崩反应，合成将无法进行而使生产中断。
对这样的过程，要使氢氮比保持稳定，采用常规的单回路控制是无法满足要求的。以往都采用人工控制以维持系统的稳定，但这种控制效果差，氢氮比的合格率只能达到30%-50%。要实现自动控制，需选用复杂控制方案，这里通过对扰动的分析，选用带前馈补偿的串级控制方案。用前馈补偿主要扰动，即输入天然气流量的波动，用副回路来克服设备中的多种次要扰动。
串级系统中，设定氢氮比作为输入，其测量反馈量是合成塔入口循环气的实际氢氮比，这是通过测量其中的氢氮组份来获得的。副回路的选择一方面要使其对输入的响应足够快，即惯性小，通常主副过程惯性时间常数之比一般为3-10；另一方面则要尽可能多的包含扰动，尤其是变化剧烈、影响较大的扰动，为此将副回路的输出定在中低变换炉的输出。
前馈补偿是针对天然气输入的波动而设置的，系统中天然气流量的变化是一个预测信号，被用作前馈信号。当天然气增加时，二段炉的空气输入也增加，从而抑制了天然气流量波动对氢氮比的干扰。
3 仪表的选择
成分检测仪表选用连续工作的氢组份检测仪和具有峰值保持的专用氢色谱仪，测得的氢氮组份经过简单的处理运算便得到氢氮比值。
调节器选用KMM可编程调节器，可直接在面板上进行氢氮比最优值的人工设定，实现氢氮比调节、恒氢调节、手动遥控操作和无平衡无扰动切换，同时有氢氮比记录、高低限报警等功能，操作灵活方便。
4 调节器参数的整定
由于在方案设计时考虑到主副回路参数间的配合，副过程惯性远小于主过程，两者的工作频率和操作周期已大不相同，副回路的快速性能够保证，故主副回路可以独立整定参数，互不干扰。这里用两步法整定参数，先副回路后主回路。
副回路惯性小，实现对输入的跟踪，允许采用PID控制算法。由于主过程有积分特性，故主调节器用PD算法，以提高控制品质。用4:1衰减曲线法得到的参数为：
副回路调节器：δ2=0.8δs2，TI=0.3Ts2，TD=0.1Ts2。
主回路调节器：δ1=（0.8-1.0）δs1，TD=0.1Ts1。
式中δs，Ts-分别是相应回路用纯比例控制得到4:1衰减曲线时的比例度和响应周期。
系统组成后还要经过细调，最终确定合适的调节参数。该系统投运后，氢氧比从人工控制时的48.44%提高到85%-95%，取得了良好的经济效益。
参考文献：
[1]张斌，合成氨氢氮比控制的实现[J].《测控技术》，2002年，第21卷第3期：25-27.
[2]邵玉森、戴先中，过程控制工程[M].机械工业出版社，2010：208-211.
