【正文】 理，一般不能隨便倒在合成塔附近的地上堆積，而應(yīng)該備有噴水器，以保持催化劑潮濕，并及時(shí)地將它運(yùn)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(nèi)件結(jié)構(gòu)比較復(fù)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?dú)鈦砑右员Ｗo(hù)，防止空氣進(jìn)入而造成過熱。在氮?dú)獠蛔銜r(shí)，需要用一個(gè)循環(huán)泵將催化劑從合成塔內(nèi)件中抽出。 系統(tǒng)概述氨合成循環(huán)包括合成塔、循環(huán)機(jī)、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(duì)合成塔進(jìn)行討論。在合成塔中進(jìn)行氨合成反應(yīng),反應(yīng)時(shí)體積縮小，從熱力學(xué)和動(dòng)力性的考慮應(yīng)有催化劑的幫助，并在加壓和升溫的條件下進(jìn)行，要求反應(yīng)氣體預(yù)熱至一定溫度以后，再進(jìn)入催化劑床層，而且隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，又要求反應(yīng)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(shí)，由于反應(yīng)是放熱的，因此可以利用反應(yīng)熱本身來加熱反應(yīng)氣體至入口溫度水平。所以，過程是所謂“自熱的”.在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常可以用兩種方法來實(shí)現(xiàn)這樣的最適宜溫度分布：一種是多層床，每床層中反應(yīng)是在絕熱下進(jìn)行的，而在層間進(jìn)行冷卻調(diào)節(jié)，反應(yīng)和冷卻依次交替進(jìn)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(jìn)行連續(xù)的換熱、反應(yīng)氣體的預(yù)熱和產(chǎn)品的冷卻大都在合成塔的下部（床外）換熱器中進(jìn)行，通過換熱，以保證反應(yīng)氣體達(dá)到要求的入口溫度水平，黨催化劑老化時(shí)，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(duì)新催化劑肯定是太大的，所以需要設(shè)一個(gè)冷氣旁路線（冷副線閥）來調(diào)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(nèi)用三重套管作冷管，來移去反應(yīng)熱：下部是分成兩段的換熱器。反應(yīng)氣體主流從高壓外胴頂部進(jìn)入合成塔，通過外胴和內(nèi)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(diào)節(jié)至所需的液化劑床層入口溫度，反應(yīng)氣體進(jìn)入冷管的內(nèi)管向上流。因?yàn)閮?nèi)管是由兩重套管組成的死氣層，所以可以認(rèn)為在內(nèi)管中基本上是絕熱的，至內(nèi)管的頂端折向下,在內(nèi)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(jìn)入中心管向上，中心管內(nèi)設(shè)有電加熱器，開工升溫時(shí)使用，正常生產(chǎn)時(shí)中心管僅作為氣體通道，在中心管頂部氣流折向下，進(jìn)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(yīng)熱不斷地移去，床層溫度經(jīng)過一最高點(diǎn)即“熱點(diǎn)”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(yīng)熱副產(chǎn)蒸汽，產(chǎn)品氣體溫度進(jìn)一步降低，然后又回入下段換熱器管程，最后與反應(yīng)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(jìn)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(jìn)口溫度，它們是床層和換熱器的聯(lián)結(jié)點(diǎn)同時(shí)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(duì)于控制系統(tǒng)的選取，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的控制對(duì)象、控制要求，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(duì)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(fù)荷變化的一項(xiàng)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(jìn)口氨含量在分離能力確定的情況下,塔進(jìn)口氨含量取決于氨蒸發(fā)器出口循環(huán)氣溫度。有關(guān)資料介紹,經(jīng)動(dòng)態(tài)測試此溫度每變化3時(shí),塔內(nèi)催化劑層溫度出現(xiàn)最大偏差,熱點(diǎn)可達(dá)15。如果帶氨,會(huì)造成合成塔事故性垮溫。(3)有害氣體CO+CO2進(jìn)入工段之前應(yīng)降低到25106以下,否則將導(dǎo)致催化劑中毒,因而切氣會(huì)造成負(fù)荷大幅度波動(dòng),對(duì)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(dòng)。2. 負(fù)荷影響一般中小型合成氨廠的開停機(jī),加減量機(jī)會(huì)多,干擾影響比較大,干擾的階躍特征明顯。這對(duì)系統(tǒng)的影響比氣體成分更顯著。負(fù)荷增加,溫度上升；負(fù)荷減少,溫度下降。由于負(fù)荷的變化,升、降溫速率也發(fā)生變化,但是負(fù)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(shí)際是一種調(diào)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(huì)對(duì)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(dāng)循環(huán)機(jī)開機(jī)數(shù)一定時(shí),通常通過調(diào)節(jié)近路閥,調(diào)節(jié)循環(huán)量的大小。手動(dòng)操作中,手動(dòng)近路閥是動(dòng)作十分頻繁的操作手段。自動(dòng)調(diào)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(diǎn)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(duì)象進(jìn)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(diǎn)，對(duì)一次副線流量為控制通道，一次副線流量調(diào)節(jié)閥為控制閥。采用單回路控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)原理如圖21所示。由控制系統(tǒng)原理圖可知，當(dāng)干擾如負(fù)荷出現(xiàn)擾動(dòng)，使得原來的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，熱點(diǎn)溫度偏離穩(wěn)態(tài)值?？