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1 概述
氮肥厂自诞生以来，造气工段由于生产工艺的特殊性加之生产环境较差，生产中的不定因素较多，使造气的技术进步受到制约。造气工段理想的全自动化连续生产多年来也是可望而不可及的事情。
随着科学技术的迅猛发展，从80年代中期，我国造气控制技术得到了长足的发展。以我们德隆公司为例，经过多年的努力已经完善了整个造气工段的各项配套控制技术。总结有：“造气生产综合优化控制技术”，包括加煤量、下灰量、入炉蒸汽压力、入炉蒸汽流量、氢氮比、阶段时间优化等控制和调节；“机电一体化自动加煤技术”，改变了过去在造气工段（尤其是小氮肥厂）普遍存在很落后的手动加煤的操作，把加煤过程纳入了造气生产控制系统里边，真正实现了加煤的全自动化；“油压系统技术”，取代了工艺阀门过去水压、气压的驱动方式，在我公司这一技术已经达到了十分完善和高度配套的程度。这三个技术在造气生产中可谓是三位一体，缺一不可。我们说在新上造气炉的厂家是一步到位的技术，它能实现造气控制设备配置合理（油压系统设备，自动加煤机设备等），所有控制项目一次实现，所有控制指标一次到位。从形式上，也是实现了造气工段无表盘化的现代化操作和控制。
那么，对于现在造气控制技术不完善的厂家，我们认为更应以造气生产中三位一体技术作为实现目标，否则，因造气控制设备不配套、不合理，该控制的指标不能实现，这些都会给造气生产水平，造气生产效果带来影响，从而影响企业的竞争能力，影响企业的总体效益。
2 造气生产综合优化控制技术
2.1 造气生产综合优化控制技术介绍
造气生产综合优化控制技术在造气生产中具有如下管理、控制方面的功能：
● 造气生产程控及工艺阀门的阀位检测、联锁和报警；
● 自动加煤及炭层高度和加炭量控制；
● 炉盘转速控制；
● 时间优化控制；
● 上下吹入炉蒸汽流量调节；
● 蒸汽总管压力的前馈补偿及调节；
● 氢氮比自动调节；
● 水夹套及汽包液位的PID调节；
● 风机和油压系统的管理、报警及联锁。
2.1.1 自动加煤及炭层高度和加炭量控制
首先采用机电一体化自动加煤机完成自动加煤控制，由于造气炉采用自动加煤，即每个循环加煤一次，且均匀分布在炉膛内，又由于煤在吹风阶段有预热过程，所以就加煤来说对炉温影响很小。在这基础上，我们把炭层的真实高度直接反馈到控制系统中，同时结合炉内温度，炉底、炉顶压力和生产负荷自动控制每一个循环的给煤时间，达到稳定炭层的目的。根据煤种和最佳生产状态的要求，炭层高度是可人工设定的。
2.1.2 自动下灰及炉盘转速和下灰量控制
自动控制下灰阀门动作，实现不停炉下灰。根据所测定的返焦率而认定的系数及炉盘温度、炉内温度和生产负荷自动调节炉盘转速，进而控制下灰量。
2.1.3 时间优化控制
综合炉膛内所测温度，上下行温度，炉盘温度，炉底、炉顶压力等参数，对炉况进行评估。在一个预先设定的范围内，根据模糊度参数在模糊控制对策表的隶属自动对吹风、上下吹时间进行优化控制，使煤气炉工作在最优的工况下，以达到增产降耗的目的。
2.1.4 上下吹入炉蒸汽流量调节
首先综合炉膛内所测温度，上、下行温度，炉盘温度及炉底、炉顶压力等参数，对炉况进行评估，当炉况高于预期值时，采用稳定流量控制（不能限制蒸汽量）；当炉况低于预期值时，蒸汽流量采用递减控制。如图1所示。
 图1 入炉蒸汽流量控制示意图
