智能控制技術(shù)在PSA制氫裝置中的應(yīng)用

劉潭

(中國石油玉門油田分公司 煉油化工總廠，甘肅 酒泉 735200)

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智能控制技術(shù)在PSA制氫裝置中的應(yīng)用

劉潭

(中國石油玉門油田分公司 煉油化工總廠，甘肅 酒泉 735200)

詳細(xì)介紹了制氫工藝過程中變壓吸附(PSA)技術(shù)的操作流程，采用I/A Series控制系統(tǒng)應(yīng)用于PSA制氫裝置，設(shè)計(jì)變壓吸附自動(dòng)控制過程方案，并闡述了該系統(tǒng)的功能及控制方案實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)踐證明，智能控制技術(shù)在PSA制氫裝置中的成功投用，優(yōu)化了控制過程，取得了良好收益，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)安全運(yùn)行。

PSA變壓吸附技術(shù)DCS切塔關(guān)鍵儀表自動(dòng)控制

中國石油玉門油田煉油化工總廠700 kt/a柴油加氫裝置及配套制氫項(xiàng)目順利投產(chǎn)，控制系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用。變壓吸附(PSA)制氫裝置控制的成功投用，為該廠柴油升級(jí)項(xiàng)目的順利進(jìn)行提供了可靠的原料來源保證。

PSA是分離氣體混合物的一項(xiàng)技術(shù)，即在較高壓力下進(jìn)行吸附，在較低壓力(甚至真空狀態(tài))下使吸附的組分解吸出來，使吸附劑再生出來得以循環(huán)使用。由于變壓吸附循環(huán)周期一般較短，吸附熱來不及散失，可供解吸用，吸附熱和解吸熱引起的床層溫度變化很小，可以近似看作等溫過程。變壓吸附過程是利用吸附劑特性來實(shí)現(xiàn)吸附與解吸的，吸附劑在高雜質(zhì)壓下大量吸附原料氣中需脫除的某些雜質(zhì)組分，然后降低雜質(zhì)的分壓使雜質(zhì)得以解吸，即變壓吸附工作狀態(tài)是在一條吸附等溫線上變化。

1　控制過程

該廠制氫裝置采用PSA制氫法，控制過程涉及的控制閥門較多，操作時(shí)間連續(xù)，控制方案復(fù)雜，工藝控制過程主要包括吸附、均降、順放、逆放、沖洗、均升、終升。只有準(zhǔn)確控制每個(gè)點(diǎn)，才能在安全、平穩(wěn)的前提下提高氫氣的收率，滿足生產(chǎn)要求?？刂七^程如圖1所示。

2　控制系統(tǒng)

該廠PSA制氫控制系統(tǒng)采用Foxboro公司I/A Series控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大特點(diǎn)是軟件、硬件和通信系統(tǒng)都廣泛采用開放型標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，硬件品種少，可靠性高，組態(tài)靈活。硬件主要包括： 工程站(AW站)、操作員站(WP站)、控制站(CP站)。主要軟件包括：

1) IACC系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)軟件，完成控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)(回路定義、控制方案生成)，回路下載與上載管理，在線數(shù)據(jù)管理等。

2) 系統(tǒng)定義軟件，完成控制系統(tǒng)監(jiān)視硬件組態(tài)生成，主要應(yīng)用于工程師站、操作站的安裝。

3) 系統(tǒng)硬件管理軟件，主要用于監(jiān)視系統(tǒng)硬件運(yùn)行情況，對(duì)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀況及硬件進(jìn)行軟監(jiān)視和操作管理，完成故障定位，硬件的更換和復(fù)位工作。

4) 流程圖組態(tài)軟件。

5) 歷史數(shù)據(jù)組態(tài)與管理軟件。

2.1系統(tǒng)功能

依據(jù)變壓吸附氫提純單元的控制要求，該單元控制系統(tǒng)采用1套控制系統(tǒng)，并以此為核心構(gòu)成全部控制與管理功能。

1) 先進(jìn)的PSA專用軟件在某個(gè)吸附塔出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng)、無擾動(dòng)地將故障塔切除，轉(zhuǎn)入10塔、9塔、8塔、7塔、6塔運(yùn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)裝置的在線檢修。操作人員可以根據(jù)系統(tǒng)提示隨時(shí)確認(rèn)切換切塔操作，完成設(shè)備應(yīng)急檢修任務(wù)，大幅提高了裝置運(yùn)行的可靠性。

2) 關(guān)鍵的升壓過程和逆放過程采用了智能的自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制模式，可保證吸附塔的壓力變化過程自動(dòng)接近于理想壓力曲線，該功能可保證吸附、解吸過程的平穩(wěn)，降低管道氣流噪音。

3) 控制軟件包可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸附時(shí)間的優(yōu)化，自動(dòng)在保證產(chǎn)品合格的情況下提高氫氣回收率。

