劉繼軍 （1966-）

    男，陜西漢中人，大學本科學歷，工程師，主要研究方向為控制系統的工程應用。




    摘  要：本文介紹了HOLLiAS-MACS在三聚氰胺生產中的應用，分別對其應用的DCS硬件、軟件和網絡特點、關鍵控制的實現方法進行分析。

    關鍵詞：HOLLiAS-MACS；現場總線；三聚氰胺

    Abstract: This paper introduces the application of HOLLiAS-MACS system in the Melamine plant. The hardware, software, network features of the system, and realization method of key control are also analyzed.

    Key words: HOLLiAS-MACS; Fieldbus; Melamine

    1 概述

    三聚氰胺別名氰脲酰胺或蜜胺（Melamine），分子式為C3N6H6，產品外觀為白色晶體粉末，略帶甜味、無毒、呈弱堿性，能與酸反應生成相應的鹽。是一種重要的氮雜環有機化工原料，主要用作高檔塑料、涂料、粘合劑、紙張（制幣用紙）的基礎原料。

    由三聚氰胺為原料合成的甲醛樹脂，具有硬度高、耐刮痕、防潮、防水、防霉、耐電弧、耐油、耐老化、無毒、無臭、不受弱堿和有機溶劑影響、著色鮮艷、加工容易（普通模壓法和傳遞模塑法）等特點，在日常生活用品（如餐具、玩具等）、電器配件、汽車配件方面有廣泛用途。

    20世紀90年代以來，木材加工產業、房地產業是三聚氰胺消費增長最快的領域，很多層壓板（木片同樹脂熱壓）、纖維板（木材纖維同樹脂熱壓）、刨花板（木刨花同樹脂熱壓）等木材加工用到了三聚氰胺；內外墻面涂料也用到了三聚氰胺。

    2 工藝簡介

    目前，世界上生產三聚氰胺的方法有兩種：雙氰胺法和尿素法。一般多采用尿素法生產三聚氰胺，其工藝過程分為3個步驟：

    （1）反應：以尿素為原料，在一定溫度壓力下轉化為三聚氰胺，同時放出NH3和CO2：

     6（NH2）2CO→C3N6H6+6NH3+3CO2    -Q

    操作壓力可分為高壓、低壓和常壓三種，以日本新Nissan和意大利Allied-Eurotechnica為代表的高壓法生產工藝，操作壓力一般在8~10MPa左右，反應不需用催化劑；以荷蘭DSM為代表低壓法生產工藝，操作壓力為0.7MPa；以德國BASF為代表的常壓法生產工藝，操作壓力為0.15~0.2 MPa，后兩種方法反應需催化劑。

    （2）淬冷：反應后的生成物可用水、母液或低溫工藝氣進行淬冷。讓三聚氰胺結晶析出析出再經分離，凈化等處理成為最終產品。

    （3）尾氣回收處理：三聚氰胺反應過程中副產的尾氣主要由NH3、CO2組成，不能直接排放，必須進行回收處理。尾氣回收不僅是環保要求，也是影響三聚氰胺生產成本的關鍵。國內外對尾氣回收技術十分重視，目前主要回收處理方法有以下幾種：

    （1）將尾氣直接送去化肥廠或尿素廠。

    （2）將尾氣吸收成碳化氨水，送去化肥廠再加工成硫銨、碳銨、磷銨或制成濃甲胺液去尿素廠。

    （3）將尾氣分離為氨氣與二氧化碳，然后再分別加以利用。

    （4）直接將尾氣制成稀碳化氨水作副產品出售。目前，國內多數小廠采用此法。

    我國三聚氰胺起步于60年代，采用的是干捕再精制工藝，即先生產出半成品再經過精制得到三聚氰胺產品。這種生產工藝流程簡單、投資省，但由于設備體積大，效率低，裝置難以大型化；轉化效率低，消耗高，成本偏高；單元操作過程的各項指標難于控制，質量不穩定；過程控制難于自動化，工人勞動強度大。因此，這種工藝已逐步被淘汰，取而代之是在消化吸收德國BASF的常壓法工藝技術的基礎上，針對干捕再精制工藝的缺點而改進開發的我國三聚氰胺生產新工藝－氣相淬冷工藝，流程圖如圖1所示。

