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李鵬（1976－）
               
男，電氣工程師，現(xiàn)為大連理工大學(xué)控制工程碩士專業(yè)
在讀碩士研究生，主要從事DCS、可控制儀表的研究。

　　1 引言

　　大連煤氣新廠制氣裝置以液化石油氣為生產(chǎn)原料，采用常壓間歇式循環(huán)改質(zhì)制氣工藝來(lái)生產(chǎn)城市煤氣。生產(chǎn)裝置投產(chǎn)初期，按照設(shè)計(jì)要求該廠采用烯烴含量低于15%的原料進(jìn)行煤氣生產(chǎn)，此時(shí)，生產(chǎn)裝置的各項(xiàng)工藝參數(shù)易于控制，生產(chǎn)裝置能夠達(dá)到理想的運(yùn)行狀態(tài)，生產(chǎn)出的煤氣質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，煤氣輸送系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。但由于烯烴含量較高的普通液化氣與烯烴含量較低的丙烷相比具有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，如果在制氣原料中適當(dāng)增加普通液化氣的使用量，提高其烯烴含量，勢(shì)必會(huì)在一定程度上降低生產(chǎn)成本。但在實(shí)際操作中筆者發(fā)現(xiàn)：當(dāng)烯烴含量提高后，產(chǎn)品煤氣中的含碳量會(huì)急劇增加，從而對(duì)后續(xù)的煤氣冷卻、壓縮、輸送系統(tǒng)帶來(lái)極大的影響。

　　本課題的目標(biāo)是通過(guò)對(duì)煤氣生產(chǎn)控制系統(tǒng)組態(tài)的優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)在煤氣生產(chǎn)原料的烯烴含量提高的情況下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品煤氣中的含碳量達(dá)到正常要求，降低煤氣生產(chǎn)成本。

　　2 大連煤氣新廠煤氣生產(chǎn)裝置工藝簡(jiǎn)介

　　大連煤氣新廠制氣循環(huán)主要有2個(gè)階段：加熱階段和改質(zhì)階段。

　　改質(zhì)反應(yīng)是過(guò)熱蒸汽與碳?xì)浠衔锇l(fā)生的水煤氣反應(yīng)，生成氫氣和CO。反應(yīng)以Ni系催化劑為助活劑，反應(yīng)溫度約900℃。另外2臺(tái)CO變換反應(yīng)器用于降低改質(zhì)煤氣中的CO含量。

　　改質(zhì)煤氣中的熱量被鍋爐利用后轉(zhuǎn)化成蒸汽，每個(gè)改質(zhì)室后均安裝有1臺(tái)廢熱鍋爐，這些鍋爐回收加熱階段的煙氣和改質(zhì)階段煤氣中的熱量生產(chǎn)16bar蒸汽，產(chǎn)生的16bar蒸汽用于驅(qū)動(dòng)透平風(fēng)機(jī)和提供改質(zhì)反應(yīng)所需的蒸汽，過(guò)剩的蒸汽供給蒸汽管網(wǎng)。另外在CO變換反應(yīng)器后安裝的6bar廢熱鍋爐回收變換煤氣中的熱量，產(chǎn)生的蒸汽供給蒸汽管網(wǎng)。

　　改質(zhì)煤氣經(jīng)過(guò)鍋爐冷卻后進(jìn)入激冷水封，水封可以防止煤氣儲(chǔ)罐內(nèi)的煤氣回流到制氣裝置。當(dāng)制氣裝置的壓力低于煤氣儲(chǔ)罐的壓力時(shí)，水進(jìn)入末端沒在液位下的煤氣管中，管道中的水阻止了煤氣的回流;當(dāng)制氣裝置的壓力高于煤氣儲(chǔ)罐的壓力時(shí)水被壓出煤氣管，煤氣流向儲(chǔ)罐。

　　煤氣經(jīng)過(guò)激冷水封后進(jìn)入冷卻塔與冷卻水直接接觸換熱，煤氣溫度降至大約36℃。最后送入煤氣儲(chǔ)柜。

　　生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

　　圖1 大連煤氣新廠煤氣生產(chǎn)裝置工藝流程簡(jiǎn)圖

　　3 煤氣循環(huán)制氣過(guò)程簡(jiǎn)介

　　如圖2所示，一個(gè)完整的煤氣生產(chǎn)循環(huán)周期包括8個(gè)步驟，期間煤氣制氣反應(yīng)用催化劑被再生。為了描述循環(huán)步驟，做如下定義：

　　開 -通向煙囪的主閥門打開，沒有氣體進(jìn)入煤氣系統(tǒng)。

　　關(guān) -通向煙囪的主閥門關(guān)閉，煤氣通過(guò)激冷水封進(jìn)入煤氣儲(chǔ)罐。

　　具體描述如下：

　　步驟1：關(guān) 空氣吹掃

　　風(fēng)機(jī)提供一定量的空氣進(jìn)入直立式加熱室，空氣通過(guò)燃燒器吹掃加熱室，剩余的改質(zhì)煤氣和蒸汽被吹入煤氣系統(tǒng)進(jìn)入煤氣儲(chǔ)罐，易燃組分被吹出加熱室。