4) 控制系統(tǒng)對(duì)所有動(dòng)力設(shè)備和工藝設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，操作簡便，并具有完善的產(chǎn)品質(zhì)量聯(lián)鎖和安全聯(lián)鎖功能。

圖1　PSA制氫裝置控制過程示意

2.2控制方案實(shí)現(xiàn)方法

1) 基本控制功能和原理。該裝置的吸附與分離過程均依賴于程控閥門的開關(guān)實(shí)現(xiàn)切換，因而程控閥門的開關(guān)控制是該裝置最重要的控制部分，控制過程示意如圖2所示。

圖2　程控閥開關(guān)控制過程示意

2) 控制基本要求。DCS根據(jù)工藝要求制訂出順控程序，按一定的時(shí)間順序?qū)?4 V(DC)開關(guān)信號(hào)送至電磁換向閥，電磁換向閥將該開關(guān)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成程控閥的氣壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)程控閥門按程序開、關(guān)。同時(shí)，程控閥門將其開、關(guān)狀態(tài)通過位置傳感器反饋給DCS，用于狀態(tài)顯示和監(jiān)控，并通過與輸出信號(hào)的對(duì)比實(shí)現(xiàn)閥門故障的判斷與報(bào)警。對(duì)于正常運(yùn)行的吸附塔，程控閥門是禁止手動(dòng)操作的，即此時(shí)手動(dòng)操作功能無效;在某個(gè)吸附塔被切除后，可以手動(dòng)操作開關(guān)該吸附塔的程控閥;公共程控閥只有在PSA運(yùn)行程序處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，才能進(jìn)行手動(dòng)操作;在手動(dòng)操作子窗口下，手動(dòng)操作該閥門，經(jīng)過確認(rèn)后即可打開該閥門。

3) 切塔操作。該裝置主流程由10臺(tái)吸附塔組成。為提高裝置運(yùn)行的連續(xù)性和可靠性，控制系統(tǒng)編制了1套自動(dòng)切塔與恢復(fù)程序。即： 當(dāng)某1臺(tái)吸附塔出現(xiàn)故障時(shí)，可將其脫出工作線，讓剩余的9個(gè)吸附塔轉(zhuǎn)入9塔流程運(yùn)行?？刂瞥绦虮ＷC切塔過程壓力平穩(wěn)運(yùn)行，如果再有1臺(tái)吸附塔出現(xiàn)故障則可繼續(xù)切除，轉(zhuǎn)入8塔流程，最多可以切除4個(gè)塔，保證6塔運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)切除塔過多無法保證平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)，操作人員需要及時(shí)調(diào)整操作工藝過程，根據(jù)工藝要求，選擇程序自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

4) 切除塔恢復(fù)。當(dāng)被切除塔故障排除后，需要將其重新投入正常運(yùn)行，但如果投入的時(shí)間、狀態(tài)不對(duì)，將引起較大的壓力波動(dòng)和產(chǎn)品純度變化，甚至可能出現(xiàn)故障和安全事故。為此，該裝置設(shè)計(jì)的自動(dòng)恢復(fù)軟件能夠自動(dòng)找出最佳狀態(tài)恢復(fù)，使系統(tǒng)波動(dòng)最小。DCS控制程序根據(jù)各塔的壓力狀態(tài)，自動(dòng)確定恢復(fù)后應(yīng)進(jìn)入的最佳運(yùn)行步序， 然后自動(dòng)等待到該步序的最佳切入時(shí)機(jī)，切入新程序。

5) 吸附時(shí)間參數(shù)設(shè)置與自動(dòng)計(jì)算。

6) 關(guān)鍵儀表控制。

a) 產(chǎn)品氣升壓調(diào)節(jié)HC20301。HC20301調(diào)節(jié)回路由安裝于吸附塔產(chǎn)品氣總管上的壓力變送器PT20501、吸附塔出口管線上的壓力變送器PT20302A/C/E/G/I和PT20402B/D/F/H/J及調(diào)節(jié)閥HV20501A構(gòu)成，用于調(diào)節(jié)吸附塔產(chǎn)品氣升壓的速度。該調(diào)節(jié)回路的工作狀態(tài)將影響裝置產(chǎn)品氣的穩(wěn)定。HC20301調(diào)節(jié)回路有隨動(dòng)調(diào)節(jié)模式、比例調(diào)節(jié)模式和手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，正常情況下采用隨動(dòng)調(diào)節(jié)模式，操作人員不需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。只有在某吸附塔的壓力變送器故障時(shí)，才需要操作人員轉(zhuǎn)到比例調(diào)節(jié)模式工作，手動(dòng)模式生產(chǎn)中不使用，僅僅用于閥門的調(diào)校。