刂破鞯玫捷斎胄盘?hào)后調(diào)節(jié)副回路控制閥來改變副回路氣體流量，使合成反應(yīng)向原有的平衡進(jìn)行，經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)整后，熱點(diǎn)溫度將重新達(dá)到新設(shè)定值或其附近，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定平衡工況。對(duì)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(diào)節(jié)是歷史最悠久的、控制性能最強(qiáng)的基本調(diào)節(jié)方式。PID調(diào)節(jié)原理簡單、易于整定、使用方便；PID調(diào)節(jié)可用于補(bǔ)償系統(tǒng)使之達(dá)到大多數(shù)品質(zhì)指標(biāo)的要求。 被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型在建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的過程中，其主要工作是確定被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。然而，許多工業(yè)對(duì)象結(jié)構(gòu)及內(nèi)部工藝過程復(fù)雜，使得按對(duì)象內(nèi)部發(fā)生的物理、化學(xué)過程確定對(duì)象及系統(tǒng)的微分方程十分困難。此外，應(yīng)用分析法確定被控對(duì)象及控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，常采用一些假設(shè)和近似，對(duì)于復(fù)雜的被控對(duì)象，其錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用可能會(huì)對(duì)近似確定的數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生估計(jì)不到的影響。因此，即使在已用得到數(shù)學(xué)模型的情況下，仍希望通過實(shí)驗(yàn)測定法加以驗(yàn)證。對(duì)于正常運(yùn)行中的控制系統(tǒng)或?qū)ο?，用?shí)驗(yàn)測定其動(dòng)態(tài)特性時(shí)，對(duì)正常生產(chǎn)會(huì)有些影響，所得結(jié)果頗為粗略，但仍不失為了解對(duì)象或系統(tǒng)的簡易途徑，在工程實(shí)踐中應(yīng)用較廣[10]。要采用溫度控制的方案，則必須確定檢測點(diǎn)位置。在不同位置的溫度響應(yīng)情況差異很大。從控制角度看檢測點(diǎn)的選擇應(yīng)為變化靈敏，對(duì)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(gè)維持穩(wěn)定操作的內(nèi)在規(guī)律，就是當(dāng)參數(shù)變化時(shí)，如果能采取相應(yīng)措施，把床層頂部溫度始終維持基本恒定，則結(jié)果就可以使自熱欲度保持在合適的范圍內(nèi)，而不致失去穩(wěn)定性。從此就明白地揭示了對(duì)象氨合成塔這樣復(fù)雜的一個(gè)反應(yīng)器，但在操作時(shí)只需控制好一個(gè)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(diǎn)位置?？紤]實(shí)際控制的需要，有必要探求簡單而又切實(shí)可行的控制模型，從已獲得的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線出發(fā)，對(duì)一次副線流量通道，對(duì)建議的檢測點(diǎn)位置可采用的結(jié)構(gòu)形式作為其簡化控制模型[12]。采用實(shí)驗(yàn)測定法測量被控對(duì)象的數(shù)學(xué)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(shí)踐表明它可以成功地運(yùn)用于PID調(diào)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(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行整理，得到二階傳遞函數(shù)如(42)所示。 (42)第5章 PLC的設(shè)計(jì)和仿真 控制系統(tǒng)利用FB41實(shí)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(duì)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(nèi)部或外部擾動(dòng)影響的功能。 設(shè)計(jì)PLC程序 簡要介紹運(yùn)行程序設(shè)計(jì)的PLC程序設(shè)計(jì)包括：啟動(dòng)組織塊OB100，定時(shí)循環(huán)中斷組織塊OB35,用于“仿真二階對(duì)象”的功能塊FB100及其背景數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)塊DB100啟動(dòng)PLC時(shí)CPU自動(dòng)執(zhí)行OB100，CPU正常啟動(dòng)后每隔固定時(shí)間間隔自動(dòng)調(diào)用一次OB35，執(zhí)行OB35的時(shí)間間隔可在硬件組態(tài)CPU屬性設(shè)置對(duì)話欄的“循環(huán)中斷”選項(xiàng)中設(shè)置。編程時(shí)應(yīng)分別在OB100和OB35 中調(diào)用FB41。在創(chuàng)建ETEP7項(xiàng)目并進(jìn)行硬件組態(tài)后，用戶即可在相應(yīng)的邏輯塊中輸入相應(yīng)的程序。本設(shè)計(jì)用FB100仿真二階對(duì)象，該二階對(duì)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(shè)置DB100的背景數(shù)據(jù)塊，單擊【OK】按鈕完成設(shè)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(shí)變量。生成的輸入變量、輸出變量、靜態(tài)變量以及臨時(shí)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?jǐn)?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(shí)間常數(shù)1TM_LAG2Time T10S時(shí)間常數(shù)2TM_LAG3TimeT10S時(shí)間常數(shù)3BoolFALSE完全重新啟動(dòng)CYCLETimeT1S采樣時(shí)間表52 FB100的輸出（OUT）變量名字?jǐn)?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?jǐn)?shù)據(jù)類型地址初始值注釋sRueck1Real+000反饋?zhàn)兞?sRueck2Real+000反饋?zhàn)兡?表53續(xù) FB100的靜態(tài)（STAT）變量sRueck3Real+000反饋?zhàn)兞?表54 FB100的臨時(shí)（TEMP）變量名字?jǐn)?shù)據(jù)類型地址注釋HvarReal幫助變量rCycleReal浮點(diǎn)數(shù)格式的采樣時(shí)間rTmLag1Real浮點(diǎn)數(shù)格式的時(shí)間常數(shù)1rTmLag2Real浮點(diǎn)數(shù)格式的時(shí)間常數(shù)2rTmLag3Real浮點(diǎn)數(shù)格式的時(shí)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