合成氨仿真实习报告指导资料-2011.2 - 图文

化工自动控制基础知识

金自强

化工自动控制 反馈控制的基本原理

单回路反馈控制由四个基本环节组成，即被控对象（过程）、测量变送装置、控制器和控制阀（执行器）。

单回路反馈控制变量间的关系：

? e=x-z

? p=f(控制规律，e)

? q=f(调节规律,p)

? y=f(被控对象特性，f,q) ? z=f(变送规律，y)

简单控制系统有两个通道：控制通道（q-y）和扰动通道（f-y），由控制通道来克服扰动通道对y的影响。

简单控制系统分为两类：定值控制系统（x不变）和随动控制系统或伺服控制系统（x变化）。

自动控制系统的品质指标

余差C

最大偏差A 衰减比B:B’,(4:1) 过渡时间Ts,(5%)

被控对象特性参数

1

放大系数K=Δ输入/Δ输出，（应该使控制K大，干扰K小） 滞后时间τ=纯滞后τo+容量滞后τn 时间常数Tc,63.2%

基本控制规律

双位控制

PID控制

控制规律 比例控制 积分控制 微分控制 动作起因 偏差的大小 偏差是否存在 偏差变化速度 特点 控制及时、有力，但有余差 能消除余差，但控制作用缓慢 阻止被控变量的一切变化，有超前作用 过大时的危害 引起系统振荡 引起系统振荡 引起系统振荡 2

复杂控制

以下以液位控制系统为例加以说明。

串级控制

如果系统中不止采用一个控制器，而且控制器间相互串联，主控制器的输出作为串级控制器的给定值，这样的系统称为串级控制系统。

串级控制系统的特点：

1、 主回路为定值系统，副回路为随动系统

2、 副回路包含了主要的干扰，具有超前作用，有效地克服了时间滞后，改善了主控制器的被控对象特征。

3、 有利于克服副回路内执行机构等的非线性 在本单元中罐V101的液位是由液位调节器LIC101和流量调节器FIC102串级控制。主控制器LIC101的输出作为串级控制器FIC102的给定值。即正常工况下LIC101投自动，FIC102投串级。

具体来讲，LIC101的百分比输出OP（例如50%）对应一个流量（例如20000Kg/H），该流量随LIC101的输出而变且作为FIC102的给定值SP，FIC102投串级时，可见该SP值不断变化，FIC102的PV值因泵的流量波动而出现较大波动，但LIC101的PV值却波动较小，可见改善了主控制器的被控对象特征。

虽然也可以将FIC102投自动并设SP=20000 Kg/H,以此来间接控制LIC101的液位，但由于SP=20000 Kg/H为定值，LIC101的液位受泵的流量波动而波动较大。

串级控制系统又例：

3

分程控制

通常是一台控制器的输出只控制一只控制阀。然而分程控制系统却不然，在这种控制回路中，一台控制器的输出可以同时控制两只甚至两只以上的控制阀，控制器的输出信号被分割成若干个信号的范围段，而由每一段信号去控制一只控制阀。

分程控制系统的主要特点：

由于在分程点附近有多个调节器响应，故控制及时、范围广、效果好。

本单元的分程控制回路有：PIC101分程控制充压阀PV101A和泄压阀PV101B。PIC101的OP值对应 PV101A和压阀PV101B不同的开度，如下图。

4

0 50% PIC101.OP 100% 阀位开度PV101A PV101B 0 100%

比值控制

在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。

实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之为流量比值控制系统。

比值控制系统可分为：开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统，

5

变比值控制系统，串级和比值控制组合的系统等。

对于比值调节系统，首先是要明确那种物料是主物料，而另一种物料(副物料)按主物料来配比。在本单元中，FIC103为主物料，而副物料FI103的量是随主物料的量的变化而改变。主流量控制器FIC103和副流量控制器FFIC04组成双闭环比值控制系统。

FFIC104有两个测量值：FIC103及FI103，这两个测量值的比值为FFIC104的过程值，即pv=主物料流量/FI103的副物料流量。FFIC104在AUTO时，设定值SP=2，表示FIC103的主物料流量/FI103的副物料流量=2。这样，FFIC104根据FIC103的流量，按一定的比例相适应调整FI103的流量。

双闭环比值控制系统又例：

前馈控制系统

前馈控制系统特点：

1、前馈控制比反馈控制及时、有效 2、属于开环控制系统

6

3、需采用专用调节器

4、一种前馈作用只能克服一种干扰

计算机过程控制系统

计算机控制系统

7

集散控制系统〔Distributed Control System,DCS〕

带控制点的工艺流程图 带控制点的工艺流程图图例。

带控制点的工艺流程图

8

控制点位号标识

在自动化系统中，每一个检测控制系统回路都有一个仪表位号来标识。常用仪表位号由字母代号组合和回路编号两部分组成。仪表位号中的第一位字母表示被测(控)变量，后续字母表示仪表的功能。回路编号可以按装置或工段(区域)进行编制，第一位数表示工序号，后续数字(二位或三位)表示顺序号。相同被测(控)变量的仪表位号连续编号，构成一个回路的每一个仪表(或元件)也都有自己的仪表位号来标识。检测控制系统在管道与仪表流程困上的标注，一般由表示检测仪表的小圆因、指引线和文字说明三部分组成。如图l—16所示。

9

10

在工艺流程图上的调节与控制系统，一般由检测仪表、调节阀、执行机构和信号线四部分构成。常见的执行机构有气动执行、电动执行、活塞执行和电磁执行四种方式，如图l—18所示。

