【正文】 理，一般不能隨便倒在合成塔附近的地上堆積，而應該備有噴水器，以保持催化劑潮濕，并及時地將它運走，或盡快地散開在敞開的地面上鋪成一薄層。在大多數(shù)合成塔內件結構比較復雜，不能利用人孔直接卸出催化劑的場合，也可以利用真空提取裝置通過頂蓋卸出催化劑，但必須有充足的氮氣來加以保護，防止空氣進入而造成過熱。在氮氣不足時，需要用一個循環(huán)泵將催化劑從合成塔內件中抽出。 系統(tǒng)概述氨合成循環(huán)包括合成塔、循環(huán)機、一系列的換熱器以及分離器等，其中氨合成塔是中心，本文針對合成塔進行討論。在合成塔中進行氨合成反應,反應時體積縮小，從熱力學和動力性的考慮應有催化劑的幫助，并在加壓和升溫的條件下進行，要求反應氣體預熱至一定溫度以后，再進入催化劑床層，而且隨著反應的不斷進行，又要求反應溫度逐漸降低，以保證催化劑床層具有最適宜的溫度分部。同時，由于反應是放熱的，因此可以利用反應熱本身來加熱反應氣體至入口溫度水平。所以，過程是所謂“自熱的”.在實際生產(chǎn)中，經(jīng)?？梢杂脙煞N方法來實現(xiàn)這樣的最適宜溫度分布：一種是多層床，每床層中反應是在絕熱下進行的，而在層間進行冷卻調節(jié)，反應和冷卻依次交替進行；另一種是單層床，用埋在床層中的換熱管（即所謂“冷管”）間接進行連續(xù)的換熱、反應氣體的預熱和產(chǎn)品的冷卻大都在合成塔的下部（床外）換熱器中進行，通過換熱，以保證反應氣體達到要求的入口溫度水平，黨催化劑老化時，要求入口溫度升高。因此，換熱器必須具有足夠大的換熱面來滿足它。這樣大小的換熱面積對新催化劑肯定是太大的，所以需要設一個冷氣旁路線（冷副線閥）來調節(jié)換熱以后的氣體溫度，以保證所需的溫度水平[9]。中型合成氨廠廣為采用的“三套管”式合成塔，其上部是催化劑床層，床內用三重套管作冷管，來移去反應熱：下部是分成兩段的換熱器。反應氣體主流從高壓外胴頂部進入合成塔，通過外胴和內件胴體間的環(huán)隙向下，至底部，折入下部換熱器的殼程，依次經(jīng)下段和上段與產(chǎn)品氣流間接換熱。冷副線氣體從此處加入，與主氣流混合，通過改變冷副線的分率，將氣體溫度調節(jié)至所需的液化劑床層入口溫度，反應氣體進入冷管的內管向上流。因為內管是由兩重套管組成的死氣層，所以可以認為在內管中基本上是絕熱的，至內管的頂端折向下,在內外套管的環(huán)隙中流過，并不斷與床層換熱，溫度隨之上升，到催化劑床層下端進入中心管向上，中心管內設有電加熱器，開工升溫時使用，正常生產(chǎn)時中心管僅作為氣體通道，在中心管頂部氣流折向下，進入催化劑床層。在催化劑床層中，先經(jīng)過絕熱層，氣體溫度單值地升高；再是冷管冷卻層，使反應熱不斷地移去，床層溫度經(jīng)過一最高點即“熱點”以后，逐漸下降，并盡可能接近于最適宜溫度分布，最后出催化劑床層。然后氣體繼續(xù)通過上段換熱器管程，由于傳熱溫度有所降低，到上段換熱器管程出口，引至廢熱鍋爐，回收利用部份反應熱副產(chǎn)蒸汽，產(chǎn)品氣體溫度進一步降低，然后又回入下段換熱器管程，最后與反應氣體換熱后出塔。從上看出，下部換熱器殼程的出口溫度，也是催化劑床層的進口溫度；而催化劑床層的出口溫度，也是下部換熱器管程的進口溫度，它們是床層和換熱器的聯(lián)結點同時表征著床層和換熱器狀態(tài)。第4章 控制策略的選擇 氨合成塔控制系統(tǒng)分析 控制方案的選取對于控制系統(tǒng)的選取，應當根據(jù)具體的控制對象、控制要求，經(jīng)濟指標等諸多因素，選用合適的控制系統(tǒng)。第三章分析了氨合成系統(tǒng)的工藝流程和對象特性，下面分析影響床層溫度的主要干擾因素。影響床層溫度的主要干擾因素有：1. 氣體成分(1)氫氮比這是僅次于負荷變化的一項主要干擾因素。由于流程長,惰性氣體多,而且有累積特性,本工段無法控制。(2)合成塔進口氨含量在分離能力確定的情況下,塔進口氨含量取決于氨蒸發(fā)器出口循環(huán)氣溫度。有關資料介紹,經(jīng)動態(tài)測試此溫度每變化3時,塔內催化劑層溫度出現(xiàn)最大偏差,熱點可達15。如果帶氨,會造成合成塔事故性垮溫。(3)有害氣體CO+CO2進入工段之前應降低到25106以下,否則將導致催化劑中毒,因而切氣會造成負荷大幅度波動,對控制的干擾更大。(4)惰性氣體CH4和Ar具有累積特性,使得溫度波動。2. 負荷影響一般中小型合成氨廠的開停機,加減量機會多,干擾影響比較大,干擾的階躍特征明顯。這對系統(tǒng)的影響比氣體成分更顯著。