b) 逆放氣壓力調(diào)節(jié)HC20501。該調(diào)節(jié)回路由安裝于每臺(tái)吸附塔總管上的壓力變送器PT20302A/C/E/G/I和PT20402B/D/F/H/J及調(diào)節(jié)閥HV20501構(gòu)成，用于調(diào)節(jié)逆放速度，減小逆放氣緩沖罐的壓力波動(dòng)和降低逆放過程產(chǎn)生的噪音。該調(diào)節(jié)回路的工作狀態(tài)將影響裝置解吸氣的穩(wěn)定和再生效果。

c) 順放罐壓力指示調(diào)節(jié)PIRC20303及PIRC20401(沖洗調(diào)節(jié)閥)。該調(diào)節(jié)回路由安裝于順放罐V202A/B出口沖洗總管上的壓力變送器PT20303和PT20401及調(diào)節(jié)閥PV20303和PV20401構(gòu)成，用于調(diào)節(jié)沖洗氣流量以及順放過程壓力降，是影響PSA裝置再生效果的關(guān)鍵調(diào)節(jié)回路，保證此階段的流量等于整個(gè)沖洗過程的平均流量。

d) 切塔聯(lián)鎖控制。在PSA運(yùn)行狀態(tài)下，某吸附塔程控閥報(bào)警，同時(shí)吸附塔壓力曲線異常，操作人員根據(jù)當(dāng)前情況判斷故障原因，確定是否切除該塔，程序根據(jù)情況作出執(zhí)行切塔程序，該塔進(jìn)入人工操作狀態(tài)。在PSA運(yùn)行狀態(tài)下，某吸附塔的原料進(jìn)氣閥KV20301或產(chǎn)品出氣閥KV20302與逆放氣閥KV20307或沖洗閥KV20308同時(shí)開，且該塔壓力報(bào)警時(shí)，則產(chǎn)生該塔切除信號(hào)，并立即執(zhí)行切塔后程序。

7) DCS組態(tài)實(shí)現(xiàn)方法。按照PSA工藝操作卡片和項(xiàng)目要求，該控制過程主要分為以下模塊：

a) PSA流程圖畫面。主要完成操作人員與控

制系統(tǒng)的交流工作，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場流程可視化。

b) 時(shí)間設(shè)定模塊。在操作畫面中完成順放和逆放時(shí)間的設(shè)定和計(jì)時(shí)工作。

c) 聯(lián)鎖控制模塊。當(dāng)制氫相關(guān)程控閥出現(xiàn)故障時(shí)，發(fā)出切塔信號(hào)，切除該塔操作。

d) 狀態(tài)判斷模塊。主要用來確定A至J塔的運(yùn)行狀態(tài)，如果為真，發(fā)出切除信號(hào)。

e) 狀態(tài)顯示模塊。主要用來在操作界面告訴用戶切除塔的數(shù)量及塔的運(yùn)行狀態(tài)。

f) 步長計(jì)算模塊。該程序用于確定A至J塔運(yùn)行到第幾步，從而確定某塔處于什么工藝階段。

g) 切塔與恢復(fù)模塊。該程序用于執(zhí)行塔的切除與恢復(fù)操作。

3　結(jié)束語

通過深入研究PSA工藝控制過程，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制原理，采用先進(jìn)的DCS，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制程序，優(yōu)化控制制氫過程，提高產(chǎn)品收率，降低操作勞動(dòng)強(qiáng)度，裝置控制系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行，為裝置的可持續(xù)發(fā)展提供了可靠的保證。

[1]張曉磊，葉麗華，孫艷玲.煤制天然氣項(xiàng)目PSA裝置的DCS控制實(shí)現(xiàn)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012，39(10)： 1334-1340.

[2]徐艷霞.程控閥在PSA工藝上的應(yīng)用與改進(jìn)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2013，40(08)： 1061-1063，1072.

[3]游革新，曾韜，張術(shù)寬，等.PSA程控閥YX型橡膠密封圈失效分析[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2015(04)： 54-56.

[4]邱文武，李娟，史法勝.緩沖吸附和變壓吸附(PSA)系統(tǒng)油氣回收技術(shù)研究[J].山東化工，2015，44(06)： 103-105.

[5]吳乾積.自動(dòng)控制系統(tǒng)在制氫裝置中的應(yīng)用[J].廣東化工，2012，39(11)： 177.

[6]張華陽.先進(jìn)控制在制氫裝置的應(yīng)用[J].大氮肥，2010，33(06)： 377-378.

劉潭(1971—)，男，甘肅鎮(zhèn)原人，1993年畢業(yè)于西北輕工業(yè)學(xué)院(現(xiàn)陜西科技大學(xué))計(jì)算機(jī)自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國石油玉門油田分公司煉油化工總廠，從事石油化工自動(dòng)化工作，任工程師。

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1007-7324(2016)04-0065-03

稿件收到日期： 2016-02-25，修改稿收到日期： 2016-05-17。