金新化工尿素装置氨碳比控制系统的设计优化

毛大军

（呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021506）

0 引 言

在尿素合成系统中，氨与CO2反应生成甲铵、甲铵再脱水生成尿素，为保证尿素合成塔内能量的平衡以及尿素合成系统的稳定运行，提高CO2转化率、降低系统能耗，在汽提法尿素工艺控制中，要求对尿素合成塔出液氨碳比进行很好地控制，以使各反应物浓度保持一个固定的比值。传统的尿素合成塔出液氨碳比采用人工取样分析或使用气相色谱在线分析的方式，存在测量滞后或氨碳比不能直接显示等弊端。

呼伦贝尔金新化工有限公司（简称金新化工）800 kt／a尿素装置采用荷兰Stamicarbon公司CO2汽提工艺，尿素合成塔液相氨碳比分析仪采用的是Stamicarbon公司研发的专利技术，并委托AMEC SPIE公司生产氨碳比分析系统。在一定的温度和压力条件下，尿素合成塔出液密度与氨碳比呈线性关系，通过测量尿液的密度可得出相应的氨碳比，从而可实现尿素合成塔出液氨碳比的实时在线监测。然而，由于氨与CO2反应生成尿素需要较长的时间，直接采用尿素合成塔出液氨碳比控制存在一定的滞后性，因此还有必要通过尿素合成塔进料氨碳比（即原料液氨与CO2的摩尔比）来间接控制尿素合成塔出液氨碳比。

1 尿素合成系统工艺流程简介

金新化工尿素合成系统工艺流程简图见图1。氨合成界区来的液氨经高压氨泵（P102A／B）进入高压喷射器（J201），与高压洗涤器内的甲铵液以及汽提塔（E201）顶部出来的NH3和CO2汽提气一起进入卧式高压池式冷凝器（E205）混合，在此NH3和CO2大部分冷凝生成甲铵，并有部分甲铵脱水生成尿素，生成的甲铵和尿素混合液与未冷凝的气体分别从池式冷凝器（E205）顶部的液相管和气相管离开，进入尿素合成塔（R201）底部。尿素合成塔（R201）是一个直立式高压反应器，物料自下而上由塔底到塔顶，从R201顶部出来的NH3、CO2和惰性气体混合物进入高压洗涤器（E203），气体中的NH3和CO2被稀甲铵液吸收后进入高压喷射器（J201）；R201上部的尿液混合物，从塔内上升到正常液位后，经溢流管离开R201，进入汽提塔（E201）顶部，汽提后从汽提塔底部经调节阀（LV2102）控制后进入循环系统精馏塔（C303）。

图1 尿素合成系统工艺流程简图

2 氨碳比分析系统工作原理及其构成

2.1 氨碳比分析系统工作原理

氨碳比分析仪的工作原理基于共振频率技术（使用管式振动），可测量出非常准确、稳定的尿液密度值，且维护工作量小，经初始调试后可长期运行。氨碳比实质是尿液中氨与CO2的摩尔数之比，在一定条件下，尿素合成塔液相的密度与氨碳比之间呈线性关系，如图2。氨碳比分析仪密度池的设计工作条件是温度为50℃、压力为2.0 MPa、流量40～70 L／h，氨碳比从2.50～3.50分别对应4～20 mA的电流信号。为了达到最佳的分析条件，氨碳比分析系统设计了降温减压装置和防止管路结晶的冲洗设备等。

图2 氨碳比与尿液密度的线性关系图

氨碳比分析系统的核心设备是密度传感器，其他设备和工艺设施都是为了使样品在密度传感器中达到设计工作条件，经密度传感器测量后输出4～20 mA电流信号至DCS系统显示，以指导主控人员调整进料比例，或直接参与先进控制方案达到实时在线控制系统运行的目的。

2.2 氨碳比分析系统的构成

金新化工尿素合成塔出液压力约14 MPa、温度175～185℃，因此氨碳比分析系统需要对样品进行相应的处理，达到样品分析条件，以保证尿液密度与氨碳比之间的最佳线性关系。

氨碳比分析系统的主要构成如图3。尿素合成塔出口液相管线的尿液样品经过2个截止阀和1个整体阀（整体阀是一个带夹套的三通阀，其中2个为手动型常开阀，另外1个是气动控制的常关阀XV2301）后进入取样系统，样品首先经冷却器冷却［通过DCS系统控制冷却器入口调节阀（TV2301）来控制进入冷却器的水量］至50℃，然后经分析柜中的毛细管减压器大幅减压，并将样品流量控制在60 L／h左右，最后由安装在密度传感器下游的背压式调节阀（PICV2303）将样品压力控制在2.0 MPa。

图3 氨碳比分析系统主要构成示意图

为保证密度传感器中的样品温度恒定在50℃，氨碳比分析柜内安装有1台电加热器，当分析柜内温度偏离50℃时，系统将自动启动或停运电加热器。氨碳比分析柜中还配置了防样品管路结晶的自动冲洗装置，安装了温度开关（TSH2305）、流量开关（FISL2304）、压力报警开关（PISH2301）等，并设计了自动冲洗逻辑，当样品压力大于3.0 MPa或温度高于60℃或流量小于30 L／h，任何一个条件满足冲洗水泵（P2301）就会自动启动运行，气动开关阀（XV2301）自动打开，冲洗系统执行冲洗功能。