             

                              圖1   三聚氰胺氣相淬冷工藝流程

    氣相淬冷工藝具有流程短、投資低、消耗低、易控制等特點，裝置可以長周期穩定運行。

    3 三聚氰胺裝置生產過程控制—DCS系統

    采用氣相淬冷生產三聚氰胺，雖然具有工藝流程短易于控制的特點，但化工裝置的“相變”卻都涉及到了，各個過程控制好壞直接影響到產品質量、裝置的運行周期、制造成本。因此，選擇合適控制系統至關重要。

    川化集團有限責任公司是一個以生產化肥為主的綜合性特大型化工企業，是我國目前最大的氮肥、三聚氰胺生產廠。共有三聚氰胺裝置4套，總產能達7萬噸，其中采用低壓氣相淬冷生產工藝的三胺裝置有2套。該裝置采用北京和利時系統工程有限公司HOLLiAS-MACS(HollySys Integrated Industrial Automation System，和利時集成工業自動化系統) 控制系統對生產過程進行自動化控制。HOLLiAS-MACS系統不僅繼承了以往系統的高可靠性和方便性，而且采用開放的系統軟件平臺將控制系統與管理功能整合集成，構成覆蓋從現場總線到企業管理的綜合自動化管理系統平臺，它綜合了DCS、PLC、現場總線、MES的技術，開放式的系統網絡、操作系統、以及開放式接口，使整個公司可以從生產控制級到管理級的整個信息系統集成最優化。它采用模塊化結構，可按系統和裝置、工段進行配置，具有高電磁兼容性和強的抗震性、沖擊性，具有很高的工業環境的適應性。易于日常維護、培訓學習掌握等特點。當控制任務增加時可自由擴展。由于采用安全分散式結構和具備多界面網絡能力，使得應用十分靈活，為工廠自動化控制和企業信息管理提供了全面解決方案。網絡結構圖如圖2所示。

           

                                  圖2   網絡結構圖

    從圖2可以看到：DCS系統共有2 臺冗余的服務器、3臺操作監控站OS、1臺工程師站ENG。

    HOLLiAS-MACS的過程控制級采用了目前世界上先進的現場總線技術（Profibus-DP總線），它是在歐洲乃至全球應用最為廣泛的現場總線系統。真正做到“危險分散，控制分散，集中監控”。 Profibus-DP 是一個主站/從站（Master/Slave）總線系統，主站功能由控制系統中的主控制器來完成。主站在完成自動控制功能（調節、控制）的同時，通過循環的和非循環的報文對現場儀表及智能電氣設備進行全面的訪問。

    4 關鍵過程控制

    為了使三聚氰胺裝置長周期、滿負荷、高質量生產目標得以實現，其中的進料系統、高沸點副產物、熱氣過濾與除塵、熔鹽組分穩定、壓縮機聯鎖保護等關鍵環節都由DCS控制，如：保證流化床反應器反應溫度的前提下進料均勻、副產物結晶溫度控制準確、過濾除塵實時有效、壓縮機聯鎖保護準確可靠等。

    4.1 進料控制

    三聚氰胺合成的工藝是：液態熔融尿素經過液尿泵輸送增壓、通過噴嘴在氨氣壓力作用下呈霧化狀態進入流化床反應器，在以γ-AL2O3為催化劑、385±2℃條件下生成氣態三聚氰胺，同時伴有高低溫點副產物、NH3、CO2產生。在反應器同一個半徑平面分布著8支噴嘴，對稱的2支為一對；在噴嘴的上方設置了溫度檢測點，根據溫度分布調整使用哪一對噴嘴，確保流化床反應區溫度均衡，最大限度地控制副反應。以反應區平均溫度為主調、液尿流量為副調進行串級控制，組態圖3、圖4如下：

