天然气蒸汽转化制氢装置水碳比控制及联锁设计优化探讨

2021 2 第44卷第1期
Feb.2021Vcl.44 N o .1
Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry
天然气蒸汽转化制氢装置水碳比
控制及联锁设计优化探讨
蒋超
（中石化宁波工程有限公司，浙江宁波315103）
摘要：在天然气蒸汽转化制氢单元中，水碳比控制和联锁设计是非常重要的环节。

结合以往天然气转化制氢
装置工 经验，提出水碳比控制及 的优化方案,以满足改进后控制方案的 和可操作性，进而实现
水碳比的平稳控制，确保装置的正常连续生产。

关键词：天然气转化 碳比
制
1概述
天然气蒸汽转化制氢工艺的基本原理是以天 然气为原料，通过转化法将天然气中的CH #与
H 2O 进行反应进而制得含H 2、CO 和C02的转化 气，而后经一氧化碳变换、变压吸附/膜分离可制
得高纯度产品氢气，也可进一步净化及反应合成 可制备合成氨、甲醇等产品。

该工艺路线技术成
熟，工业应用范围广，与煤气化制氢工艺相比具有
高生产率、低投资、低能耗、低污染等优点⑴。

目前 国 广应用的天然气蒸汽转化工艺技术 ：
有 Technip 工艺 & Kellogg 工艺、Uhde 工艺、Tops !e
工艺和Linde 工艺等，每1 000 m 3的H 2综合能耗
基 11.30〜12.56 GJ 2。

以 天然气蒸汽转化
工艺为 ， 的天然气蒸汽转化工艺
原
料气理&蒸汽转化和一氧化碳变换三个单元组
成。

天然气中有机硫化物组分通过 化反应转化 为H 2S 气体， 硫后的天然气经高 后进入
一 转化 ， 与蒸汽
化 用 转化生
成 H 2， 得 的 分转化气经
线进
转化
度转化 。

度转化气 进
入高&低温变换 生一氧化碳变换反应，将转化
气中 分的 CO 变换成 CO 2。

工艺 1 。

空气
空气压缩机
天然气—P 「
高温变换炉
原料气 压缩机
二段 转化炉
工艺蒸汽
原料气 脱硫
H
一段转化炉
低温变换炉
g 去下游单元
图1典型天然气蒸汽转化制氢工艺流程2
2水碳比在工艺过程中的作用
天然气蒸汽转化制氢装置中，水碳比不仅
是转化反应 衡和转化反应速度的
影响因
素，同时，一转化的转化工 制 中， 碳比的 制也是最复杂、最重要的工艺 制指
标之一 O
脱硫后的天然气作为原料气，与来自管网的
收稿日期：2020-08-11 ；收到修改稿日期：2020-11-24。

作者简介：蒋 超，男，1991年6月出生，硕士研究生
，工
程师,2014年毕业于英国诺丁汉大学化学工 专业，现在中 化
宁波工程有限公司工艺系统室工作。

联系电话：************* ；E-
mail : ************************。

2021年第44卷2
中压蒸汽一起混合，通过调整为合适的水碳比后一同送至一段转化炉的对流段进行预热，经过加热后的进料气再通入一段转化炉中装填有催化剂的炉管内进行反应。

水碳比为这两股物料的摩尔比，即进入转化炉管的中压蒸汽分子的摩尔流量与天然气中的碳原子总摩尔流量之比。

根据下游产品方案工艺流程的不同，一般情况下正常的水碳比范围为（2.5〜3.5）：13。

水碳比过，蒸汽量过大，一段转化炉内燃料气量加、热，营成本加，同时还可能催化剂的钝化；当水碳比过低,转化炉管内催化剂碳，炉管压降加，影响反应，降低转化率，甚至导致催化剂,反应不，一段转化炉量,进气产下降，转化炉炉管过热
,降低了转化炉炉管的，对装置
的经。

3以往装置水碳比控制及其缺点
天然气转化制氢装置中通常设计2个单一控制变量调，分控制进入一段转化炉内反应的天然气中压蒸汽的流量,通过DCS计天然气中的碳摩分,后与中压蒸汽流量计的进行水碳比,同置水碳比的、催化剂,催化剂钝化、碳。