　　步驟2：關(guān) 燃燒開始

　　位于直立式加熱室頂部的主燃燒器點(diǎn)火，火焰監(jiān)視器和火焰控制發(fā)揮作用。

　　步驟3：開 加熱

　　通過(guò)主燃燒器原料與過(guò)量的空氣進(jìn)行燃燒，利用火焰的輻射熱和熱煙氣的對(duì)流熱加熱格子磚，熱煙氣流經(jīng)格子磚后通過(guò)改質(zhì)催化劑，催化劑被煙氣的顯熱和鎳的氧化反應(yīng)放出的熱量加熱，鎳氧化成氧化鎳。

　　在加熱階段充足的熱量提供給吸熱的改質(zhì)反應(yīng)和輻射損失，與此同時(shí)催化劑上殘留的碳和硫化物被氧化后從催化劑上除掉。

　　從反應(yīng)器出來(lái)后，煙氣流經(jīng)16bar廢熱鍋爐由煙囪排除裝置，由于激冷水封封住了煤氣系統(tǒng)，沒有煙氣流向煤氣系統(tǒng)。與此同時(shí)，另外一條線正在改質(zhì)階段。

　　步驟4：開 空氣吹掃

　　加熱階段完成后，用少量的空氣將改質(zhì)室和加熱室內(nèi)的剩余含氧組分從煙囪吹掃除去。

　　步驟5：開 蒸汽吹掃

　　在這一步驟中，蒸汽吹進(jìn)加熱室和改質(zhì)室，吹掃氣體經(jīng)過(guò)廢熱鍋爐從煙囪排除。通向煤氣儲(chǔ)罐的激冷水封仍然關(guān)閉。

　　步驟6：關(guān) 蒸汽吹掃/改質(zhì)開始

　　原料供給閥門打開，原料進(jìn)入混合室與過(guò)熱蒸汽充分混合，混合氣體流經(jīng)改質(zhì)催化劑。在這一步驟中發(fā)生Ni0還原為Ni和有機(jī)組分氧化成二氧化碳和水的反應(yīng)，催化劑發(fā)生還原反應(yīng)后真正的改質(zhì)反應(yīng)才開始，通向CO變換器的主閥門打開。

　　步驟7：關(guān) 改質(zhì)(加熱噴槍保持小火)

　　在這較長(zhǎng)時(shí)間的步驟中，原料與蒸汽改質(zhì)后生成CO和H2。蒸汽進(jìn)入加熱室前，冷凝水已經(jīng)被撲水器除掉，蒸汽從格子磚的上方進(jìn)入加熱室，當(dāng)蒸汽經(jīng)過(guò)熱的格子磚后被預(yù)熱到800℃，然后過(guò)熱蒸汽在水平混合室與液態(tài)噴入并迅速氣化的原料混合。在改質(zhì)催化劑的作用下，混合反應(yīng)物發(fā)生改質(zhì)反應(yīng)，少量的原料被吹到加熱室發(fā)生部分熱裂解反應(yīng)。與此同時(shí)，少量的原料與工藝空氣繼續(xù)提供給主燃燒器燃燒生成的煙氣用于調(diào)整產(chǎn)品煤氣的質(zhì)量 。改質(zhì)煤氣流經(jīng)16bar廢熱鍋爐、CO變換器、6bar廢熱鍋爐后進(jìn)入煤氣系統(tǒng)。在這一步驟中煙囪閥門關(guān)閉，去CO變換器的閥門打開。與此同時(shí)，第2條線(或第3條線)將處于加熱階段。

　　步驟8：關(guān) 蒸汽吹掃

　　改質(zhì)階段后，蒸汽進(jìn)入裝置將剩余的易燃組分吹到CO變換器中，易燃組分CO 和 H2 被吹出改質(zhì)單元后，為下一周期做好了準(zhǔn)備。隨著第8步驟的結(jié)束，一個(gè)完整的加熱、改質(zhì)周期完成。

　　圖2 生產(chǎn)循環(huán)程序流程圖

　　4 控制系統(tǒng)構(gòu)成

　　大連煤氣公司新廠采用DeltaV系統(tǒng)作為煤氣生產(chǎn)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括過(guò)程控制站、操作站、工程師站、通訊網(wǎng)絡(luò)、AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)和軟件等。