11

东方仿真软件简介 软件使用

启动程序，详见主程序帮助或教师演示。

工艺菜单介绍、画面介绍（DCS画面、现场画面、趋势画面、报警画面），详见主程序帮助或教师演示。

评分系统介绍详见评分系统帮助或教师演示。 教师演示开车、正常、停车和故障处理操作。

12

仿真软件中控制点位号含义

符号 A AI AI AO AL AUTO CAS D(PID) DCS DI DO F FIC I(PID) I L LIC LP MAN OFF ON op P(PID) P PI PIC PID pv sp T TI

说明 调节器 模拟量输入 分析组分显示 模拟量输出 报警 自动状态 串级控制 微分 分布（集散）控制系统 开关量输入 开关量输出 流量 流量指示控制 积分 指示 液位 液位指示控制 低压 手动状态 关 开 输出值(手动状态下) 比例 压力 压力显示 压力指示控制 比例积分微分控制 过程值(测量值) 设定值(自动状态下) 温度 温度指示 备注 Adjustor Analog Input Analog Output Alarm Cascade Control Derivative Distribute Control System Digital Input Digital Output Flowrate Integral Indicator Level Lower Pressure Manual OUTPUT Proportion Pressure Process Value Set Ponit Temperature 化工自动控制基础知识

金自强

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化工自动控制 反馈控制的基本原理

单回路反馈控制由四个基本环节组成，即被控对象（过程）、测量变送装置、控制器和控制阀（执行器）。

单回路反馈控制变量间的关系： ? e=x-z

? p=f(控制规律，e) ? q=f(调节规律,p)

? y=f(被控对象特性，f,q)

? z=f(变送规律，y)

简单控制系统有两个通道：控制通道（q-y）和扰动通道（f-y），由控制通道来克服扰动通道对y的影响。

简单控制系统分为两类：定值控制系统（x不变）和随动控制系统或伺服控制系统（x变化）。

自动控制系统的品质指标

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余差C

最大偏差A

衰减比B:B’,(4:1) 过渡时间Ts,(5%)

被控对象特性参数

放大系数K=Δ输入/Δ输出，（应该使控制K大，干扰K小） 滞后时间τ=纯滞后τo+容量滞后τn 时间常数Tc,63.2%

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基本控制规律

双位控制

PID控制

控制规律 比例控制 积分控制 微分控制 动作起因 偏差的大小 偏差是否存在 偏差变化速度 特点 控制及时、有力，但有余差 能消除余差，但控制作用缓慢 阻止被控变量的一切变化，有超前作用 引起系统振荡 引起系统振荡 过大时的危害 引起系统振荡 复杂控制

以下以液位控制系统为例加以说明。

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串级控制

如果系统中不止采用一个控制器，而且控制器间相互串联，主控制器的输出作为串级控制器的给定值，这样的系统称为串级控制系统。

串级控制系统的特点：

4、 主回路为定值系统，副回路为随动系统

5、 副回路包含了主要的干扰，具有超前作用，有效地克服了时间滞后，改善了主控制器的被控对象特征。

6、 有利于克服副回路内执行机构等的非线性

在本单元中罐V101的液位是由液位调节器LIC101和流量调节器FIC102串级控制。主控制器LIC101的输出作为串级控制器FIC102的给定值。即正常工况下LIC101投自动，FIC102投串级。

具体来讲，LIC101的百分比输出OP（例如50%）对应一个流量（例如20000Kg/H），该流量随LIC101的输出而变且作为FIC102的给定值SP，FIC102投串级时，可见该SP值不断变化，FIC102的PV值因泵的流量波动而出现较大波动，但LIC101的PV值却波动较小，可见改善了主控制器的被控对象特征。

虽然也可以将FIC102投自动并设SP=20000 Kg/H,以此来间接控制LIC101的液位，但由于SP=20000 Kg/H为定值，LIC101的液位受泵的流量波动而波动较大。

串级控制系统又例：

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分程控制

通常是一台控制器的输出只控制一只控制阀。然而分程控制系统却不然，在这种控制回路中，一台控制器的输出可以同时控制两只甚至两只以上的控制阀，控制器的输出信号被分割成若干个信号的范围段，而由每一段信号去控制一只控制阀。

分程控制系统的主要特点：

由于在分程点附近有多个调节器响应，故控制及时、范围广、效果好。

本单元的分程控制回路有：PIC101分程控制充压阀PV101A和泄压阀PV101B。PIC101的OP值对应 PV101A和压阀PV101B不同的开度，如下图。

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0 50% PIC101.OP 100% PV101A PV101B 阀位开度0 100%

比值控制

在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。

实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之为流量比值控制系统。

比值控制系统可分为：开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统，

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变比值控制系统，串级和比值控制组合的系统等。

对于比值调节系统，首先是要明确那种物料是主物料，而另一种物料(副物料)按主物料来配比。在本单元中，FIC103为主物料，而副物料FI103的量是随主物料的量的变化而改变。主流量控制器FIC103和副流量控制器FFIC04组成双闭环比值控制系统。

FFIC104有两个测量值：FIC103及FI103，这两个测量值的比值为FFIC104的过程值，即pv=主物料流量/FI103的副物料流量。FFIC104在AUTO时，设定值SP=2，表示FIC103的主物料流量/FI103的副物料流量=2。这样，FFIC104根据FIC103的流量，按一定的比例相适应调整FI103的流量。

双闭环比值控制系统又例：

前馈控制系统

前馈控制系统特点：

1、前馈控制比反馈控制及时、有效 2、属于开环控制系统

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3、需采用专用调节器

4、一种前馈作用只能克服一种干扰

计算机过程控制系统

计算机控制系统

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集散控制系统〔Distributed Control System,DCS〕

带控制点的工艺流程图 带控制点的工艺流程图图例。

带控制点的工艺流程图

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控制点位号标识

在自动化系统中，每一个检测控制系统回路都有一个仪表位号来标识。常用仪表位号由字母代号组合和回路编号两部分组成。仪表位号中的第一位字母表示被测(控)变量，后续字母表示仪表的功能。回路编号可以按装置或工段(区域)进行编制，第一位数表示工序号，后续数字(二位或三位)表示顺序号。相同被测(控)变量的仪表位号连续编号，构成一个回路的每一个仪表(或元件)也都有自己的仪表位号来标识。检测控制系统在管道与仪表流程困上的标注，一般由表示检测仪表的小圆因、指引线和文字说明三部分组成。如图l—16所示。

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在工艺流程图上的调节与控制系统，一般由检测仪表、调节阀、执行机构和信号线四部分构成。常见的执行机构有气动执行、电动执行、活塞执行和电磁执行四种方式，如图l—18所示。