2.1.5 蒸汽总管压力的前馈补偿及调节
蒸汽总管压力的波动主要原因就是用气量的变化，即：造气生产进行上吹或下吹时，蒸汽阀门瞬间打开，使蒸汽压力骤降，当上吹或下吹结束时，蒸汽阀门瞬间关闭，使蒸汽压力骤升。传统的调节方法适应不了这样的被调对象，蒸汽压力照样波动很大，现在我们采用压力前馈补偿及调节的方案，保证了蒸汽总管压力不管在哪个阶段都能够稳定，始终在工艺要求值内。如图2所示。
 图2 蒸汽压调节框图
2.1.6 氢氮比自动调节
根据合成氨厂的生产工艺，合成氨氢氮比的控制，被控参数为合成工段合成塔内H2与N2的比例，控制参数为造气工段造气炉加入的氮空气量，实质上是以造气炉的制气强度和质量为主,以造气过程加入的氮空气量为辅的自动配氮系统。对象的显著特点是调节通道长，被调参数H2/N2值要经过造气、脱硫、变换、压缩、净化和合成等工段后，在合成塔入口显示出来，因此,H2/N2的调节是一种多变量的复杂调节系统，参数之间的函数关系没有固定的数学模型和分析方法,从现场分析看，这一调节对象有以下三个明显特性：
（1）纯滞后时间长；
（2）干扰因素多；
（3）系统的积分特性强。
根据合成氨生产过程化学反应原理，合成塔内氢和氮是以3∶1的比例来消耗混合气体中氢氮分子的，若要系统维持平衡，则要求合成塔补充的新鲜气以H2∶N2＝3∶1的比例来补充。新鲜气H2/N2大于3则在合成塔内将产生H2的积累，系统无法达到新的平衡。当H2/N2小于3时，则产生N2的积累。无论是H2的积累还是N2的积累都会造成合成系统压力升高，合成率下降，动力消耗增加，严重时会造成大量浪费。
控制方案的设计与实现
根据以上分析，对于这种干扰因素复杂、大纯滞后且不具有自衡性的控制对象，由于无法知道被控对象的数学模型，采用频率法与状态空间法也不能解决问题，我们打破常规，按照模糊控制理论与自适应控制的思想方法，应用神经网络理论，使氢氮比控制方案具有自学习、自组织、自分析、自判断、自适应的能力，针对生产过程动态变化的情况及时修正控制规律，不同的情况与不同干扰引起的偏差用不同的控制手段达到稳定H2/N2的目的。如图3所示。
2.1.7 水夹套及汽包液位的PID调节
这里所说的夹套液位，人人都知道它对安全生产非常重要，因为如果夹套液位不能保证，炉壁就易挂巴，严重就要造成停炉，直接影响生产，这一控制功能保证了两个液位的稳定，进而保证正常生产。
2.1.8 风机和油压系统的管理、报警及联锁
这一功能是保证风压和油压处在稳定运行状态,保证正常生产。
总之，造气生产是个系统工程，只有系统的各个环节之间达到协调、稳定，才能发挥出最佳效能。我们的造气生产综合优化控制技术正是综合所测温度、上下行温度，炉盘温度，炉底、炉顶压力等参数，对炉况进行评估后，同时在得到蒸汽压力稳定，实际测得炭层高度，返焦率，以及风压、油压稳定及夹套、汽包液位稳定情况下而实现的综合优化。它与局部调优、局部寻优有着本质的区别。它符合造气生产的技术发展趋势，是实现全自动化连续生产的极好措施。
 图3 控制系统图
2.2 造气生产综合优化控制系统装置介绍
2.2.1 系统组成及特点
分布式结构，多CPU工作的智能模块，风险分散，可靠性高，维护方便。
结构简单，扩充性好。通过PROFIBUS总线把各控制站连接在一起。
投资较少，功能强，操作方便。
2.2.2 控制系统功能说明
（1）每四台炉最好配置2个操作站，最多可八台炉配置两个操作站，操作站之间配合操作，互为热备。