負荷增加,溫度上升；負荷減少,溫度下降。由于負荷的變化,升、降溫速率也發(fā)生變化,但是負荷的變化主要是由全廠總的生產(chǎn)能力所決定,基本來自外工段的干擾。3. 循環(huán)量變化循環(huán)量實際是一種調節(jié)手段,而不是一種干擾；但是因其他原因改變循環(huán)量,也會對系統(tǒng)造成干擾。循環(huán)量改變空速,空速大,移出的熱量多,溫度下降。反之,溫度上升。當循環(huán)機開機數(shù)一定時,通常通過調節(jié)近路閥,調節(jié)循環(huán)量的大小。手動操作中,手動近路閥是動作十分頻繁的操作手段。自動調節(jié)中,自控近路閥則常用來克服其他干擾。4. 催化劑活性隨著催化劑使用壽命的延續(xù),其活性逐漸衰變,熱點位置下移。不同的催化劑,不同使用條件,衰變的規(guī)律也不同。本文以三套管式氨合成塔為對象進行分析研究。由以上分析，選取催化劑床層頂部位置為測溫點，對一次副線流量為控制通道，一次副線流量調節(jié)閥為控制閥。采用單回路控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)原理如圖21所示。由控制系統(tǒng)原理圖可知，當干擾如負荷出現(xiàn)擾動，使得原來的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，熱點溫度偏離穩(wěn)態(tài)值?？刂破鞯玫捷斎胄盘柡笳{節(jié)副回路控制閥來改變副回路氣體流量，使合成反應向原有的平衡進行，經(jīng)過一段時間的調整后，熱點溫度將重新達到新設定值或其附近，系統(tǒng)恢復穩(wěn)定平衡工況。對于一般用前饋控制來解決系統(tǒng)滯后的問題，由于氨合成系統(tǒng)各種干擾的相互作用以及各種干擾難以測量，因此很難選擇合適的前饋控制器來解決此問題。PID調節(jié)是歷史最悠久的、控制性能最強的基本調節(jié)方式。PID調節(jié)原理簡單、易于整定、使用方便；PID調節(jié)可用于補償系統(tǒng)使之達到大多數(shù)品質指標的要求。 被控對象的數(shù)學模型在建立控制系統(tǒng)數(shù)學模型的過程中，其主要工作是確定被控對象的數(shù)學模型。然而，許多工業(yè)對象結構及內部工藝過程復雜，使得按對象內部發(fā)生的物理、化學過程確定對象及系統(tǒng)的微分方程十分困難。此外，應用分析法確定被控對象及控制系統(tǒng)數(shù)學模型時，常采用一些假設和近似，對于復雜的被控對象，其錯綜復雜的相互作用可能會對近似確定的數(shù)學模型產(chǎn)生估計不到的影響。因此，即使在已用得到數(shù)學模型的情況下，仍希望通過實驗測定法加以驗證。對于正常運行中的控制系統(tǒng)或對象，用實驗測定其動態(tài)特性時，對正常生產(chǎn)會有些影響，所得結果頗為粗略，但仍不失為了解對象或系統(tǒng)的簡易途徑，在工程實踐中應用較廣[10]。要采用溫度控制的方案，則必須確定檢測點位置。在不同位置的溫度響應情況差異很大。從控制角度看檢測點的選擇應為變化靈敏，對控制能提供正確的信息。由仿真分析可知，我們可以找到一個維持穩(wěn)定操作的內在規(guī)律，就是當參數(shù)變化時，如果能采取相應措施，把床層頂部溫度始終維持基本恒定，則結果就可以使自熱欲度保持在合適的范圍內，而不致失去穩(wěn)定性。從此就明白地揭示了對象氨合成塔這樣復雜的一個反應器，但在操作時只需控制好一個參數(shù)，即催化劑床層頂部溫度，就可以有效地維持穩(wěn)定操作，這樣為制定控制方案提出了理論依據(jù)和便捷的途徑[11]。因此催化劑床層頂部位置是比較理想的溫度檢測點位置?？紤]實際控制的需要，有必要探求簡單而又切實可行的控制模型，從已獲得的動態(tài)響應曲線出發(fā)，對一次副線流量通道，對建議的檢測點位置可采用的結構形式作為其簡化控制模型[12]。采用實驗測定法測量被控對象的數(shù)學模型，并用有延遲一階慣性環(huán)節(jié)擬合的近似法求其傳遞函數(shù)。這種近似擬合的精度雖然不高，但實踐表明它可以成功地運用于PID調節(jié)器的參數(shù)整定[13]。下面為某化工廠合成氨系統(tǒng)中氨合成塔的延遲一階慣性環(huán)節(jié)擬合的近似法得其傳遞函數(shù)如式（41）所示。 (41)對傳遞函數(shù)進行整理，得到二階傳遞函數(shù)如(42)所示。 (42)第5章 PLC的設計和仿真 控制系統(tǒng)利用FB41實現(xiàn)單回路的PID控制系統(tǒng)的方框圖，如圖51所示圖51 單回路的PID控制系統(tǒng)的方框圖由圖51可知，控制系統(tǒng)由PID控制器（用連續(xù)PID控制器FB41代替）和二階對象（由功能塊FB100仿真）組成。該系統(tǒng)的控制目的，是使被控量OUTV等于給定值SP_INT所期望的值，且具有減少或消除來自系統(tǒng)內部或外部擾動影響的功能。 設計PLC程序 簡要介紹運行程序設計的PLC程序設計包括：啟動組織塊OB100，定時循環(huán)中斷組織塊OB35,用于“仿真二階對象”的功能塊FB100及其背景數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)塊DB100啟動PLC時CPU自動執(zhí)行OB100，CPU正常啟動后每隔固定時間間隔自動調用一次OB35，執(zhí)行OB35的時間間隔可在硬件組態(tài)CPU屬性設置對話欄的“循環(huán)中斷”選項中設置。編程時應分別在OB100和OB35 中調用FB41。在創(chuàng)建ETEP7項目并進行硬件組態(tài)后，用戶即可在相應的邏輯塊中輸入相應的程序。本設計用FB100仿真二階對象，該二階對象的傳遞函數(shù)如式（51）所示 （51） 程序的編寫1） 在FB100中生成程序的步驟如下（1），執(zhí)行菜單命令“Insert”→“S7Block”→“Function Block”生成功能塊DB100，出現(xiàn)“PropertiesData Block”的窗口，在該窗口中設置DB100的背景數(shù)據(jù)塊，單擊【OK】按鈕完成設置。（2）生成FB100的局部變量。在FB100的變量生命表中生成輸入變量、輸出變量、靜態(tài)變量以及臨時變量。生成的輸入變量、輸出變量、靜態(tài)變量以及臨時變量分別如表5表5表5表5表55所列。表51 FB100的輸入（IN）變量名字數(shù)據(jù)類型地址初始值注釋INVReal+000輸入值DISVReal+000干擾值GAINReal+000比例增益TM_LAG1TimeT10S時間常數(shù)1TM_LAG2Time T10S時間常數(shù)2TM_LAG3TimeT10S時間常數(shù)3BoolFALSE完全重新啟動CYCLETimeT1S采樣時間表52 FB100的輸出（OUT）變量名字數(shù)據(jù)類型地址初始值注釋OUTVReal+000輸出值表53 FB100的靜態(tài)（STAT）變量名字數(shù)據(jù)類型地址初始值注釋sRueck1Real+000反饋變量1sRueck2Real+000反饋變臉2表53續(xù) FB100的靜態(tài)（STAT）變量sRueck3Real+000反饋變量3表54 FB100的臨時（TEMP）變量名字數(shù)據(jù)類型地址注釋HvarReal幫助變量rCycleReal浮點數(shù)格式的采樣時間rTmLag1Real浮點數(shù)格式的時間常數(shù)1rTmLag2Real浮點數(shù)格式的時間常數(shù)2rTmLag3Real浮點數(shù)格式的時間常數(shù)3OutvNewReal新輸出變量生成局部變量的FB100的變量聲明表如圖52所示圖52 FB100的變量聲明表（3）在FB100中生成語句表程序。在FB100中生成如下的語句表程序，該程序可以完成式(42)的功能。Newwork：SET SAVE = L A COM_RST JCN M001 L INV //plete restart routine T OUTV //write output data T sRueck1 //write static data T sRueck2 T sRueck3 JU M002M001: L CYCLE //cycle mode routine DTR //transform data type T rCycle L TM_LAG1 DTR T rTmLag1 L TM_LAG2 DTR T rTmLag2 L TM_LAG3 DTR T rTmLag3 L rCycle //limit TM_LAG1 L *R L rTmLag1 TAK R JCN M003 L rCycle //limit TM_LAG2 L *R T rTmLag1M003: L rCycle L *R L rTmLag2 TAK R JCN M0