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东方仿真软件简介 软件使用

启动程序，详见主程序帮助或教师演示。

工艺菜单介绍、画面介绍（DCS画面、现场画面、趋势画面、报警画面），详见主程序帮助或教师演示。

评分系统介绍详见评分系统帮助或教师演示。 教师演示开车、正常、停车和故障处理操作。

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仿真软件中控制点位号含义

符号 A AI AI AO AL AUTO CAS D(PID) DCS DI DO F FIC I(PID) I L LIC LP MAN OFF ON op P(PID) P PI PIC PID pv sp T TI

说明 调节器 模拟量输入 分析组分显示 模拟量输出 报警 自动状态 串级控制 微分 分布（集散）控制系统 开关量输入 开关量输出 流量 流量指示控制 积分 指示 液位 液位指示控制 低压 手动状态 关 开 输出值(手动状态下) 比例 压力 压力显示 压力指示控制 比例积分微分控制 过程值(测量值) 设定值(自动状态下) 温度 温度指示 OUTPUT Proportion Pressure Process Value Set Ponit Temperature 备注 Adjustor Analog Input Analog Output Alarm Cascade Control Derivative Distribute Control System Digital Input Digital Output Flowrate Integral Indicator Level Lower Pressure Manual 南京工业大学

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化学化工学院

仿 真 实 习 教 学 指 导 书

化学化工实验教学中心

2011年10月

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仿真实习教学指导书

一、实习目的

仿真实习是实习计划的组成部分，通过实习使学生了解化工生产一般特点、规律和工艺参数的控制，获得化工生产实践知识，培养运用化工专业理论知识，分析和解决实际问题的能力，为适应今后所从事的化工企业工作打下良好的实践基础。

二、实习要求

1.实习装置为合成氨生产仿真装置。要求了解并熟悉生产过程及控制，包括：

1） 生产方法和原理，原料、催化剂及产品特性；

2） 生产工艺流程（流程中设备、主副管线，过程操作和控制）； 3） 各工序工艺条件及控制：主要设备操作温度、压力和组成； 4） 主要设备型式、结构；

5） 主要设备及管线上的控制仪表及调节方法。 2.搜集信息途径

1） 听讲座（拟安排工艺及设备、仿真装置及操作等讲座）；

2） 现场实习：熟悉工艺流程、设备、及仿真软件操作，熟悉仿真模型；

3） 阅读实习指导书、流程图、设备图及其它文献资料。

三、实习内容

仿真实习的主要内容是：以河南化肥厂为原型的大型合成氨全流程仿真模型和以宁夏化工厂为原型的合成氨大工段DCS控制系统仿真软件。两者均以天然气为原料的合成氨工艺，通过仿真实习了解合成氨工艺原理与流程，掌握合成氨生产中的主要参数和DCS控制系统的操作。

四、实习安排

实习地点：化学化工学院计算机仿真中心，沉毅北楼301 实习时间及内容：见安排表。

五、实习考核要求

1、平时成绩（20%）

熟悉实习装置原理及流程，能熟练对仿真实习装置进行操作，多思考，勤于记录。要求

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遵章守纪，不得无故缺勤。

2、仿真操作联机考核（60%）

学生在指定的时间内上机独立完成教师指定的仿真操作联机考核内容。 3、实习报告（20%）

根据实习的平时记录、参考资料及实习心得，加以综合整理，写出仿真实习报告，内容要求正确充实、文字表达简练、图面清晰、位置比例合理等。

六、合成氨仿真实习报告主要内容

1、实习的目的、意义。

2、概述合成氨工艺原理与流程。

3、画出合成氨模型主要设备的平面布置图（包括天然气脱硫与压缩、空气压缩、天然气蒸汽转化、CO变换、CO2脱除、甲烷化、合成气压缩、氨合成、冷冻、氨回收、氢回收等）。

4、根据仿真软件合成工段的内容画出合成工段的流程图及主要控制点并注明控制参数。 5、选做5题实习思考题。 6、实习的收获、体会和建议。 实习报告封面见附页。

七、实习思考题

1．以天然气为原料生产合成气过程有哪些主要反应？ 2．天然气-水蒸气转化法制合成气过程有哪些步骤？ 3．为什么天然气要预先脱硫才能进行转化？ 4．Co－Mo加氢和氧化锌脱硫有何特点？

5．为什么天然气-水蒸气转化过程需要供热？供热形式是什么？ 6．影响天然气-水蒸气转化反应的主要因素有哪些？ 7．天然气-水蒸气转化反应的主要操作参数有哪些? 8．一段转化炉的主要结构？

9．一氧化碳变换催化剂有哪些类型？各适用于什么场合？ 10．少量CO、CO2、的脱除方法有哪些？各自特点？ 11．影响氨平衡浓度的因素有哪些？ 12．温度和压力对氨合成反应速率的影响？

13．惰性气体对氨合成反应的平衡氨浓度及反应速率的影响？ 14．氨合成塔的主要结构？

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15．熟悉实习装置的氨合成工艺流程。 16．仿真装置氨合成系统的开停车操作步骤？ 17．在仿真装置中，氨合成塔的反应压力如何控制？ 18．在仿真装置中，氨合成塔的反应温度如何控制？ 19．如何控制仿真装置的换热器换热效果？