（2）在操作站上用组态软件进行组态
● 监视显示(流程图 棒状图)
● 通过PROFIBUS，操作站与现场控制器进行参数交换
● 显示各参数历史趋势,实时趋势图
● 各参数的报表打印
● 各参数的设定、报警设置和显示
● 实现无表盘化，在操作站上可对煤气炉进行各种操作
（3）公共系统现场控制站
● 在公共系统现场控制站上实行氢氮比的控制，根据氢氮比值的大小,可对每台炉的加氮量（上加氮时间、下加氮时间、或回收时间）进行手动和自动控制。
● 蒸汽总管压力的前馈补偿及调节和报警联锁。
● 对公共系统各检测参数进行显示，纪录及报警。
● 风机和油压系统的管理，以及报警联锁。
（4）煤气炉现场控制站
每台炉有一套现场控制站，控制站均有如下功能。
● 2路PID（夹套、汽包液位PID）
● 上下吹入炉蒸汽流量调节
● 炉盘调速自动调节
● 时间优化控制
● 炭层的自动测量，自动加炭及炭层高度控制
● 程控逻辑
（1）各工艺阀门的逻辑控制
（2）各工艺阀门的检测,联锁及报警
（3）任何阶段的安全开车
（4）加氮操作
（5）可强行打开放空阀放空
（6）强行回收操作
（7）全上吹操作
（8）安全停车
（9）紧急停车
（10）阶段延时（暂停）
（11）阶段快进
（12）吹风自动排队
（13）制惰气
（14）各阀门的单独操作
（15）自动、手动的切换
3 机电一体化自动加煤技术
3.1 机电一体化自动加煤技术介绍
我公司经多年攻关，已经研制出适合φ2260mm、φ2400mm、φ2650mm煤气发生炉的机电一体化自动加煤控制装置。已经在不同煤种、不同炉型、不同厂房结构、不同产品的多家合成氨厂应用，有的已应用四年以上。现在看来，全部应用厂家无一不获得成功，无一不取得可观的经济效益，均认为是造气首选技改项目。为此，中国氮肥工业协会小氮肥技术开发部1999年7月在秦皇岛市召开了“造气机电一体化自动加煤控制装置”技术现场交流会，会议认为：机电一体化自动加煤装置在小氮肥厂实际应用表明，单炉发气量提高10%～15％，吨氨煤耗下降10％左右，改造投资回收期三个月左右。是一种投资少，见效快，改造方便，使用可靠的加煤装置，建议在小氮肥行业内推广应用。1999年7月我公司的“机电一体化自动加煤控制装置”又被中国化工勘察设计协会批准为化工工程建设标准选用定点产品。同时，也是中国氮肥工业协会在小氮肥行业推广的十项高新技术中的一个。
3.1.1 机电一体化自动加煤控制技术经济效益可观
采用“机电一体化自动加煤控制技术”有可观的经济效益，主要表现在以下四点。
①每天可减少因人工加煤造成的单炉停炉时间约为60min。
②可使造气生产中每个循环减少吹风时间约3s，这既能节煤又能增加产气量。
③变人工加煤上气道斜坡锯齿形大幅度波动炉温曲线为直线型温度曲线。
人工加煤每次都要将炉盖打开，损失掉大量的热量，同时加入大量冷炭（约1200kg）将红火压住，使炉温急剧下降。上气道最高温度和最低温度波动可达200℃左右，这就将炉子30min的人工加煤周期性制气效果分为三个阶段：A养炉阶段，B制气阶段，C衰落阶段。使炉子的整体制气效果大大降低。
采用机电一体化自动加煤控制装置后，改集中每次1200kg加煤为每个循环下吹阶段加煤75kg左右，炉温波动很小，从上气道温度曲线上可看出只波动10～40℃。
④能使炉渣的含碳量大幅度下降。