           

                              圖3   三聚氰胺合成組態畫面

           

                       圖4   反應溫度與進料量串級控制

    其中T_AVG為3個溫度測點的平均值，此功能塊具有輸入值異常切除功能；HE_305_2為跟蹤開關（壓縮機聯鎖信號），即當壓縮機聯鎖跳車、流化床死床時，為防止液態尿素腐蝕熔鹽盤管，必須立即切斷進料調節閥。

    4.2 高溫點控制

    在氣態三聚氰胺中伴有副產物，這是最終產品所必須去除的。設置熱氣冷卻系統就是為了使氣態三聚氰胺從385±2℃降至320±2℃、滿足高沸點副產物的結晶條件，其熱量是通過道生換熱系統移走的（道生也稱導熱油，是聯苯和聯苯醚的混合物，重量比26%聯苯+74%聯苯醚）。道生溫度與壓力有如下對應關系如表1所示。

         表1

        

    由此可見，只要穩定好壓力就能控制好溫度，其依據是PV=nRT氣態方程。本系統是通過調節氮氣來控制道生系統的壓力，進而達到控制溫度的目的,采用分程控制，A閥采用氣開式，B閥采用氣閉式，控制器采用反作用。如圖5所示。
             

                                        圖5-a  道生系統份程控制方塊圖
               

              圖5-b  道生系統控制方案       圖5-c  道生系統分程閥特性

    為了保證高溫點控制在320±5℃，控制器的控制點壓力給定為0.239MPa。當熱氣冷卻系統溫度升高時意味著道生系統的壓力升高，則出現正偏差；而控制器是反作用，因此它的輸出將減小而低于0.239MPa，這時由特性圖可以看出A閥是全關的，B閥卻因控制器輸出壓力低于0.239MPa而打開，這樣道生系統的一部分氮氣將通過放空管放空，其壓力將逐漸下降；當道生系統的壓力下降時，控制器將感受到負偏差，于是控制器輸出將增大而高于0.239MPa，這時B閥關閉而A閥打開，氮氣被補充到道生系統。也就是說，通過A、B兩個分程閥動作的結果，都能保持道生系統的壓力穩定，從而達到穩定溫度的控制目標。

    由于實際壓力總會在給定值0.239MPa附近波動，這將導致A、B兩閥頻繁動作，影響到閥門的使用壽命，為了改善這一現狀，在兩閥信號交接處設置一個不靈敏區。如特性圖所示，當控制器輸出信號在0.0584~0.0616MPa范圍變化時A、B閥都處于全關位置不動，這樣做既對延長閥門使用壽命有好處，又會使控制過程變化趨于緩慢，系統也更為穩定。 

            

                                 圖6   熱氣冷卻組態畫面

    4.3 熱氣過濾與除塵控制。

    尿素在高溫分解生成三聚氰胺過程中產生的副產物（即高溫點副產物-蜜勒胺、蜜伯胺），通過高溫點控制單元開始結晶，同時氣態三聚氰胺含有未分離下來的催化劑細粉。這些副產物直接關系到最終產品的質量和裝置的運行周期，因此對這一單元中除了對三通閥的靈敏度、泄漏量有嚴格要求外，對控制時序、反吹時間、間隔時間也提出嚴格的要求。同時在工藝上對反吹氨氣的壓力、溫度也有要求：如果反吹氨氣壓力過高會吹壞濾袋影響產品質量，壓力過低結在過濾網的副產物吹除不掉而影響運轉周期；如果反吹氨氣溫度過低會導致三聚氰胺提前結晶在副產物中而影響轉化率。通過對上述工藝要求的深入研究，利用HOLLiAS-MACS的 SFC功能實行自動順序反吹除塵，避免了人工手動操作的隨意性。每套過濾器有6組、264根過濾網， 反吹時間和反吹間隔時間根據工藝狀態可以調整。其中的部分程序流程畫面如圖7、圖8所示。