20．仿真装置操作中如何控制储槽（罐）液位稳定？

七、实习参考资料

1．仿真实习教学指导书

2．刘晓勤.《化工工艺学》北京：化学工业出版社，2010

3．陈五平.《无机化工工艺学－合成氨》北京：化学工业出版社，2002 4．有关“化工过程及装置仿真”书籍 5．机房服务器和网站所列的相关东方仿真文档

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南京工业大学

合成氨仿真实习报告书

学 院： 班级、学号： 姓名（签名）：

年 月

《化工过程仿真认识实习》指导书

一、实习目的

1、使学生初步了解化工过程集散控制系统（DCS）的特点。

2、培养学生运用已学理论对相关的化工单元操作进行分析问题和解决问题的能力。 3、使学生初步了解化工生产过程控制的一般特点和规律。

4、使学生初步了解化工生产中的一些故障和事故并进行分析和处理的方法。 5、为今后学生各门相关化工课程的学习打下良好的实践基础。

6、《化工过程仿真认识实习》是认识实习计划的组成部分并且为化工过程仿真毕业实习的先修课程。

二、实习要求

1、了解化工过程自动控制的基本理论和特点，掌握化工过程集散控制系统（DCS）的一般操作。

2、能够对相关化工单元操作进行分析和仿真软件的操作。

3、认识带控制点的化工工艺流程图。

4、要求学生掌握以下控制系统的原理和操作：单回路控制系统、分程控制系统、比值控制系统、串级控制系统。

三、实习内容

1、《液位控制单元》仿真培训系统

对该化工单元操作进行分析和工艺参数的控制，进行开车、停车、正常操作和事故处理的化工过程培训。通过该单元的培训使学生了解化工过程自动控制的基本理论和特点，掌握化工过程集散控制系统（DCS）的一般操作。其工艺流程简述如下，其余详见参考资料[1]。

本流程为液位控制系统，通过对三个罐的液位及压力的调节，使学员掌握简单回路及复杂回路的控制及相互关系。

缓冲罐V101仅一股来料，8Kg/cm2压力的液体通过调节阀FIC101向罐V101充液,此罐压力由调节阀PIC101分程控制,缓冲罐压力高于分程点（5.0Kg/cm2）时，PV101B自动打开泄压，压力低于分程点时，PV101B自动关闭，PV101A自动打开给罐充压，使V101压力控制在5Kg/cm2。缓冲罐V101液位调节器LIC101和流量调节阀FIC102串级调节，一般液位正常控制在50%左右，自V101底抽出液体通过泵P101A或P101B(备用泵)打入罐V102,该泵出口压力一般控制在9Kg/cm2，FIC102流量正常控制在20000Kg/hr。

罐V102有两股来料，一股为V101通过FIC102与LIC101串级调节后来的流量；另一股为8Kg/cm2压力的液体通过调节阀LIC102进入罐V102,一般V102液位控制在50%左右,V102

1

底液抽出通过调节阀FIC103进入V103,正常工况时FIC103的流量控制在30000 kg/hr。 罐V103也有两股进料，一股来自于V102的底抽出量，另一股为8kg/cm2压力的液体通过FIC103与FI103比值调节进入V103,比值系数为2:1，V103底液体通过LIC103调节阀输出，正常时罐V103液位控制在50%左右。

下图为液位控制单元DCS图。 液位控制单元DCS图 2、《列管换热器单元操作》仿真培训系统

对该化工单元操作进行分析和工艺参数的控制，进行开车、停车、正常操作和事故处理的化工过程培训。通过该单元的培训使学生能够对相关化工单元操作进行分析和仿真软件的操作。 其工艺流程简述如下，其余详见参考资料[1]。

本单元设计采用管壳式换热器。来自界外的92℃冷物流（沸点:198.25℃）由泵P101A/B送至换热器E101的壳程被流经管程的热物流加热至145℃,并有20%被汽化。冷物流流量由流量控制器FIC101控制,正常流量为12000kg/h。来自另一设备的225℃热物流经泵P102A/B送至换热器E101与注经壳程的冷物流进行热交换（正常流量为FI101：10000kg/h）,热物流出口温度由TIC101控制(177℃)。

下图为列管换热器DCS图。

2

列管换热器DCS图

四、考核要求

采用计算机联机考核，根据学生在计算机上的操作，由仿真系统自动给出考核分数。

五、实习方式、课时

1、方式：全部仿真认识实习均在我院仿真实验室计算机上进行。

通过仿真实习网站，教师进行讲解、学生查找相关资料、学习相关知识；在局域网中学生进行仿真软件的操作；联机进行仿真操作考核。

2、课时：共40学时。

熟悉自动控制与仿真软件的使用4学时； DCS系统操作16学时； 化工单元操作16学时； 联机考核4学时。

六、思考题

1、《液位控制单元》仿真培训系统思考题：

（1）通过本单元，理解什么是“过程动态平衡”，掌握通过仪表画面了解液位发生变化

3

的原因和如何解决的方法。

（2）请问在调节器FIC103和FFIC104组成的比值控制回路中，哪一个是主动量？为什么？

（3）本仿真培训单元包括有串级、比值、分程三种复杂调节系统，你能说出它们的特点吗？它们与简单控制系统的差别是什么？

（4）在开/停车时，为什么要特别注意维持流经调节阀FV103和FFV104的液体流量比值为2？

（5）请简述开/停车的注意事项有哪些？

2、《列管换热器单元操作》仿真培训系统思考题：

（1）冷态开车是先送冷物料，后送热物料；而停车时又要先关热物料，后关冷物料，为什么？

（2）开车时不排出不凝气会有什么后果？如何操作才能排净不凝气？

（3）为什么停车后管程和壳程都要高点排气、低点泄液？ （4）影响间壁式换热器传热量的因素有哪些？ （5）传热有哪几种基本方式，各自的特点是什么？ （6）工业生产中常见的换热器有哪些类型？

七、参考资料

[1]. 东方仿真公司.化工单元培训手册或大工段说明书[M].北京：自编教材，2007. [2]. 东方仿真公司.pispnet学员站软件使用帮助[M].北京：自编教材，2007. [3]. 东方仿真公司.单元操作辅助课件[CD].北京：自编教材，2007.

[4]. 金自强.东方仿真软件上机操作快速入门[M].南京：自编教材，2007. [5]. 金自强.化工自动控制基础知识[M].南京：自编教材，2007.

[6]. 何衍庆等.工业生产过程控制[M].北京：化学工业出版社，2004.

[7]. 王克华等.石油仪表及自动化[M].北京：石油工业出版社，2006.

[8]. 张慧敏.石油化工自动化的发展前景瞻望[J].可编程控制器与工厂自动化，2007，(3)：28～29.

[9]. 管国锋,赵汝溥.化工原理[M].北京:化学工业出版社,2008.