人工加煤每次1200kg左右，机电一体化自动加煤改人工集中大量加煤为每个循环下吹阶段少量加煤，每次约75kg左右，这就使煤燃烧得更充分，灰渣的残碳量大幅度降低。例如，陕西省城化股份有限公司上机电一体化自动加煤控制技术前，返焦率为16％～17％，上后返焦率降为9％左右。
我公司开发的机电一体化自动加煤控制装置适用性强，主要表现在如下四个方面。
①造气厂房结构不受限制，只要工字梁底面距炉口垂直距离在3.7m的任何造气车间均可（国内还没有见到低于此距离的造气车间）。
②煤种不受任何限制，中国地域之大，合成氨造气煤用多种多样，这样加煤机的适用性就受到了挑战，煤球还好说，就煤块粒度而言，尽管工艺要求直径在75mm左右为宜，但有的厂采用小粒煤，还有的厂块煤粒度在200mm以上就入炉。我公司经实际勘察，吸取经验教训，开发出不同型号的加煤机来适应不同煤种、不同粒度的块煤、不同粒度的焦炭。也就是说可根据煤种及粒度大小情况来配相应型号的加煤机。目前，我公司有适应煤球造气的加煤机，有适应煤球和煤块混烧的加煤机，有适应小粒度煤造气的加煤机，有适应较大粒度块煤的加煤机，有适应纯焦炭的加煤机。
③炉子类型不受限制，从φ2260mm一直到φ3600mm煤气发生炉，我公司都有配套的自动加煤装置。
④工艺条件及工艺要求不受限制，由于加煤机的两道密封结构，使炉子的任何工况都处在密封状态，所以加煤机不会给炉子运行增加任何附加条件和要求。由于造气炉控制微机具有适应任何工艺要求的软、硬件。而机电一体化自动加煤控制装置就是将自动加煤机的各个参数容在了制气循环程序中，使炉子的加煤与制气过程形成一个整体，使炉子在良好、经优化选择的参数下运行，挖出炉子的潜力。
3.1.3 技术可靠性强
经四年多应用厂家的实践表明，机电一体化自动加煤控制装置密封性能好、运行可靠，能够在造气车间这样的恶劣条件下长期运行，性能大大高于原设计要求。
3.2 机电一体化自动加煤控制装置介绍
它由两部分组成，一部分是控制微机、一部分是加煤机。
为自动加煤配套使用的程序控制机除了具有一般的造气炉程序控制功能外，还必须对整个给料系统进行合理可靠的控制，其控制过程必须与造气的程序控制有机地结合在一起，达到最优状态。
对于自动加煤机，我们是吸收了中氮厂多年的经验，遵循制气规律，顺应技术发展趋势而开发出来的新技术产品。其结构取众家之长（如图4所示），它包括如下部分：
①布料器及布料器油缸；
②圆盘阀及圆盘阀油缸；
③给料器（插板阀式给料器）及给料器油缸；
④料仓（中氮厂料仓一般为水泥结构；小氮厂可采用钢板结构）。
以上部分的油缸都是由原造气油压系统驱动。
 图4 加焦机示意图
正常生产时，每个制气循环（有的厂是120s一个循环，有的厂是150s一个循环）加一次煤。圆盘阀与布料器始终有一阀为关闭，即炉子在任何阶段都是密封状态，并且布料器动作时间可调；圆盘阀的动作完全与给料阀动作协调，并且给料时间可调（可精确到0.1s）。
我公司开发的机电一体化自动加煤控制装置布料方式任选，布料形式（布料器大小）可根据炉膛大小来确定。
4 油压系
油压技术多年来一直得到广大氮肥厂、煤气厂的重视。通过应用厂家的经验总结和我公司在这一技术上的不断开发，造气油压技术一直向可靠、配套、完善、规范通用、具有可扩展性这个良好的方向发展。
4.2.1 可靠
指的是这个技术应用后，故障率应该是很小的，这要靠钢管的酸洗、安装、吹除、试漏、保压等环节的保证和液压件、液压设备质量的保证。投运后使其始终处于良好的状态，保证正常生产。否则，就会三天两头出问题，致使有的厂家又把油压改回水压。更有甚者还会把整个企业的生产拖垮。
