I/A系統(tǒng)在煤制天然氣甲烷化裝置中的應(yīng)用

趙立民

(新疆慶華能源集團(tuán)有限公司，新疆伊寧 835100)

I/A系統(tǒng)在煤制天然氣甲烷化裝置中的應(yīng)用

趙立民

(新疆慶華能源集團(tuán)有限公司，新疆伊寧 835100)

利用伊犁河谷煤炭資源，通過煤氣化、一氧化碳變換、酸性氣體脫除、高溫甲烷化工藝來生產(chǎn)天然氣。本文簡要介紹了甲烷化工藝流程，并實現(xiàn)了甲烷化裝置的數(shù)據(jù)監(jiān)控、工藝過程控制、聯(lián)鎖保護(hù)、系統(tǒng)管理等功能。

天然氣;DCS配置;聯(lián)鎖

“十二五”規(guī)劃明確了煤制合成天然氣(SNG)是關(guān)鍵的能源技術(shù)。中國豐富的褐煤和煤炭儲量也為此戰(zhàn)略的實施提供了有力的保障。新疆慶華年產(chǎn)55億m3煤制天然氣一期工程是利用伊犁河谷煤炭資源，通過煤氣化、一氧化碳變換、酸性氣體脫除、高溫甲烷化工藝來生產(chǎn)天然氣。其中氣化采用純氧固定床碎煤加壓氣化技術(shù)，配有空分裝置和硫回收裝置。對于煤制天然氣來說高溫甲烷化技術(shù)為關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 甲烷化工藝流程

新疆慶華甲烷化工藝技術(shù)采用丹麥托普索的鎳基催化劑SNG合成技術(shù)。該工藝已經(jīng)在半商業(yè)規(guī)模的不同裝置中得到證明，在真實工業(yè)狀態(tài)下生產(chǎn)200～3 000 m3/h的天然氣。在TREMPTM工藝中，反應(yīng)在絕熱條件下進(jìn)行。反應(yīng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致了很高的溫升，通過循環(huán)來控制第一甲烷化反應(yīng)器的溫度。TREMPTM工藝一般有三個反應(yīng)器，第二和第三絕熱反應(yīng)器可用一個沸水反應(yīng)器(BWR)代替，雖投資較高，但能夠解決空間有限問題。另外，在特殊情況下，采用四個絕熱反應(yīng)器是一種優(yōu)化選擇，而在有些條件下，使用一個噴射器代替循環(huán)壓縮機(jī)。除了核心技術(shù)外，因為生產(chǎn)甲烷的過程要放出大量的熱量，如何利用和回收甲烷化熱量是這項技術(shù)的關(guān)鍵。托普索工藝可以將這些熱量再次利用，在生產(chǎn)天然氣的同時，產(chǎn)出高壓過熱蒸汽。

低溫甲醇洗出來的凈化氣經(jīng)與第五甲烷化反應(yīng)器出來的產(chǎn)品氣換熱，經(jīng)氣體凈化保護(hù)劑凈化后，一部分新鮮氣與循環(huán)氣混和后約250℃進(jìn)第一甲烷化反應(yīng)器，出第一甲烷反應(yīng)器氣體溫度約675℃，進(jìn)第一廢熱鍋爐，副產(chǎn)4.8 MPa蒸汽;出來的氣體與另一部分新鮮氣混和后約260℃進(jìn)第二甲烷化反應(yīng)器，第二甲烷化反應(yīng)器出來的氣體溫度約675℃，進(jìn)入第二廢鍋，副產(chǎn)4.8 MPa蒸汽;氣體溫度降至310℃左右后進(jìn)入第三甲烷化反應(yīng)器，出口氣體溫度約530℃進(jìn)入中壓蒸汽過熱器和中壓廢鍋生產(chǎn)4.8 MPa蒸汽;氣體降至300℃進(jìn)入第四甲烷化反應(yīng)器，出口氣體溫度約為390℃，再經(jīng)過一系列過熱器、換熱器溫度降至70℃，并分離掉部分冷凝水再經(jīng)換熱器加熱至230℃后進(jìn)入第五甲烷化反應(yīng)器，出口氣體經(jīng)回收熱量后進(jìn)入水冷卻器;分離水干燥后送至首站壓縮機(jī)入口。出第一甲烷化反應(yīng)器后的一部分氣體經(jīng)中壓廢鍋、換熱器和低壓廢鍋副產(chǎn)0.6 MPa低壓蒸汽后進(jìn)入循環(huán)壓縮機(jī)，循環(huán)氣用于第一甲烷化反應(yīng)器冷激氣。甲烷合成用的是鎳催化劑。CO轉(zhuǎn)化率可達(dá)100%，CO2轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%以上，催化劑選擇性很好幾乎沒有什么副反應(yīng)，冷凝水不處理就可回用(返回到凝結(jié)水系統(tǒng)進(jìn)入鍋爐給水)。甲烷化工藝流程如圖1所示。