八、附录

1、东方仿真软件上机操作快速入门。 (1) 进入仿真操作界面

1.开始→所有程序→运行相应东方仿真软件应用程序（化工单元为CSTS2007，大工段为常减压或合成氨全工段）

2.仿真软件运行后进入“启动”界面：填写姓名、学号、教师指令站地址：hgyfz、机器号可不填→点击“局域网模式”

4

3.进入“培训考核大厅”：选择“自由训练培训室”（用于日常培训或其它项目考试教室）→点击“连接”→确认登录信息后点击“确定” 4.进入“培训参数选择”：选择“培训工艺”（例如离心泵单元）→选择“培训项目”（例如冷态开车）→点击“启动项目”按钮即进入仿真操作软件 5.仿真操作软件包括两个窗口：“仿真操作窗口”和“操作质量评分系统”。前者有“现场图画面”、“DCS图画面”等，供学员操作使用；后者有“操作步骤提示”，还可以浏览成绩。

(2) 重要文档

部分重要文档位于学生机以下路径：我的电脑→P:\\CAI\\东方仿真文档\\ 文档名称 《化工自动控制基础知识》 《东方仿真软件上机操作快速入门》 《pispnet学员站软件使用帮助》 化工单元培训手册或大工段说明书 说明 化工自动控制基础知识 上机操作快速入门（本文档） 仿真软件操作详细帮助 各培训项目详细说明书 5

2、仿真软件中控制点位号含义

符号 A AI AI AO AL AUTO CAS D(PID) DCS DI DO F FIC I(PID) I L LIC LP MAN OFF ON op P(PID) P PI PIC PID pv sp T TI 说明 调节器 模拟量输入 分析组分显示 模拟量输出 报警 自动状态 串级控制 微分 分布（集散）控制系统 开关量输入 开关量输出 流量 流量指示控制 积分 指示 液位 液位指示控制 低压 手动状态 关 开 输出值(手动状态下) 比例 压力 压力显示 压力指示控制 比例积分微分控制 过程值(测量值) 设定值(自动状态下) 温度 温度指示 OUTPUT Proportion Pressure Process Value Set Ponit Temperature

执笔人：金自强

2010年4月

备注 Adjustor Analog Input Analog Output Alarm Cascade Control Derivative Distribute Control System Digital Input Digital Output Flowrate Integral Indicator Level Lower Pressure Manual 南京工业大学

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化学化工学院

仿 真 实 习 教 学 指 导 书

林陵、金自强编

化学工程与工艺系 化学化工实验教学中心

2010年10月

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仿真（毕业）实习教学指导书

一、实习目的

仿真实习是毕业实习计划的组成部分，通过实习使学生了解化工生产一般特点、规律和工艺参数的控制，获得化工生产实践知识，培养运用化工专业理论知识，分析和解决实际问题的能力，为今后毕业论文（设计）和所从事的化工实际工作打下良好的实践基础。

二、实习要求

1.实习装置为合成氨生产仿真装置。要求了解并熟悉生产过程及控制，包括： 6） 生产方法和原理，原料、催化剂及产品特性；

7） 生产工艺流程（流程中设备、主副管线，过程操作和控制）； 8） 各工序工艺条件及控制：主要设备操作温度、压力和组成； 9） 主要设备型式、结构；

10） 主要设备及管线上的控制仪表及调节方法。 2.搜集信息途径

4） 听讲座（拟安排工艺及设备、仿真装置及操作等讲座）；

5） 现场实习：熟悉工艺流程、设备、及仿真软件操作，熟悉仿真模型； 6） 阅读实习指导书、流程图、设备图及其它文献资料。 三、实习内容

仿真实习的主要内容是：以河南化肥厂为原型的大型合成氨全流程仿真模型和以宁夏化工厂为原型的合成氨大工段DCS控制系统仿真软件。两者均以天然气为原料的合成氨工艺，通过仿真实习了解合成氨工艺原理与流程，掌握合成氨生产中的主要参数和DCS控制系统的操作。

以下为东方仿真软件的合成氨工艺流程。 (1) 合成氨装置转化工段 1 概述

转化工段包括下列主要部分:

原料气脱硫、原料气的一段蒸汽转化、转化气的二段转化、高变、低变、给水、炉水和蒸汽系统。

2 原料气脱硫

天然气中含有少量硫化物，这些硫化物可以使多种催化剂中毒而不同程度地使其失去活性，硫化氢能腐蚀设备管道。因此，必须尽可能地除去原料气中的各种硫化物。

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加氢转化主要指在加入氢气的条件下使原料气中有机硫转化为无机硫。加氢转化不能达到直接脱硫的目的，但经转化后就大大的利于硫的脱除。在有机硫转化的同时，也能使烯烃类加氢转化为烷氢类从而可减少下一工序蒸汽转化催化剂析炭的可能性。

在采用钴钼催化剂的条件下，主要进行如下反应： R-SH+H2=RH+H2S

R-S-R’+2H2=RH+R’H+H2S

C4H4S+4H2=C4H10+H2S RC=CR’+H2=RCH2-CH2R’

氧化锌是一种内表面积颇大，硫容较高的接触反应型脱硫剂。除噻吩及其衍生物外，脱除硫化氢及各种有机硫化物的能力极高，可将出口气中硫含量降至0.1PPm以下。

氧化锌脱硫反应：ZnO+H2S=ZnS+H2O

原料天然气在原料气预热器（141－C）中被低压蒸汽预热后，进入活性碳脱硫槽（101－DA、102－DA一用一备），进行初脱硫后，经压缩机（102－J）加压。在一段炉对流段低温段加热到230℃左右与103-J段来的氢混合后进入Co－Mo加氢和氧化锌脱硫槽（108－D）终脱硫后，天然气中的总硫≤0.1ppm。