控制图2。

中FIC201为天然气流量控制器,FIC202为中压蒸汽流量控制器。

的天然气量流量通过天然气流量计（FN201）,DCS中转换为原料气中的碳原子摩分,与中压蒸汽流量计模块（FN202）的一起计算并通讯至水碳比示模块（FFI201）。

图2现有装置水碳比控制方案
FE201—天然气流量计;FT201—天然气流量计变送器；FV201—天然气流量控制阀；FE202—中压蒸汽流量计；FT202—中压蒸汽流量计变送器；FV202—中压蒸汽流量控制阀
然,根据装置工程计经,水碳比控制方下：
1）水碳比常。

与水碳比计的天然气中压蒸汽流量分进行控制调,有2量能的水碳比控制一合的范围内,一流量量至故障，水碳比就常I 现象。

外，由天然气和中压蒸汽均为气介,密度受介度、压力变化较为显著,若现场行工况不，物料进料参数一的，直接两者流量量的度。

尤其是厂中压蒸汽管网波动或进料原料气压特变化时,水碳比的量愈发明显，至触发引起装置停车，行的安。

2）控制滞后性。

当上游原料气的种类发生变化，中H类组分也之变化,操人员在没有最新的原料气组成数据时，能人为根据操作经手调整中压蒸汽的配比量。

到新进料H类组分数据后，再手动输入到DCS相应计中，到最适宜的水碳比以调整生产。

可见,该种控制方案一的滞后性,无法满足原料气组变化调整时水碳比及时、精的控制要求。

3）蒸汽消耗量偏大。

由于在现场实际运行过程中经常现中压蒸汽管网的现象，为匚蒸汽不足的一段转化炉内催化剂碳、炉管过热超温等,现场操过程中通常水碳
第1期蒋 超.天然气蒸汽转化制氢装置水碳比控制及联锁设计优化探讨
3
比的正常值设定得偏高，从而保证蒸汽过量⑶。

但 是这势必会造成装置的能耗上升，一段转化炉的
热负荷增加。

为了解决上述问题，通过深入分析天然气蒸 汽转化制氢工艺特点及参考其他装置先进的自动
控制方案,提出一个水碳比控制改造优化方案,以
满足控制方案的安全可靠性和可
性，进而水碳比的 控制，保转化制氢装置的正常
,提高
的
效益。

4水碳比控制及联锁方案优化
为保证转化炉内反应正常稳定的进行，不仅
需要保证 水碳比 的 参 量的 I
性， 工设 段考水碳比控制 及的 性。

水碳比控制
为天然气转化工艺
的控制 一，了需
满足正常行水碳比控制一定 内，
必 满 足 转 化 炉 负 荷 动 一 定 的 安 全 保障。

水碳比控制优化 “ + ”的控制
:% 控制”是 转化炉负荷增加时,蒸汽流量的增加 优先于天然气量的增加；而“后
控制”是 转化炉负荷 ，蒸汽 量的 '
天然气量的 。

这种控制方能
水碳比调节控制
内，
期内因负荷波动出现水碳比骤降而触发联锁，进
而 转化炉 ， 保反应炉内
化的 。

上述控制逻辑，在原有转化炉进料水碳
比控制改造方案，增一
的比值控制 ， 提
控制方案，
以满足工艺
，增 装置自动化 及安全性，
确保 安全。

该控制 以蒸汽 量为主动变
量，天然气 量为从动变量。

负荷提升，
可以根据装置 际 行情况提高设定值，通过高
选器(High Selector )以实现蒸汽流量先增加，天然 气流量增加。

负荷 ，可以适 「低
设定值,通过 选器(Low Selector )以实现天然气
量 先 ， 而 通 过 高 选 器 ( High Selector )
蒸汽量⑷。

此外,为了保证用于水碳比计算的蒸汽、天然
气流量测量的
性，参与转化反应的天然气
量测量方案采 温度、压力、分子量补偿,得 天
然气量补偿校正值。

参与转化反应的蒸汽量
测量方案采温度、压力补偿,得出蒸汽量补偿
校正值。

两者 DCS 通过进一步 ，分别得出蒸汽分子的摩尔数以及天然气的碳子总摩尔,进而 水碳比。

优化 的水碳比控制方案
如图3所示。

中压蒸汽 质量流量
碳原子摩尔 手动分率设定值
图3水碳比控制优化方案
天然气质量 手动流量设定值
帆入
厂FN 、
L zoia J 1
4.1天然气流量控制改造 素，因此天然气流量测量的准确性就显得尤为重入炉天然气量是影响转化反应的关键 。