               

                                          圖7   除塵系統組態畫面

                

                                       圖8   程序流程畫面

    4.4 供熱系統保護

    三聚氰胺合成是吸熱反應，所需熱量由熔鹽系統供給。熔鹽是由硝酸鈉、亞硝酸鈉和硝酸鉀按特定比例組成的混合物（重量比為40％：7％：53％），熔點為142℃，工作狀態為液相，溫度430℃～440℃。為了防止熔鹽氧化而出現組份變化，需要用氮氣進行密封保護，使熔鹽貯槽始終保持微正壓。正常時用A閥（氣閉閥）進行自動調節使熔鹽貯槽的氮氣壓力穩定在0.01Mpa，而B閥（氣開閥）處于關閉狀態；當熔鹽貯槽壓力超高時A閥逐漸關閉B閥逐漸打開，直至熔鹽貯槽壓力穩定在0.01Mpa。控制原理與道生系統類似，控制方案及組態如圖9、圖10所示。

          

                                圖9   熔鹽系統組態畫面
           

                               圖10   熔鹽系統控制方案圖

    其中SPLIT為自定義分程點功能塊。

    4.5 壓縮機防喘振控制與主軸推力、軸向位移和徑向振動聯鎖保護

    三聚氰胺裝置中采用離心式壓縮機作為工藝氣體循環設備，它是裝置的心臟. 離心式壓縮機具有體積小、流量大、運行效率高、氣量可控范圍廣等優點在石化行業得到廣泛應用，但它也有因工況變化極易發生“喘振”缺點。因此，離心式壓縮機的防喘振控制和聯鎖保護顯的特別重要。

    （1）壓縮機防喘振控制

    “喘振”是離心式壓縮機的固有特性，通常有兩種控制方案：固定極限流量防喘振控制和可變極限流量防喘振控制。在三聚氰胺裝置采用固極限流量防喘振控制方案。在一般情況下，負荷的減小是壓縮機喘振的主要原因，因此，要保證壓縮機不出現喘振，必須在任何轉速下，通過壓縮機的實際流量都不小于喘振極限所對應的極限流量Qp，根據這個基本思路，可采取壓縮機的循環流量法。即當負荷減小時，采取部分回流的方法。而回流的大小既要保證壓縮機不進入喘振區，又不能減小流化床反應器的最低氣速。

    在DCS組態充分利用HOLLiAS-MACS的靈活性：當Q＜Qp時，讓防喘振控制器處于自動跟蹤狀態，選擇合適的跟蹤量點，既滿足了工藝的要求，又防止了喘振的出現。如圖11所示。

            

                            圖11   控制方案及組態圖

    （2）主軸推力、軸向位移和徑向振動聯鎖保護

    在三聚氰胺生產過程中，由于外來機械雜質進入被壓縮介質、或因工藝氣液分離系統工作異常而造成氣路管網狀態嚴重惡化使壓縮機進入“喘振”區、或壓縮機本身出現機械故障導致壓縮機的轉速失衡，使軸位移和軸振動發生異常，有時壓縮機輔助系統如潤滑油系統、冷卻水系統異常等，這些異常如果沒有提前預警、得不到及時處理會造成壓縮機停車。而突然停車又會導致流化床反應器瞬間死床，這將造成嚴重的設備事故。HOLLiAS-MACS系統具有可靠性高、響應速度快、組態方便等優點，在三聚氰胺裝置中將壓縮機的聯鎖保護（包括油路系統、電機繞組、氣路系統）全部由DCS實現，取得了良好的效果。
           

                             圖12    壓縮機聯鎖保護監控畫面



                                                              ——轉自《自動化博覽》