3 原料气的一段蒸汽转化

经脱硫后的原料气的总硫含量降至0.1PPm以下，与水蒸汽混合后进行转化反应：

CH4 + H2O ＝ CO + 3H2

CnH2n+2 + nH2O ＝ nCO + （2n+1）H2

由于转化反应是吸热反应，在高温条件下有利于反应平衡及反应速度。在实际生产中，转化反应分别是一段炉和二段炉中完成。在一段炉中，烃类和水蒸气的混合气在反应管内镍催化剂的作用下进行转化反应，管外有燃料气燃烧供给反应所需热量，出一段炉转化气温度控制在800℃左右。

脱硫后的原料气与中压蒸汽混和后，经对流段高温段加热后，进入一段炉（101－B）的336根触媒反应管进行蒸汽转化，管外由顶部的144个烧嘴提供反应热，经一段转化后，气体中残余甲烷在10％左右。

4 转化气的二段转化

为了进一步转化，需要更高的温度。在二段炉中加入预热后的空气，利用H2

和O2的燃烧反应，产生高热，促使CH4进一步转化。

一段转化气进入二段炉（103－D），在二段炉中同时送入工艺空气，工艺空气来自空气压缩机（101－J）加入少量中压蒸汽并经对流段高温段预热，转化气中的H2和空气中的氧燃烧产生的热量供给转化气中的甲烷在二段炉触媒床中进一步转化，出二段炉的工艺气残余甲烷含量0.3％左右，经并联的两台第一废热锅炉回收热量，再经第二废热锅炉进一步回收余热后，送去变换。

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5 CO变换

经蒸汽转化后的工艺气含有12～15％的CO，变换工序的任务是使CO在有催化剂存在的条件下与水蒸汽反应：

CO + H2O ＝ CO2 + H2

这样即能把一氧化碳变为易于清除的二氧化碳，同时又可制得合成需要的原料氢。变换反应是一个可逆、放热、反应前后气体体积不变的化学反应。

整个变换过程是由高温变换和低温变换组成。高温变换所用的催化剂是以Fe3O4为活性组分的，它的活性温度在300℃以上（一般在350～430℃）。在此温度下，可以取得较高的反应速度，但不能达到较低的CO浓度。为了进一步取得较低的CO浓度，还要以铜为活性组分的催化剂作用下，进行低温变换。它的变换温度一般在200～250℃，这样的低温下，就能使CO的变换进行的比较彻底，可以使CO浓度降至0.3％以下。

由第二废热锅炉来的转化气约含有12－14％的CO，进入高变炉（104－DA），在高变触媒的作用下将部分CO转化成CO2，经高温变换后CO含量降到3％左右，然后经第三废热锅炉（103－C）回收部分热能，经换热器（104－C）进入低变炉（104－DB）在低变触媒的作用下将其余CO转化为CO2，出低变炉的工艺气中CO含量约为0.3％左右。

6 给水、炉水、蒸汽系统

合成氨装置开车时，将从界外引入3.8MPa、327℃的中压蒸汽约50T/H。辅助锅炉和废热锅炉所用的脱盐水从水处理车间引入，用并联的低变出口气加热器（106－C）和甲烷化出口气加热器（134－C）预热到100℃左右，进入除氧器（101－U）脱氧段，在脱氧段用低压蒸汽脱除水中溶解氧后，然后在储水段加入二甲基硐肟除去残余溶解氧。最终溶解氧含量小于7PPb。

除氧水加入氨水调节PH至8.5－9.2，经锅炉给水泵104－J/JA/JB经并联的合成气加热器（123－C），甲烷化气加热器（114－C）及一段炉对流段低温段锅炉给水预热盘管加热到295℃左右进入汽包（101－F），同时在汽包中加入磷酸盐溶液,汽包底部水经101－CA/CB、102－C、103－C、一段炉对流段低温段废热锅炉及辅助锅炉加热部分汽化后进入汽包，经汽包分离出的饱和蒸汽在一段炉对流段过热后送至103－JAT，经103－JAT抽出3.8MPa、327℃中压蒸汽，供各中压蒸汽用户使用。103－JAT停运时，高压蒸汽经减压，全部进入中压蒸汽管网，中压蒸汽一部分供工艺使用、一部分供凝汽透平使用，其余供背压透平使用，并产生低压蒸汽，供111－C、101－U使用，其余为伴热使用在这个工段中，缩合/脱水反应是在三个串联的反应器中进行的，接着是一台分层器，用来把有机物从液流中分离出来。

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图1 合成氨转化工段总图

(2)合成氨装置净化工段 1 脱碳

经变换工序后的工艺气，CO2含量一般在17％左右。本装置采用改良苯菲尔法脱除工艺气中的二氧化碳，吸收剂为碳酸钾溶液，溶液的吸收和再生可以用如下反应方程式表示：

K2CO3 + CO2 + H2O ＝ 2KHCO3 + 热量

这是一个可逆过程，脱碳溶液中K2CO3吸收了CO2生成KHCO3，KHCO3又在加热、减压的条件下放出CO2，重新变成K2CO3。前一个过程是吸收过程，后一个过程是再生过程。经过吸收塔的脱碳气体要求CO2小于0.1％；经过再生塔的CO2气体要求纯度大于98.5％。

从变换工序来变换气温度60℃，压力2.799MPa进入CO2吸收塔(101-E)下部，在吸收塔中经塔板逆流向上与塔顶加入的贫液（40℃）接触，脱去工艺气中所含二氧化碳，再经塔顶洗涤段后出CO2吸收塔，出吸收塔净化气在管路上由喷射器喷入变换气分离器(102-F)来的工艺冷凝液进一步洗涤，经净化气分离器(121-F)分离出喷入的工艺冷凝液，温度44℃，压力2.764MPa的气体去甲烷化工序，液体与变换冷凝液汇合去工艺冷凝液处理装置。

从CO2吸收塔塔底出来的富液（74℃）先经溶液换热器(109-CB)加热，再经溶液换热器(109-CA)进一步升温至105℃后，进入CO2汽提塔(102-E)顶部，102-E为筛板塔，共10块塔板，在CO2汽提塔中靠变换气煮沸器(105-CA.B)蒸汽煮沸器(111-C)提供的热量蒸发出大量水蒸汽，由下向上逐板汽提出溶液中的CO2，气体经过CO2汽提塔冷凝器(110-C)，再经CO2汽提塔回流液槽(103-F)分离出液体后，CO2气体送尿素装置。