3 尿素合成系统氨碳比控制

3.1 氨碳比控制系统设计原理

氨碳比分析仪取样点位于尿素合成塔与汽提塔之间的液相管线上，据CO2汽提法尿素装置工艺技术要求，尿素合成塔液相氨碳比应控制在2.9，为了使尿素合成反应向正向进行，应增加反应物浓度，即需提高进入尿素合成塔的液氨或CO2的量；因后系统回收处理CO2比较困难，而吸收多余的氨相对较容易，因此通常是调整进料液氨量，使尿素合成塔出液氨碳比保持在3.00～3.15之间。

原料进入尿素合成系统反应生成尿液的时间为60～80 min，时滞较长，为了使尿素合成塔出液氨碳比始终在指标范围内，需及时控制进入尿素合成系统的液氨量，即对原料液氨与CO2的摩尔比（简称进料氨碳比）进行控制，具体计算公式如下：

式中 K——进料氨碳比；

n1——液氨的摩尔流量，kmol／h；

ρ——液氨的密度，kg／m3；

qv1——高压氨泵出口总管液氨流量，m3／h；

M——氨的摩尔质量，g／mol；

n2——CO2的摩尔流量，kmol／h；

qv2——标态下的CO2流量，m3／h；

V——气体摩尔体积，22.4 L／mol。

由尿素合成反应方程式2NH3+CO2CO（NH2）2+H2O来看，进料氨碳比至少需大于2；增加反应物浓度，有利于反应朝正反应方向进行，过剩的氨可以抑制副反应的发生，但过度提高氨碳比会导致尿素合成塔内的转化率降低，增大反应物中氨的回收量，增加系统蒸汽消耗。

3.2 原料液氨流量控制原理

尿素合成系统原料液氨流量控制原理如图4所示。原料液氨由氨合成界区送来，经高压氨泵（P102A／B，离心泵）进入高压喷射器（J201），P102A／B（P102A由蒸汽透平驱动；P102B由电机驱动，电机在工频下运行）入口有远传涡街流量计，出口分别设置有回流调节阀FV1203和FV1204；液氨通过P102A／B提压至17.1 MPa，P102A／B出口总管上安装有孔板流量计（FT1202）及液氨流量控制阀（FV1202），调节进入尿素合成系统的液氨量，以维持正常生产时的进料氨碳比在2.05左右。

图4 尿素合成系统原料液氨流量控制原理示意

3.3 氨碳比控制系统设计优化

尿素装置氨碳比控制系统，主要通过调节原料液氨流量来保证尿素合成塔出液氨碳比在工艺指标范围内。设计之初通过简单控制系统直接控制原料液氨的流量，尿素合成塔出液氨碳比波动较大，系统能耗高。为有效控制尿素合成塔出液氨碳比，将进料氨碳比与液氨量设计成串级控制回路（如图5所示）；其中，进料氨碳比为主变量，高压氨泵（P102A）透平转速（SE9604）或液氨流量（FT1202）为副变量，即主调节器是进料氨碳比调节器，副调节器是P102A透平转速或高压氨泵出口总管液氨流量调节器。

图5 氨碳比串级控制系统示意图

氨碳比串级控制系统相较于原料液氨流量简单控制系统，改善了对象特性，对进入副回路的扰动具有较快、较强的克服能力，缩短衰减振荡周期，缩短过渡过程的时间，提高控制质量。

系统氨碳比串级控制条件下，高压氨泵（P102A）的液氨输出量通过其转速控制，液氨流量控制阀（FV1202）全开，通过调节P102A透平转速来控制尿素合成系统的进氨量，P102A透平转速设计值为5 823～7 193 r／min，允许流量控制范围为45～150 m3／h，透平转速与P102A流量呈一定的对应关系——透平转速分别为6 281 r／min、6 566 r／min、6 711 r／min、6 894 r／min时P102A流量分别为67 m3／h、100 m3／h、113 m3／h、125 m3／h；尿素合成系统负荷低时增加回流阀（FV1203）的开度，尿素合成系统负荷高时关闭FV1203并增大P102A透平转速，确保P102A的正常运行。高压氨泵（P102B）由电机驱动，其液氨输出量控制原理同P102A，通过液氨流量控制阀（FV1202）及回流阀（FV1204）匹配调节尿素合成系统的进氨量。

尿素合成系统进料氨碳比控制如图6所示。FIC1202_1的PV值是液氨流量（FT1202）对应的摩尔数与CO2流量（FT1101）对应的摩尔数之比，上位机HMI操作界面上设置手动选择开关，根据现场设备的运行情况，选择“阀门控制”或“转速控制”，从而实现FIC1202_1输出控制液氨流量控制阀（FV1202）或者控制高压氨泵（P102A）透平转速（SE9604）。