来自于界区的天然气作为反应
气，过原
2021年第44卷4
料气压缩!加氢预处理!脱硫!预热工段后送至一段转化炉入口。

天然气实际流量经过流量计变送器FT201测得,同时在老厂原有的配置上新增了天然气温度!压力和分子量的补偿。

天然气压力!温度、流量测量值输入DCS,通过天然气分子量的调整与修正,经天然气流量计算模块FN201完成补偿计算，得出补偿校正后的天然气流量。

天然气流量补偿计算公式如下：
啓&o%!常%仏%版⑴
式中:你-%天然气流量补偿校正值(FN201',kg/h；
几一天然气流量(FT201)测量值,kg/h；
"%天然气压力(表压)(PI209'测量值,x l0-' MPa；
"o%0.1033MPa；
"—天然气压力基准参考值(表压),x10-1 MPa；
天然气温度(TI209'测量值,#；
#0%273.15K；
#9%天然气温度基准参考值,K；
MW%天然气分子量(FN201A),来自DCS手动输入；
MW-天然气分子量校正值(FE201)o
经验，天然气流量校正值应该为天然气流量测量值的0.7~1.2，目的
止测量元件变送器故障导致的假信输入，i
引起校正值失真。

校正后的流量信器FIC201的输入变量，与天然气下流量调节阀(F V201)构成调天然气进料量。

同时,FIC201还能接收从水碳比赋值模块(FFN201)的值。

4.2流量改造
转化的来自厂中压,入一转化炉入口的
分成：的蒸汽和来自中压的。

实际流量经过中压流量计变送器(FT202)测得，同时在老厂原有的配置上新增了中压蒸汽温度和中压压力补偿。

中压压力、温度、流量测量值输入DCS,经中压蒸汽流量计算模块FN202完成补偿计算，得出补偿校正后的中压蒸汽流量。

中压流量补偿计算公式如下：
w%!骨%仏⑵式中：F ms'—中压蒸汽流量补偿校正值(FN202), kg/h;
&0'—中压蒸汽流量(FT202)测量值,kg/h；
中压蒸汽压力(表压)(PI208)测量值,% 10-1MPa；
"0—0.1033MPa；
代'一中压蒸汽压力基准参考值(表压),x10-1 MPa；
中压蒸汽温度(TI208)测量值，&;
#—273.15K；
人'一中压温度基准参考值,K。

与天然气流量校正值,中压流量校正值也通流量测量值的0.7-1.2倍。

此外，若下元配置,
的与来自的中压一后转化通入一段转化炉,转化量考、出口蒸汽流量偏差值。

在DCS系统中可新增加1个蒸汽流量值模块(H N202),该设定值与
、出口中压流量
差值。

与中压蒸汽流量补偿校正值(FN202)加得到中压蒸汽总流量(FN202A),以参与后。

4.3化
原有置的诸多缺点，提出了的回路，通过在天然气流量或气体组分变化时保持中压适当过量，保证在原料气进料参数变化的情况下保持稳的:比。

根据图3所示的化，现场通过DCS功能模块FN201C手动输入天然气质量流量控制值，与装置生负荷相对的所需天然气料流量；现场通过DCS功模块FN201E 手动输入天然气摩尔分数(碳原子/天然气)；通过DCS功能模块FN201A手动输入与碳摩尔分数相对应的天然气分子量。

4.3.1水碳比的计算
4.3.1.1天然气原子总摩尔流量
料天然气中原子摩尔流量原料气中碳原子含量和实际原料气摩尔流量的比值,经DCS功模块FN201B模块计算得出。

天然气原子总摩尔流量计算公式如下
：
第1期蒋超•天然气蒸汽转化制氢装置水碳比控制及联锁设计优化探讨5
皿"#⑶
式中：F1—进一段转化炉的天然气碳原子总摩尔流量(FN201B) ,kmol/h；
F—碳原子摩尔分率(FN201E)(手动输入),
0.9-1.1；
F ng—天然气流量补偿校正值(FN201),kg/h；
MW—天然气分子量(FN201A)(手动输入), 15~20。