作者简介：
卢春华（1982-），男，汉族，重庆铜梁人，安阳工学院教师，现从事过程控制方面的教学与研究。
关键词： 合成氨；氢氮比；前馈补偿；串级控制
中图分类号：TQ44 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1110085－01
1 合成氨生产工艺
以天然气作原料生成合成氨的工艺流程见图1所示。
图1合成氨的生产工艺
它可以分为几步进行，先是在一段炉中将天然气中的甲烷用蒸汽转化成氢和一氧化碳，然后送入二段炉，同时加入空气，这样一方面使空气中的氧和可燃气体发生反应，产生足够的热量，另一方面空气中的氮气和氢气组成一定比例的氢氮气。
二段炉的生成物称为转化气，再经过中、低温变换、碳化、甲烷化、压缩，最后在合成塔中生成合成氨，反应式为：
3H2+N2=2NH3+Q
此式表明，3份氢和1份氮可合成2份氨，因此，理论上讲，保持H2/N2为3/1最为理想。
氨的合成中，氢氮比是一个非常重要的参数，它不但影响合成氨的产量，而且会影响生产过程中其他参数。若氢氮比大于3，则合成塔中有氢气富余，它进入循环气体很快积累，使反应条件迅速恶化。若氢氮比小于3，合成结果也不理想，但对整个过程的影响略小，因此实际生产中氢氮比取为2.2-2.8。
2 控制方案的选择
要保持氢氮比稳定，显然取氢氮比直接作为被控参数是合适的。然而从二段炉的生成气开始就存在氢氮比这个参数，但归根结底起作用的是合成塔入口气体的氢氮比，所以取这个参数作为被控参数或系统输出。
改变氢氮比的手段是在二段炉改变空气输入量。若氢氮比过高，应加大空气输入即氮气的输入，反之亦然。所以取二段炉入口的空气输入为控制参数。
一旦选定了被控参数和控制参数，被控过程也就确定了，它包含二段炉、中低温变换炉、甲烷、碳化和压缩设备。从控制角度看，这个过程包含的设备多、线路长，因此有明显的大滞后、大惯性和多干扰的特性。如果对氢氮比不加控制，一旦比例失调，将会引起破坏性的雪崩反应，合成将无法进行而使生产中断。
对这样的过程，要使氢氮比保持稳定，采用常规的单回路控制是无法满足要求的。以往都采用人工控制以维持系统的稳定，但这种控制效果差，氢氮比的合格率只能达到30%-50%。要实现自动控制，需选用复杂控制方案，这里通过对扰动的分析，选用带前馈补偿的串级控制方案。用前馈补偿主要扰动，即输入天然气流量的波动，用副回路来克服设备中的多种次要扰动。
串级系统中，设定氢氮比作为输入，其测量反馈量是合成塔入口循环气的实际氢氮比，这是通过测量其中的氢氮组份来获得的。副回路的选择一方面要使其对输入的响应足够快，即惯性小，通常主副过程惯性时间常数之比一般为3-10；另一方面则要尽可能多的包含扰动，尤其是变化剧烈、影响较大的扰动，为此将副回路的输出定在中低变换炉的输出。
前馈补偿是针对天然气输入的波动而设置的，系统中天然气流量的变化是一个预测信号，被用作前馈信号。当天然气增加时，二段炉的空气输入也增加，从而抑制了天然气流量波动对氢氮比的干扰。
3 仪表的选择
成分检测仪表选用连续工作的氢组份检测仪和具有峰值保持的专用氢色谱仪，测得的氢氮组份经过简单的处理运算便得到氢氮比值。
调节器选用KMM可编程调节器，可直接在面板上进行氢氮比最优值的人工设定，实现氢氮比调节、恒氢调节、手动遥控操作和无平衡无扰动切换，同时有氢氮比记录、高低限报警等功能，操作灵活方便。
4 调节器参数的整定
由于在方案设计时考虑到主副回路参数间的配合，副过程惯性远小于主过程，两者的工作频率和操作周期已大不相同，副回路的快速性能够保证，故主副回路可以独立整定参数，互不干扰。这里用两步法整定参数，先副回路后主回路。
副回路惯性小，实现对输入的跟踪，允许采用PID控制算法。由于主过程有积分特性，故主调节器用PD算法，以提高控制品质。用4:1衰减曲线法得到的参数为：
副回路调节器：δ2=0.8δs2，TI=0.3Ts2，TD=0.1Ts2。
主回路调节器：δ1=（0.8-1.0）δs1，TD=0.1Ts1。
式中δs，Ts-分别是相应回路用纯比例控制得到4:1衰减曲线时的比例度和响应周期。
系统组成后还要经过细调，最终确定合适的调节参数。该系统投运后，氢氧比从人工控制时的48.44%提高到85%-95%，取得了良好的经济效益。
参考文献：
[1]张斌，合成氨氢氮比控制的实现[J].《测控技术》，2002年，第21卷第3期：25-27.
[2]邵玉森、戴先中，过程控制工程[M].机械工业出版社，2010：208-211.
作者简介：
卢春华（1982-），男，汉族，重庆铜梁人，安阳工学院教师，现从事过程控制方面的教学与研究。