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从CO2汽提塔底部出来的热贫液先经溶液换热器(109-CA)与富液换热降温后进贫液泵，经贫液泵(107-JA/JB/JC)升压后的贫液再经溶液换热器(109-CB)降温，并经贫液冷却器(108-C)进一步冷却至40℃左右进CO2吸收塔上塔。

从CO2汽提塔回流液槽底部出来的冷凝液，先经回流液泵(108-J)升压，一部分去冷凝液处理装置，另一部分去CO2吸收塔顶部洗涤净化气中夹带出的溶液，洗涤后的冷凝液回CO2汽提塔顶部进入系统。

图2 脱碳系统现场图

2 甲烷化

碳氧化物（CO、CO2）是合成触媒的毒物，在工业生产中要求入合成工序的氢氮气中的CO、CO2含量小于10PPm。在催化剂作用下将CO、CO2加氢反应生成对合成触媒无害甲烷。

在镍触媒存在的条件下，进行如下化学反应： CO + 3H2 ＝ CH4 + H2O + 206.16kJ/mol CO2 + 4H2 ＝ CH4 + 2H2O + 165.08kJ/mol

甲烷化反应是可逆强放热反应，温升很大，每反应1％CO，温升72℃左右；每反应1％CO2，温升60℃左右。因此，要严格控制低变出口CO含量及脱碳出口CO2含量再规定指标范围内，严防甲烷化触媒超温。

甲烷化装置的原料气来自脱碳装置，该原料气（44℃、2.76Mpa）先后经合成气一脱碳气换热器(136-C)预热至117.49℃、高变气—脱碳气换热器(104-C)加热到316℃，进入甲烷化炉(106-D)，炉内装有18m3、J-105型镍催化剂，气体自上部进入106-D，气体中的CO和CO2与H2反应生成CH4和H2O。甲烷化炉(106-D)的出口温度为363℃，依次经锅炉给水预热器(114-C)，甲烷化气脱盐水预热器(134-C)和水冷器(115-C)，温度降至40℃，甲烷化后的气体中CO和CO2含量降

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至10ppm以下，进入104-F进行气液分离。

3 冷凝液回收系统

自低变104-D来的工艺气（260℃）经102-F底部冷凝液萃冷后，再经105-C，106-C换热至60℃，进入102-F，其中工艺气中所带的水分沉积下来，脱水后的工艺气进入CO2吸收塔101-E脱除CO2。102-F的水一部分进入103-F，一部分经换热器C66401换热后进入E66401，由管网来的327℃的蒸汽进入E66401的底部，塔顶产生的气体进入蒸汽系统，底部液体经C66401，C66402换热后排出。

(3) 合成氨装置合成工段

氨的合成是整个合成氨流程中的核心部分。前工序制得的合格氮氢气在高温高压及铁催化剂作用下合成为氨。由于在反应过程中只有少部分氮氢气合成为氨，因此反应后的气体混合物分离氨后，经加压又送回合成塔，构成合成回路。氨合成的化学反应式如下：

1/2 N2 + 3/2H2 ＝ NH3 + 热量

这是一个放热和体积减少的可逆反应。

本装置的合成塔采用了三段间接换热式径向合成塔，这样合成塔触媒层的温度分布就更为合理，更加接近最佳温度分布曲线，触媒层的阻力降也更小。同时，在合成塔出口设置了合成废锅，利用合成氨余热产生125×105Pa（绝）的高压蒸汽，能量回收更为充分。但是，由于转化工序加入过量空气，使合成系统氮过剩，加大了合成排放气量。为此增加了氢回收装置加以弥补，回收的氢返回合成系统。

1 合成系统

从甲烷化来的新鲜气（40℃、2.6Mpa、H2/N2=3：1）先经压缩前分离罐(104-F)，分离气体中的水后，进合成气压缩机(103-J)低压段，在压缩机的低压缸将新鲜气体压缩到合成所需要的最终压力的二分之一左右，出低压段的新鲜气先经热交换器（106-C，（现场图中错标为136-C）与甲烷化进料气换热）冷却至93.3℃，再经水冷器(116-C)冷却至38℃,最后经氨冷器(129-C)冷却至7℃后与氢回收来的氢气混合进入中间分离罐(105-F)，进一步分离气体中的水后，从中间分离罐出来的氢氮气再进合成气压缩机高压段。

合成回路来的循环气与经高压段压缩后的氢氮气混合进压缩机循环段，从循环段出来的合成气进合成系统水冷器(124-C)。高压合成气自水冷却器124-C出来后，分两路继续冷却，第一路串联通过原料气和循环气一级和二级氨冷器117-C和118-C的管侧，冷却介质都是冷冻用液氨，另一路通过就地的MIC-23节流后，在合成塔进气和循环气换热器120-C的壳侧冷却，两路会合后，又在新鲜气和循环气三级氨冷器119-C中用三级液氨闪蒸槽112-F来的冷冻用液氨进行冷却，冷却至-23.3℃。冷却后的气体经过水平分布管进入高压氨分离器（106-F），在前几个氨冷器中冷凝下来的循环气中的氨就在106-F中分出，分离出来的产品液氨送往低压氨分离器(107-F)。从高压氨分离器出来后，循环气就进入合成塔进气—新鲜循环气换热器120-C的管侧，从壳侧的工艺气体中取得热量，然后又进入合成塔进气--出气换热器(121-C)的管侧，再由HCV-11控制进入合成塔(105-D)，在121-C管侧的出口处分析气体成分。

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SP-35是一专门的双向降爆板装置，是用来保护121-C的换热器，防止换热器的一侧卸压导致压差过大而引起破坏。

主线合成气进气由HCV-11控制，从冷激式合成塔105-D的塔底进入，自下而上地沿内件与外筒之间的环隙上升，被预热至合成塔顶部。再向下依次经过各触媒层进行反应；一路副线合成气进气（冷激气）经由MIC-13控制，直接到第一层触媒的入口，用以控制该处的温度（开工时仅由这一路进气），另一路副线冷激气可以分别用MIC-14、MIC-15和MIC-16进行调节，分别控制第二、第三、第四层触媒的入口温度。气体经过最底下一层触媒床后，又自下而上地把气体导入中心内部换热器的管侧，把热量传给进来的气体，再由105-D的顶部出口引出。