4.3.1.2中压蒸汽分子摩尔流量
进入一段转化炉入口处参与反应的中压蒸汽总质量流量为：
砂=甩+!8：'(4)式中：砂一进入一段转化炉的中压蒸汽总质量流量(FN202A),kg/h；
F t,'—中压蒸汽流量补偿校正值(FN202), kg/h;
F s：'—中压蒸汽流量偏差设定值(HN202)(手动输入，其数值等于正常运行时凝液汽提塔实际消耗/生成的中压蒸汽量),kg/h+
实际进入一段转化炉的中压蒸汽分子摩尔流量计算公式如下：
式中：片'一进入一段转化炉的中压蒸汽分子摩尔流量(FN202B),kmol/h；
F2'—进入一段转化炉的中压蒸汽总质量流量(FN202A),kg/h；
18.015一中压蒸汽分子量。

4.3.1.3水碳比
实际的水碳比计算公式如下：
等⑹
式中:$—实际水碳比(FFI201)；
F i'—进入一段转化炉的中压蒸汽分子摩尔流量(FN202B),kmol/h；
F i—进入一段转化炉的天然气碳原子总摩尔流量(FN201B),kmol/h。

4.3.2交叉限幅控制
FN201D为交叉限幅控制模块，其功能特点是当所需天然气进料流量增加时，功能首先提高中压蒸汽进料量，然增加天然气流量，当所需天然气进料流量减少时，功能天然气流量,中压蒸汽进料量,的是进料荷波动的过程中始终保持中压蒸汽
当过量。

利用FN201E的碳摩尔分数FN201A的分子量模块,的天然气质量流量转
为天然气中碳原子摩尔流量,时限制进料天然气中时碳摩尔流量变化率不超过5%,以保证与水碳比计算的天然气流量的定。

功能模块的输值时分参与天然气流量设值(FN201G)和碳摩尔流量高选(FN201K)两个功能模块的运算,分进入一段转化炉的天然气流量控制器(FIC201)和中压蒸汽流量控制器(FIC202)。

与时，现场DCS上输入设定的进料天然气质量流量控制值(FN201C),过FN201D功能模块设值转为碳原子摩尔流量,
进一输于限幅控制。

计算公式如下：
F c=F2X^MW⑺式中：F c—天然气碳原子摩尔流量设定值(FN201D),kmol/hh；
F2—碳原子摩尔分率(FN201E)(手动输入), 0.9~1.1；
!—进料天然气质量流量设定值(FN201C), kg/h；
MW—天然气分子量(FN201A)(手动输入), 15~20。

4.3.2.1碳原子摩尔流量
经过温度、压、分子量补偿校正过的天然气质量流量(FN201)输为天然气流量控制(FIC201)的过程变量，过FN201B功能模块与来自分子量模块FN201A碳摩尔分率模块(FN201E)的输入其转为碳原子摩尔流量。

通过FFN201手动输入所需的水碳比(水碳比设值常为C~4.5),进一天然气摩尔流量计算模块(FN201J)。

FN201B输FN201K,与碳原子摩尔流量设值(FN201D)进行比较，择较大数值为FN201K输,与所需水碳比设值FFN201一天然气摩尔流量功能模块FN201J计算所应中压蒸汽摩尔流量,时FN202C功能模块中中压蒸汽摩尔流量转为质量流量,进入一段
2021年第44卷
6
转化炉的中压蒸汽流量控制器(FIC202 )。

具体控 证天然气转化装置负荷不会随中压蒸汽管网的波
制回路如图4所示。

其功能特点是“以碳定水”，保 动而波动，保障了系统运行的稳定性。

天然气质量
手动邂量设定售
输入
K FN 1 201C 丿
kg/h
O
图4碳原子摩尔流量高选控制方案
厂FN 订k 201B 丿
天然气碳原子 摩尔流量设定值
1 kmol/h
< FN >c ・
< 201D >
k 201K J kmol/h kmol/h
天然气碳原子 总摩尔流量
水碳比中压蒸汽设定值
流量控制器
K FFN 打< FIC 、
k 201 J < 202 丿
~F
\1 O (LJ □1 SP K FN N 厂FN 、k 201J J r
< 202C >
kmol/h
kg/h
输入中压蒸汽流量控制器的设定值FN202C 计算公式如下：
18.015
(1)
式中：！)!
一中压蒸汽流量控制器(FIC202)设定值 (FN202C ),6g/h ；
九一碳原子摩尔流量最大值(FN201K ),
6mol/h ；
"
sp
—水碳比设定值(FFN201 )；
18.015 一中压蒸汽分子量。