2 甲烷化自控部分

2.1 甲烷化裝置DCS配置

慶華煤化55億m3/a煤制天然氣一期工程使用FOXBORO的I/A Series DCS系統(tǒng)，主要的控制區(qū)域包括:氣化控制室、凈化控制室、罐區(qū)機(jī)柜室、煤氣水分離機(jī)柜室、天然氣干燥機(jī)柜室、氣化A機(jī)柜室、氣化B機(jī)柜室、空分循環(huán)水機(jī)柜室構(gòu)成。其中甲烷化裝置屬于凈化控制室。甲烷化裝置與凈化裝置共用一臺工程師站用于系統(tǒng)的組態(tài)，甲烷化分配有6臺操作員站(用于操作員對工藝流程的監(jiān)控和控制，操作員站可任意分配)。甲烷化單獨使用一對FCP270控制器，下掛現(xiàn)場總線模塊。作為慶華DCS網(wǎng)絡(luò)一部分構(gòu)成一個完整的控制系統(tǒng)來負(fù)責(zé)整個甲烷化裝置的數(shù)據(jù)監(jiān)控、工藝過程控制、聯(lián)鎖保護(hù)、報警獲取、系統(tǒng)管理等功能。

圖1 甲烷化工藝流程圖

系統(tǒng)使用是I/AV8.X.MESH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。各個現(xiàn)場工程師站與現(xiàn)場操作站均能獨立工作。即使在FCR與CCR完全通訊中斷的前提下，只要FCR中還有1臺工作站存在，該工作站即能完成對所在現(xiàn)場機(jī)柜間的監(jiān)視控制工作，保證現(xiàn)場的正常運行。

2.2 甲烷化壓差流量變送器溫壓補(bǔ)償和小流量切除

其中:QCVol為補(bǔ)償后體積流量;QRVol為補(bǔ)償前后體積流量;Pa為實際壓力(絕壓);Pd為工況壓力(絕壓);Ta為實際溫度，K;Td為工況壓力，K;MWa為實際摩爾質(zhì)量;MWd為設(shè)計摩爾質(zhì)量，因為摩爾質(zhì)量沒有要求，所以按照托普索公式來說明，摩爾部分去掉。

甲烷化裝置流量為體積流量，把m3/h轉(zhuǎn)化為Nm3/h，所以使用第一個公式。小流量切除實現(xiàn)方法:以FI620079為例，F(xiàn)I620079_F是現(xiàn)場信號處理，即用AIN塊做AI量處理;FI079_CHARC是小流量切除，使用CHARC塊(由X_1，Y_1)～(X_4，Y_4)4個點組成的折線，X軸為流量輸入值，Y軸為流量輸出值，從而實現(xiàn)小流量切除(本裝置為0.75%切除);FI620079_C是溫壓補(bǔ)償模塊，用CALCA計算塊實現(xiàn)公式計算的功能;FI620079是顯示用模塊，使用AIN塊，可以設(shè)置相應(yīng)的工程量程和報警，聯(lián)鎖值。

2.3 甲烷化停車聯(lián)鎖

甲烷化裝置單獨設(shè)有一套ESD系統(tǒng)，所有電磁閥由ESD系統(tǒng)控制，聯(lián)鎖保護(hù)由ESD系統(tǒng)實現(xiàn)，其中ESD系統(tǒng)產(chǎn)生停車信號后會給DCS 6個聯(lián)鎖停車信號觸發(fā)相應(yīng)調(diào)節(jié)閥門動作完成停車聯(lián)鎖。6個停車信號觸發(fā)4種動作，作用在調(diào)節(jié)閥上，完成停車動作。之后操作員可以按實際情況在DCS中對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行下一步操作。

2.3.1 調(diào)節(jié)器打手動，輸出為閥位為0

聯(lián)鎖判斷由CALCA塊，編制相應(yīng)功能邏輯語言實現(xiàn);聯(lián)鎖觸發(fā)后計算快FIC620051_C的RO01和RO02值為0，兩輸出連到PIDA塊的HOLIM和LOLIM，從而使閥位輸出鉗位在 0;聯(lián)鎖觸發(fā)時FIC620051_C的BO01輸出為真，其連到PIDA塊的強(qiáng)制手動MANSW，從而使PID調(diào)節(jié)器打手動。

2.3.2 控制器打自動設(shè)定值以0.1 MPa/s的速率下降

①同2.3.1，聯(lián)鎖判斷由CALCA塊編制相應(yīng)邏輯實現(xiàn)，設(shè)定值以0.1MPa/s的速率下降。IA的PIDA塊本身帶有設(shè)定值RAMP功能，由SPRAMP，SPTARG，SPRATE三個參數(shù)實現(xiàn):SPRAMP為1時RAMP功能激活，設(shè)定值按照SPRATE的值的速率向著SPTARG的值RAMP。