合成塔出口气进入合成塔--锅炉给水换热器123-C的管侧，把热量传给锅炉给水，接着又在121-C的壳侧与进塔气换热而进一步被冷却，最后回到103-J高压缸循环段(最后一个叶轮)而完成了整个合成回路。

合成塔出来的一部分气体（吹出气，又叫驰放气），经氨冷器125-C至高压吹出气分离缸108-F，经MIC-18调节并用FI-63指示流量后，送往氢回收装置或送往一段转化炉燃料气系统。从合成回路中排出一部分气是为了控制循环气中的甲烷和氩的浓度，甲烷和氩在系统中积累多了会使氨的合成率降低。吹出气在进入分离罐108-F以前先在氨冷器125-C中冷却，由108-F分出的液氨送低压氨分离器107-F回收。

合成塔备有一台开工加热炉(102-B)，它是用于开工时把合成塔引温至反应温度，开工加热炉的原料气流量由FI-62指示，另外，它还设有一低流量报警器FAL-85与FI-62配合使用，MIC-17调节102-B燃料气量。

2 冷冻系统

合成来的液氨进入中间闪蒸槽(107-F，即低压氨分离器)，闪蒸出的不凝性气体通过PICA-8排出，作为燃料气送一段炉燃烧。分离器107-F装有液面指示器LI-12。液氨减压后由液位调节器LICA-12调节进入三级闪蒸罐(112-F)，进一步闪蒸，闪蒸后作为冷冻用的液氨进入系统中。冷冻的一、二、三级闪蒸罐操作压力分别为：0.4MPa(G)、0.16MPa(G)、0.0028MPa(G)。三台闪蒸罐与合成系统中的第一、第二、第三氨冷器相对应，它们是按热虹吸原理进行冷冻蒸发循环操作的。液氨由各闪蒸罐流入对应的氨冷器，吸热后的液氨蒸发形成的气液混合物又回到各闪蒸罐进行气液分离，气氨分别进氨压缩机(105-J)各段气缸，液氨分别进各氨冷器。

由液氨接收槽(109-F)来的液氨逐级减压后补入到各闪蒸罐。一级闪蒸罐(110-F)出来的液氨除送第一氨冷器(117-C)外，另一部分作为合成气压缩机(103-J)一段出口的氨冷器(129-C)和液氨接收槽(109-F)的氨冷器(126-C)的冷源（126-C冷却管道图中省略）。氨冷器(129-C)和(126-C)蒸发的气氨进入二级闪蒸罐(111-F)，110-F多余的液氨也送往111-F。111-F的液氨除送第二氨冷器(118-C)和弛放气氨冷器(125-C)作为冷冻剂外，其余部分送往三级闪蒸罐(112-F)。112-F的液氨除送119-C作为冷冻剂外，还可以由冷氨产品泵(109-J)作为冷氨产品送液氨贮槽贮存。

由三级闪蒸罐(112-F)出来的气氨进入氨压缩机(105-J)一段压缩，一段出口与二级闪蒸罐111-F来的气氨汇合进入二段压缩，二段出口气氨先经压缩机中间冷却器(128-C)冷却后，与一级闪蒸罐110-F来的气氨汇合进入三段压缩，三段出口的气氨经氨冷凝器(127-CA、CB)，冷凝的液氨进入接收槽(109-F)。109-F中的

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闪蒸气去闪蒸罐氨冷器(126-C)，冷凝分离出来的液氨流回109-F，不凝气作燃料气送一段炉燃烧。109-F中的液氨一部分减压后送至一级闪蒸罐(110-F)，另一部分作为热氨产品经热氨产品泵(1-3P-1,2)送往尿素装置。

图3 合成氨工段现场图

图4 合成氨塔DCS图

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图5 冷冻工段现场图

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3 合成工段操作评分步骤

表一 合成系统开车操作评分步骤

步骤 普通 普通 普通 普通 普通 ID S0 S1 S2 S3 S4 步骤描述 投用LSH109(104-F液位高联锁) 投用LSH111（105-F液位高联锁） 显示合成塔压力的仪表换为低量程表 全开阀VX0015进冷却水，投用124-C 全开阀VX0016进冷却水，投用123-C 备注 辅助控制盘 辅助控制盘 合成现场图 补充：全开阀VX0014进冷却水，投用116-C 打开阀VV077，以投用防爆阀SP35 打开阀VV078，以投用防爆阀SP35 打开新鲜气阀SP71,把氢氮气引入104-F 补充：开阀VV060进氢回收中的富氢气 按103-J复位按钮，然后启动103-J 辅助控制盘及合成现场图 开液氨泵117-J，注液氨 冷冻系统图的现场画面 开MIC23,把工艺气引入合成塔105-D,合 成塔充压 开HCV11,把工艺气引入合成塔105-D,合 成塔充压 开合成气阀SP1付线阀VX0036均压 逐渐关小防喘振阀FIC7 逐渐关小防喘振阀FIC8 逐渐关小防喘振阀FIC14 开放空阀SP72 合成现场图 开SP72前旋塞阀VX0035，准备排气 当合成塔压力达到1.4Mpa时换高量程压 力表 开新鲜气阀SP1，排气 关SP1付线阀VX0036 关放空阀SP72 关SP72前旋塞阀VX0035，排气结束 关进气阀HCV11，准备开工 全开驰放气PIC194前阀MIC18 开PIC-194设定在10.5MPa，投自动（108-F 出口调节阀） 开入102-B旋塞阀VV048 开循环气阀SP70，准备循环气 普通 S5 普通 S6 普通 S7 普通 S8 普通 S9 普通 S10 普通 S11 普通 普通 普通 普通 普通 普通 普通 普通 普通 普通 普通 普通 普通 普通 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 普通 S26 普通 S27 17

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