4・3・2・2中压蒸汽摩尔流量低选
在DCS 上输入的水碳比设定值FFN201作为
中压蒸汽摩尔流量除法计算模块(FN201F )的输入 信号,在功能模块FN201F 中将中压蒸汽总摩尔流
量(FN202B 中计算得出)与水碳比设定值FFN201
相除，计算得出进入一段转化炉的中压蒸汽摩尔
流量，以定 值 的 碳原子摩尔
流量。

在低选器FN201G 中，将功能模块FN201F 输 出的 碳原子摩尔流量 在DCS 上通过
FN201C 输入的进料天然气流量等效折算出的碳 摩尔流量设定值FN201D 行比较,较低的值输出
时在FN201H 功能模块中将天然气摩尔流量转 为量流量，以置入 转化炉的天然气
流量控制器(FIC201 )。

具体控制回路如图5所示。

其功能特点是 中压蒸汽量 定 料天然气的
量，即“以水定碳”，从而确保当中压蒸汽流量发生
波动时水碳值不会 ，进而有效避免了水碳过低装置
的 。

手动
中压蒸汽
kmol/h
水碳比
& kmol/h
天然气质量 流量设定值
流量转换模块厂FN 、
< 201D 丿
kmol/h
kg/h
O
< FIC >
< 201 >
SP kmol/h 天然气流量 控制器
图5中压蒸汽摩尔流量低选控制方案
输入天然气流量控制器的设定值FN201H 计 算公式如下：
化二( 9 ) 5一 %2
式中：！5—天然气流量控制器(FIC201)设定值
(FN201H ),6g/h ；
!+in —碳原子摩尔流量最小值(FN201G ), 6mol/h ；
MW —天然气分子量(FN201A ),15〜20；
%2—碳原子摩尔分率(FN201E ),0.9〜1.1。

4.4水碳 方案化
天然气转化装置水碳比联锁功能通过SIS 系统实现。

水碳比SIS 联锁不参与控制&其操作权限
等 在DCS 系统之上，
其 量
的
行
置, 以 DCS 系统
量仪表而
的 动，高SIS 系统的
性°SIS 系统中的水碳 计算方法 DCS 中计 算方法 , 转 的天然气流量
、压、分子量 计算，中压蒸汽流量 、压 计算+天然气流量、中压蒸汽流量
水碳
信号均采用3选2联锁逻辑。

优
的水碳 方案如图6所示。

在 水碳天然气进料
方案
中，新增1个压力表(PT207 "和温度计(TE207),各
第1期蒋 超.天然气蒸汽转化制氢装置水碳比控制及联锁设计优化探讨
7
输出3个温度、压力信号，同时将现有的流量计 (FE201)新增3组流量变送器(FT201A/B/C ),用
于SIS 系统中天然气流量信号温压补偿计算%经过
温度、压力和分子量补偿校正后的3个天然气摩
尔流量输出信号(FN203A/B/C ) —边通讯至DCS 系统进行天然气流量指示报警(FIA201A /B /C ),
另一边分别参与一段转化炉进料天然气流量低低
联锁(FSLL203)和天然气碳原子总摩尔流量运算
(FN203D /E /F )%而在中压蒸汽进料线上,新增1
个压力表(PT206)和温度计(TE206),各输出3个 温度、压力信号,同时将现有的流量计(FE202)新
增3组流量变送器(FT202A/B/C ),用于SIS 系统
中蒸汽流量信号温度、压力补偿计算o 经过温度和
压力补偿校正后的3个天然气质量流量输出信号
(FN204A /B /C ) 一边通讯至DCS 系统进行中压蒸
汽流量指示报警(FIA202A /B /C ),另一边参与中
压蒸汽气总流量运算(FN204D /E /F ),并与天然气
碳原子总摩尔流量信号一起通讯至水碳比计算模
块(FFY203A /B /C )得出最终水碳比,并且进一步 输出参与水碳比低低联锁(FFSLL203) o
进入一段转化炉的天然气流量低低联锁
(FSLL203)或水碳比低低联锁(FFSLL203)时，将会
一段转化炉联锁 , 天然气和中压蒸汽正
运行时的流量控制器FIC201和FIC202的串级
,改为自动 ，通过各自的流量控制器将进
入一段转化炉的进料天然气流量调低至正常流量 的50%，将进料中压蒸汽流量降低至正常流量的 67% o
—.
中压蒸汽质量
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V 208 J V 206
V 207 V V 209 y
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206
ft a J I r PI N
202B
J |\ 2辛6 / 去DCS 控制
"FTvJj ］丨「 |
202A/7 < PT A < PT A
去DCS 控制
去DCS 控制
图6水碳比联锁优化方案
5结束语改进后的水碳比控制联锁方案处于一个更加 经 的水，优化后的 联锁 有
更的
和。