图6 尿素合成系统进料氨碳比控制示意图

当透平驱动的高压氨泵P102A运行时，将控制模式切换为“转速控制”，调节器（FIC1202）被锁定为手动“MAN”，其输出保持当前数值。副调节器（SIC9604）可以投用到串级“CAS”，主回路（FIC1202_1）可以投用到手动或自动模式。当进料氨碳比偏高时，降低P102A透平转速，甚至打开回流阀（FV1203）；当进料氨碳比偏低时，增大P102A透平转速，关闭FV1203。

当电机驱动的高压氨泵P102B运行时，将控制模式切换为“阀门控制”，副调节器（SIC9604）被锁定为手动“MAN”，其输出保持当前数值。调节器（FIC1202）可以投用到串级“CAS”，主回路（FIC1202_1）可以投用到手动或自动模式。当进料氨碳比偏高时，减小液氨流量控制阀（FV1202）的开度，增加回流阀（FV1204）的开度；当进料氨碳比偏低时，增大FV1202的开度，减小FV1204的开度。

氨碳比串级控制系统的主要干扰包含在副回路中，副回路反应快、滞后小，副回路先投入自动，将副变量稳定，再投主回路，主变量不会产生较大的波动。以透平驱动的高压氨泵P102A运行为例，先将主、副调节器都置于手动位置，用副调节器（SIC9604）进行手动操作，副回路平稳后将副调节器切入自动，再手动将主调节器（FIC1202_1）的输出调整在与副调节器给定值相适应的数值上，使主变量接近于设定值，将副调节器（SIC9604）切入串级，主调节器切入自动。在设计串级控制系统组态程序时，选择主调节器的输出在副回路投入串级之前自动跟踪副回路的给定值，将更加便于投用串级控制系统。

4 应用效果及效益

金新化工尿素装置中CO2流量（FT1101）、液氨流量（FT1202）测量采用的是孔板流量计，为确保仪表测量准确，使计算出的进料氨碳比更具指导意义，不仅要注重仪表的选型，还要在仪表配管安装时充分考虑被测介质特点、安装位置、环境温度等因素。CO2流量计取样接口相对较小，导压管较细，流量变送器一旦出现问题需处理时，高压气体在瞬间泄压过程中会大量吸热，使导压管周围的温度大幅降低，CO2气易形成干冰堵塞导压管，因此仪表配管安装时要特别做好取样接口根部的伴热。液氨受环境温度的影响易汽化，液氨流量计安装时取样导压管不宜过长，不能靠近温度变化较大的设备或管线。实际生产过程中，计算出的进料氨碳比与理论值可能会有一定的偏差，因此要结合尿素合成塔出液氨碳比得出一个优化的进料氨碳比操作值。

4.1 应用效果

金新化工尿素装置氨碳比控制系统优化设计后，取得了良好的应用效果：日常操作更加稳定，生产操作一直处于最优的控制状态，尿素合成塔出液氨碳比被严格控制在指标范围之内（见表1）；氨碳比在线分析系统比人工取样方式安全可靠，大幅降低了手动分析的频次及安全风险，减轻了操作人员的劳动强度，氨碳比在线分析系统排放节能又环保；氨碳比分析系统能连续、准确地输出氨碳比数据，对在线控制物料投放比例和提高产品质量发挥了积极作用。

表1 氨碳比控制系统优化设计后的相关运行数据

4.2 效益分析

金新化工尿素装置氨碳比控制系统优化设计后，氨碳比实现了自动控制，尿素装置吨产品蒸汽消耗和原料消耗有效降低，取得了明显的降耗增产效益：金新化工尿素装置满负荷运行状况下尿素成品产量为2 860 t／d，年运行时间约300 d，设计尿素装置需外供蒸汽144 t／h，以蒸汽成本约55元／t、尿素装置吨产品蒸汽消耗减少1%计算，每年节省的蒸汽成本约57万元；先进的控制回路使尿素合成塔出液氨碳比长期处于相对稳定的状态，在原料消耗一定的情况下日可增产尿素0.1%，每年可增效百万元以上。

5 结束语

生产中，尿素合成塔出液氨碳比偏高，会使合成塔内平衡压力相应升高，选用的操作压力随之升高，从而增加系统动力消耗，并导致下游回收系统负荷增大，且为维持正常的尿素合成反应温度，蒸汽消耗也将增加，因此需将合成系统氨碳比调整至最佳值。当氨碳比分析仪出现异常时，可通过尿素合成系统温度、压力等参数的变化分析判断合成系统实际的氨碳比，最直接的方法是稳定进料CO2流量、调节进氨量。如尿素合成系统压力升高，不能判断氨碳比是高了还是低了，可有意增加液氨量，如系统压力下降则表明原有氨碳比偏低，应增加进氨量；如系统压力不降反升，表明原有氨碳比偏高，应减少进氨量。

实践表明，金新化工尿素装置氨碳比控制系统优化设计后，先进的测量仪表与过程控制系统为实现尿素合成系统氨碳比的优化控制奠定了基础，为实现尿素装置的自动化运行提供了条件，先进的控制逻辑使系统运行更加稳定，工艺操作难度明显降低，实验室分析次数有效减少，为实现尿素装置的节能降耗与生产效益最大化发挥了积极的作用。