②閥開10%，控制器打自動，設(shè)定值以0.1 MPa/s的速率下降;組態(tài)和前面相似。

③閥開60%，控制器打自動;參數(shù)設(shè)置和NOTE3近似。

以上停車聯(lián)鎖的實現(xiàn)利用PIDA塊的限位功能，RAMP功能，強(qiáng)制手自動功能。聯(lián)鎖邏輯判斷由計算塊實現(xiàn)，計算塊CALCA邏輯輸出BO01是限位信號或RAMP信號或強(qiáng)制信號;計算塊CALCA的實型輸出RO01和RO02是限位值。其中因為有強(qiáng)制手自動，如需停車后自由轉(zhuǎn)換手自動，需要在流程畫面上點復(fù)位按鈕解除手自動強(qiáng)制。

2.4 壓力低停脫鹽水泵聯(lián)鎖

邏輯塊UY620455_L的BI01是PI620452/457的低低報警，BO01是停泵信號，壓力低低時經(jīng)RI01的延時，由LOGIC塊的BO02輸出到DO點停脫鹽水泵。

2.5 甲烷化復(fù)雜控制

2.5.1 甲烷化反應(yīng)器溫度控制

甲烷化反應(yīng)對溫度要求較高，其反應(yīng)器溫度控制均采用入口和爐體兩個溫度串級控制，更好地保證反應(yīng)溫度，以第一甲烷化反應(yīng)系統(tǒng)為例。第一甲烷化反應(yīng)器(三個變送器)爐體溫度取中值之后作為主回路控制器 TIC620114輸入，其設(shè)定值可在HMI中由操作員手動設(shè)定;副回路控制器TIC620102的輸入為第一甲烷化反應(yīng)器入口溫度，其作為副回路與 TIC620114串級，其輸出是TV620102A/B的閥位，兩個閥可以單獨動作，也可以同時動作，由計算塊TV620102_C實現(xiàn)，兩閥的切換和串級投用/切除是無擾的。

2.5.2 甲烷化火炬放空控制

甲烷化裝置壓力控制流程采用放空控制比較多。采用同一壓力測點，由兩個PID控制器分別獨立控制，兩個控制器設(shè)定值不同，一個為正常工況，一個高于正常工況，保證系統(tǒng)的正常運行。以蒸汽管網(wǎng)中PIC620549為例，PIC620549A/B是兩個獨立PIDA控制器，相同壓力測量值輸入，但PIC620549B的設(shè)定值比PIC620549A的設(shè)定值高，正常情況下由PIC620549A控制，PIC620549B輸出為0，一旦壓力高于PIC620549B的設(shè)定值，放空閥會打開，壓力恢復(fù)正常，又低于PIC62059B的設(shè)定值，放空閥關(guān)閉。

2.5.3 甲烷化汽包控制

根據(jù)汽包液位LI620309、給水流量FI620419、蒸汽流量FI620319這三個沖量經(jīng)過PID計算來調(diào)節(jié)給水閥門的開度，從而達(dá)到自動控制給水流量的目的。汽包水位LI620309密度補(bǔ)償后作為PID控制器 LIC620309的輸入;給水流量 PID控制器FIC620419的輸入=FI620319+K×(LIC620309的輸出-0.5);控制器LIC620309和FIC620419的輸出由一個開關(guān)控制，操作員可以在HMI上選擇是液位單獨控制，還是三沖量控制。

2.5.4 甲烷化FIC620107控制

FIC620107的設(shè)定值由高選器FY620107輸出決定，高選器FY620107的兩個輸入為手動給定HIC620107(由操作員在 HMI中設(shè)定)和計算塊FY620005。

而正常情況下(第二冷凝分離器F620203出口氣體分析AI620530)，非低低和AI620530低低時，F(xiàn)Y620005的輸出不同，正常時，F(xiàn)Y620005= FI620005×0.031×0.8，當(dāng) AI620530低低時，F(xiàn)Y620005=FI620005×0.065×0.8。

3 結(jié)束語

甲烷化裝置DCS作為整個新疆慶華煤制天然氣主裝置FOXBORO的I/A Series DCS系統(tǒng)的一部分，實現(xiàn)了甲烷化裝置的數(shù)據(jù)監(jiān)控、工藝過程控制、聯(lián)鎖保護(hù)、報警獲取、系統(tǒng)管理、工藝報表等功能。現(xiàn)在新疆慶華年產(chǎn)55億m3煤制天然氣一期工程的甲烷化裝置已經(jīng)投產(chǎn)成功并穩(wěn)定運行，向中石油伊霍支線供氣，為全國天然氣的供應(yīng)增加了新渠道。

TQ056;TQ221.11

B

1003-3467(2014)04-0053-03

2014-01-21

趙立民(1974-)，男，工程師，從事煤化工自動化工作，電話:(0999)7860186。