4.2.2 配套
4.2.2.1 油管路的配置
高、低压总管拟采用φ57×3.5mm的钢管；高、低压总管到阀站拟采用φ38×3mm的钢管；高压总管到蓄能器拟采用φ57×3.5mm的钢管；低压总管到蓄能器拟采用φ25×2.5～3mm的钢管；阀站到工艺阀油缸拟采用φ25×2.5～3mm的钢管。
4.2.2.2 阀站中换向阀的配置
换向阀有两个功能，一个是油路的换向，另一个是决定油流量的大小。而工艺阀门动作速度一个是取决于压力，另一个是取决于油的流量。在造气生产中，工艺阀门动作速度越快，越有利于生产。以一台φ3m造气炉为例，如果工艺阀门每动作一次慢一秒钟的话，全年将给企业造成二十万元的损失。可见，工艺阀门动作速度很重要，如果油压一定，那速度就取决于油的流量了。目前市场上有四种换向阀，四种换向阀的情况见表1。
 4.2.2.3 油缸、高压胶管、接头体的配置
为了保证工艺阀门的动作速度，油缸胶管、接头之间的配置也需要合理性，如表2。
 4.2.3 完善
4.2.3.1 技术完善
造气生产的安全很大程度上是靠油压技术来保障的。例如，油压联锁技术见图5：这个技术的完善就能避免过氧现象的出现，保证生产系统的安全。又如，工艺阀门开关速度快有利于生产，但却会带来油压系统震动加大，工艺阀门容易损坏的问题。为了解决这个问题，所采用的油缸内部要带缓冲结构。这都是技术完善范畴之内的。
4.2.3.2 设备完善
如果油压系统是按照正规要求配置设备，这个问题不明显。最怕是用户对技术了解不够深入，提供油压设备的单位又不负责任。例如，一个化肥厂油压系统的油温太高，当需用冷却水冷却的时候，却发现泵站油箱里没有冷却盘管。诸如此类的油泵站没有卸压阀，蓄能器没有充氮工具，油压件没有检验装置等，这些都在完善之列。
4.2.4 规范通用
指的是油压系统的模式要规范化，配置要基本化，各部分连接要标准化。全部油压设备应采用国标、部标产品，以保证通用性。这些保证了，也避免了企业在备品备件上的后顾之忧。
4.2.5 可扩展性
造气生产越来越向着全自动化连续生产方向发展。例如，原来手动加煤现在是自动加煤；原来是手动下灰现在可以自动下灰。这些都要求油压系统跟上发展的需要，也就是说油压系统动力源容量要大。其方法，泵站系统可采用开一备一，开二备一，开三备一模式；也可采用大容量的泵站，其泵站形式和可供范围见表3。
阀站的阀位可根据需要来确定。目前的阀站形式和适用炉型如表4。
 图5 油管路联锁图
 还可以根据用户需要确定阀站的阀位和不同规格的换向阀的数量。
总之，这些装置能随意扩展，以保证生产的需要。也就是说，不管是哪种规格工艺阀门，开关动作速度都应≤3s。
综上所述，造气油压技术在煤造气生产中占有重要地位，一定要引起足够的重视。对原来系统先天不足，系统不配套的厂家一定要尽快下决心，该淘汰的淘汰，该改进的改进。去掉卡脖子的地方，使造气油压系统真正达到理想、可靠的程度。
5 造气三位一体技术推广应用情况及前景展望
5.1 三位一体技术应用情况总结