通过方案 , 在 和进料气参 变化时碳
原子摩尔量计算的 ,
水碳比
的 在
， 天然气蒸汽
转化
的 O DCS 系统用于水碳比
；
和计算,SIS 系统用于水碳比 联锁 1
, 用于 系统的现
表
,
用于 计算的 表信号 通讯至同一 器
进行调 联锁 行， 系统 动
, 同时通过 信号
报警 , 更增 优化方
案在 运行过程中的 、自动化度和
, 进而 的正 ,
化
周期 运行， 的经 。

参考文献
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(下转第16页)
2021年第44卷16
提塔底部温度一般最高不宜超过207!，若运行发现系统出现超温,要及时进行调整，将温度控制正常指标范围内&
5.2.2严格控制系统的加氧量
系统的加氧量是汽提塔形成钝化膜的关键&系统加氧量不足，会导致钝化膜形成不好，出现缺氧腐蚀；系统加氧量过大,尾气放空量增多,系统的氨损失增加。

因此，正常生产中70%以上负荷控制在正常指标的中等偏下，减少尾气放空；正常生产中70%以下负荷控制在正常指标的中等偏下为宜；系统在运行过程中若出现钝化空气中断，而且在时间（一般不超过10min（不能恢复时，做紧
5.2.3汽提塔的控
保证汽提塔蒸汽冷凝液分离器液位在45%~ 55%,液位过成中压过热蒸汽不为合格的中蒸汽及汽提塔列管超温&液位过会造成中压饱和蒸汽带液，对汽提塔形成&5.2.4封塔时间的确定
时系统不，
种工况下塔时不：①系统因断氨而出现，若系统氨一控制在指
下运行，时不系统多加氨，此下塔时不超过12h；②时，若塔时
以系统加一量的氨，且系统氨
控制正常，此下封塔时间不超过24h；③如果，2~3h，将系统氨碳比、加空气量控制在指上运行，将控制在指的下运行，塔时系统多一时间的氨，下系统塔最多36h。

6结束语
过的严格，汽提塔
，年大汽提塔行，整好，发现汽提塔列管出现的情况*
SPECIAL TOOL FOR LIQUID DISTRIBUTOR
DETECTION IN THE STRIPPER
Wang Bin
{Henan Energy and Chemical Group ZhongyuanDahua Co.，Puyang457000( Abstract:A special tool for liquid distributor detection and its mechanism were introduced.The application of the tool guaranteed the liquid distribution in the urea stripper，and played an important role in protecting the equipment and in saving the steam consumption.
Key words:liquid distributor；U type pressure gauge；erosion and corrosion
(上接第7页)
WATER CARBON RATIO CONTROL AND INTERLOCK DESIGN
IN SYNTHETIC AMMONIA PLANT
Jiang Chao
(SINOPEC Ningbo Engineering Co.，Ltd.，Ningbo315103#
Abstract:Water carbon ratio control and interlock design are the very important elements in hydrogen preparation unit by natural gas steam reforming in synthetic ammonia bined with the previous engineering design experience，we updated the synthetic ammonia plant in a fertilizer factory，presented the plan to optimizing water carbon ratio control and interlock in order to meet the safety and operability requirement after updating，therefore to achieve the balance control of water carbon ratio，and ensure the normal and continuous operation of the plant.
Key words:synthetic ammonia plant；water carbon ratio；interlock design；compensation calculation；limit
control。