　　控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖3所示。

　　圖3 控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

　　5 生產(chǎn)控制系統(tǒng)組態(tài)的優(yōu)化調(diào)整

　　5.1 加熱階段燃燒工藝空氣流量的調(diào)整

　　在大火加熱階段，將液化氣燃燒用風(fēng)的控制由原來(lái)的主、輔風(fēng)管調(diào)節(jié)閥同時(shí)調(diào)節(jié)控制更改為主要由主風(fēng)管調(diào)節(jié)閥來(lái)進(jìn)行風(fēng)流量調(diào)節(jié)。主要目的是在輔風(fēng)管流量穩(wěn)定的前提下，主要利用主風(fēng)管調(diào)節(jié)閥的PID控制模塊根據(jù)系統(tǒng)需要進(jìn)行風(fēng)流量控制，消除原來(lái)主、輔風(fēng)管調(diào)節(jié)閥兩個(gè)PID模塊同時(shí)控制時(shí)相互影響造成風(fēng)流量波動(dòng)幅度較大的現(xiàn)象，以提高加熱階段液化氣的燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性。具體做法是：將輔風(fēng)管調(diào)節(jié)閥PID控制模塊的模式由“Auto”更改為“Manual”，即在保證輔風(fēng)管風(fēng)流量達(dá)到0.9Nm3/s的前提下將輔風(fēng)管調(diào)節(jié)閥在加熱階段設(shè)置為固定的開度，實(shí)現(xiàn)加熱階段主要由主風(fēng)管提供大火加熱階段液化氣燃燒用風(fēng)。調(diào)整前后風(fēng)流量控制方式的對(duì)比如圖4和圖5所示。

　　圖4 調(diào)整前加熱階段燃燒工藝空氣流量控制流程

　　

圖5 調(diào)整后加熱階段燃燒工藝空氣流量控制流程

　　5.2 改質(zhì)階段初期燃燒空氣的調(diào)整

　　在改質(zhì)階段初期，按照工藝要求主風(fēng)管開關(guān)閥關(guān)閉，單獨(dú)由輔風(fēng)管提供液化氣燃燒用風(fēng)。但此時(shí)由于爐膛內(nèi)系統(tǒng)壓力增加，原來(lái)輔風(fēng)管調(diào)節(jié)閥所處開度提供的工藝風(fēng)流量已經(jīng)不能充分滿足液化氣的燃燒。雖然通過(guò)PID參數(shù)的優(yōu)化可以提高閥門的相應(yīng)，但在實(shí)際操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：在改質(zhì)階段初期，尤其在提高原料烯烴成分后，改質(zhì)氣中的含碳量是整個(gè)改質(zhì)階段最高的時(shí)期。為此，筆者更改了改質(zhì)初期輔風(fēng)管調(diào)節(jié)閥的控制組態(tài)，即在系統(tǒng)進(jìn)入改質(zhì)階段初期時(shí)，將輔風(fēng)管的調(diào)節(jié)閥PID控制模塊的模式由“Auto”更改為“Manual”，并針對(duì)0.02kg/s和0.03kg/s的小火加熱液化氣設(shè)定值，將其輸出開度分別設(shè)為70%和100%，在小火液化氣流量穩(wěn)定后再將其恢復(fù)為“Auto”狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算所需風(fēng)流量來(lái)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了改質(zhì)階段小火液化氣流量與燃燒用風(fēng)量達(dá)到合理匹配，有效降低了改質(zhì)階段初期由于風(fēng)量供給不及時(shí)造成液化氣燃燒不充分所產(chǎn)生的含碳量。

　　調(diào)整前后風(fēng)流量變化的對(duì)比如圖6所示。

　　圖6 輔風(fēng)管風(fēng)流量變化對(duì)比圖

　　6 調(diào)整后達(dá)到的效果

　　2007年大連煤氣新廠生產(chǎn)原料平均烯烴含量為25.05%，與往年同期相比增加了4.94%。07年改質(zhì)氣平均含碳量為61.3mg/m3(06年改質(zhì)氣平均含碳量為43.5mg/m3)，出廠煤氣平均含碳量為0.8mg/m3(06年出廠煤氣平均含碳量為0.5mg/m3)，煤氣壓縮機(jī)的清掃周期為700小時(shí)/次(06年煤氣壓縮機(jī)的清掃周期為1000小時(shí)/次)。

　　圖7 原料烯烴含量與出廠煤氣含碳量變化對(duì)比圖

　　圖7是在調(diào)整過(guò)程中原料烯烴含量與出廠煤氣含碳量的變化對(duì)比，從圖中可以看出與提高生產(chǎn)原料的烯烴含量之前相比，雖然出廠煤氣含碳量略有提高(平均值增加0.3 mg/m3)，但生產(chǎn)裝置各項(xiàng)工藝參數(shù)符合工藝要求，生產(chǎn)裝置運(yùn)行平穩(wěn)，煤氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀況良好。按照07年全年原料消耗量24906.8噸計(jì)算，提高生產(chǎn)原料的烯烴含量之后，煤氣生產(chǎn)少使用丙烷4448噸。按照液化氣和丙烷的平均差價(jià)500元/噸來(lái)計(jì)算，此項(xiàng)節(jié)約生產(chǎn)成本222.37萬(wàn)元，達(dá)到了節(jié)能減虧的目的，生產(chǎn)控制系統(tǒng)組態(tài)的優(yōu)化取得了實(shí)際的效果。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐充分發(fā)掘DeltaV系統(tǒng)內(nèi)部潛在功能，并針對(duì)性的進(jìn)行優(yōu)化與完善，使生產(chǎn)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)原料組分發(fā)生變化的情況下，促使生產(chǎn)裝置平穩(wěn)運(yùn)行的過(guò)程中充分發(fā)揮積極的重要作用，實(shí)現(xiàn)煤氣生產(chǎn)成本的降低，收到了良好的效果。