目前，有二十多家中氮厂和近三百家小氮厂采用我公司开发的油压系统技术；机电一体化自动加煤技术在全国包括中氮厂在内也有六十多家企业采用；造气生产中的三位一体技术已被江苏张家港市化肥厂、宜兴化肥厂、昆山化肥厂，山西晋城第一化肥厂、晋城第二化肥厂、山西天脊集团一、二、三期工程，河南汝阳化肥厂、修武化肥厂、驻马店骏马公司，息县化肥厂，山东寿光化肥厂等氮肥企业应用。以张家港市化肥厂为例，该厂早在2000年11月就已投运成功，达到设计水平，该厂自采用这个技术以来，使得开三台φ2.4m造气炉就能日产合成氨180t，最多达190t以上。同时整个造气生产实现了无表盘化操作，确实觉得是现代化控制。从张家港化肥厂成功采用这项技术以来，全国有上百家氮肥企业前往考察，对这项技术给予了充分的肯定，要求上这一技术的呼声很高。又如山西晋城二化采用这一技术后，显示了造气自动化生产的优势，提高了操作人员的技术水平，强化了管理及成本核算，彻底扭转了生产被动局面，使得开φ2.6m炉烧小粒煤，单炉发气量可供5.5～6级，且炉渣返焦率显著降低。现在又有湖南岳阳化工厂，山东海化集团，河南郸城化肥厂，中原气化公司（34台造气炉），河北冀州银海公司等采用了这项技术，有的正在安装投运。现在看，不管是已上这一技术的厂家还是经考察后没上的厂家，均认为造气生产中三位一体技术确实是造气生产必选的技术项目。
5.2 使用前景展望
5.2.1 成功的技术能使应用企业放心
早在上个世纪80年代末我公司就成功开发推广了造气微机油压控制技术；在上个世纪90年代初我公司开发的造气蒸汽压力及入炉蒸汽流量控制技术在广大氮肥厂得到广泛的应用；上世纪90年代中期我们成功地把造气氢氮比控制技术奉献给了广大氮肥厂，1998年我们又成功地推广了机电一体化自动加煤控制技术。造气生产综合优化控制技术是我公司在上述造气各分项控制技术得到成功推广后而开发成功的，这样就造气生产中三位一体技术本身而言不存在不成熟，不可靠，不先进的问题，所以，广大氮肥企业尽管放心采用。
5.2.2 一步到位的技术是新上造气项目的首选
造气生产中由于不定因素较多，各个控制指标的实现一直都是造气控制技术开发单位研究的课题，随着技术的进步，造气控制技术也在不断发展和提高，使氮肥企业能够有目的地选择造气相关技术，现全国六百多家氮肥企业采用相关造气控制技术的情况如表5。
 统计表明，这些造气控制技术全部采用的企业不多，没采用的企业不是不想上，而是由于资金问题，生产条件问题以及这些技术本身的成熟问题，相互之间的接口，配套问题等等。
现在，我公司的造气生产中三位一体技术，是在造气分项控制技术都成功推广的基础上，综合实现造气生产的管理，综合实现诸多而且必须的造气控制技术。全部实现无表盘化操作，所以，新上造气项目选用造气生产三位一体技术，省得考虑了微机油压技术再考虑氢氮比控制技术，再考虑自动加煤技术等等，而且不需要进行参数显示的二次仪表资金投入，可谓一步到位。从投资上讲，采用三位一体技术和采用分离式专用装置基本一样，但三位一体技术则是有现代化的模式和现代化的水平。
造气的全自动化连续生产是自有化肥厂以来广大操作工由来已久的愿望，全厂各工段控制的计算机联网，过去也是造气工段无法实现；全厂计算机调度系统过去也是造气工段无法进入。自从造气生产综合优化控制技术在造气工段成功推广应用以来，既实现了造气的全自动化连续生产，又使过去不能实现的全厂联网，全厂的计算机调度系统得以实现。
我们作为造气控制技术开发单位感到欣慰，这也是我们多年来奋斗的目标，现在终于实现了，从形式上它实现了现代化控制，从技术上它完善了整个造气工段的控制技术，这也正是造气控制技术的发展所在，相应的造气生产中三位一体的技术是符合技术发展趋势的，它满足了我国间歇式煤造气的需要。 |
