CO變換工段溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)化研究

申晨晨 白瑩瑩（西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048）

CO變換工段溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)化研究

申晨晨 白瑩瑩（西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048）

CO變換工段是一個復(fù)雜的時變動態(tài)反應(yīng)過程，傳統(tǒng)的PID控制算法很難使之達到理想的控制效果，為了進一步有效地控制變換工段的運行,提出了無模型自適應(yīng)控制溫度控制方法與改進策略，保證CO含量和變換爐溫度在允許范圍內(nèi)，通過建立模型仿真，對比分析無模型自適應(yīng)控制方法和傳功PID控制方法在CO變換工段的優(yōu)勢，提出一氧化碳變換工段溫度控制的可行性優(yōu)化方案。

CO變換；無模型自適應(yīng)控制；流程；仿真分析

煤質(zhì)合成天然氣中CO變換過程既可以有效的降低CO濃度，同時也可以提高H2的含量，調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程中的CO與H2比，使CO變成更易于除去的CO2。近年來，CO變換過程主要向節(jié)能和高效的方向發(fā)展[1]。低投資、低能耗、節(jié)省動力、降低蒸汽消耗、“余熱”能合理利用等，都是需要努力的目標，并且還要求在蒸汽消耗不增加的前提下提高變換率，降低運行費用[2]。根據(jù)煤質(zhì)SNG中CO變換流程的特點，這是一個可逆、放熱、反應(yīng)前后體積不變的化學(xué)反應(yīng)，筆者通過將無模型自適應(yīng)控制方法應(yīng)用于CO變換過程，通過控制變換爐的溫度，來保證濕洗后的粗合成氣充分反應(yīng)。

1 CO變換工段控制流程

一氧化碳變換是在催化劑的作用下，在一定的溫度（高于催化劑的起始活性溫度）條件下，CO和水蒸汽發(fā)生反應(yīng)，將CO轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳。其化學(xué)反應(yīng)式為：

假定在反應(yīng)器中只發(fā)生該反應(yīng)，其他副反應(yīng)不考慮。壓力對反應(yīng)平衡沒有影響，降低溫度和增大水/氣比（水/氣比是指進口氣體水蒸汽的分子數(shù)與總干氣分子數(shù)之比）會有利于反應(yīng)平衡向右移動。所以在不改變水/氣比的前提下，溫度的控制對CO轉(zhuǎn)化的效率有很大的影響。

第一變換爐進口溫度由煤氣換熱器副線調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)；第二變換爐進口溫度由調(diào)節(jié)進入1#淬冷過濾器鍋爐給水水量來控制；第三變換爐進口溫度由調(diào)節(jié)進入2#淬冷過濾器鍋爐給水水量來控制。

2 變換爐的溫度控制模型分析

變換爐發(fā)生的變換反應(yīng)是放熱反應(yīng)，隨反應(yīng)進行，溫度不斷升高。大體上，CO濃度每降低1%（干基），溫度要升高9/(1+ W)～10/(1+W)℃。(W為水比氣)。對于可逆放熱反應(yīng)而言，存在著最佳反應(yīng)溫度。溫度升高，反應(yīng)速度常數(shù)增大，對反應(yīng)速度有利；但同時CO平衡含量增大，反應(yīng)推動力變小，對反應(yīng)速度又不利。對一定的觸媒及氣相組成，必將出現(xiàn)最大的反應(yīng)速度值，其對應(yīng)的溫度即為最佳反應(yīng)溫度。隨著反應(yīng)在床層上的不斷進行，最佳反應(yīng)溫度與平衡溫度一樣是逐漸降低的，根據(jù)最佳反應(yīng)溫度與CO濃度的變化關(guān)系繪制成的曲線，稱為最佳反應(yīng)溫度線。如果反應(yīng)能按最佳反應(yīng)溫度線進行，催化劑用量最少、變換效率最高。實際上由于絕熱操作線正好相反，因此，很難完全按最佳溫度線進行。

2.1 無模型自適應(yīng)溫度控制策略

無模型溫度控制器是應(yīng)用到CO變換工段的數(shù)學(xué)建模與控制思想即“建模與控制一體化的”產(chǎn)物。MFAC（無模型自適應(yīng)控制）是通過在閉環(huán)受控的動態(tài)工作點附近用一系列的動態(tài)線性時變模型來等價替代一般離散時間非線性系統(tǒng)，并僅用被控對象的I/O數(shù)據(jù)來在線估計偽偏導(dǎo)數(shù)，進而實現(xiàn)無模型自適應(yīng)控制。帶非線性約束的MFAC對受控對象R9101變換爐運行具有一定的穩(wěn)定性，其控制流程如下圖2.1所示：

2.1 無模型自適應(yīng)控制流程

無模型自適應(yīng)控制的基本算法就是基于特征參量φ(k)的辨識算法和基本控制算法在線交互進行而組成的。當經(jīng)過辨識到φ(k)后，可以應(yīng)用控制算法把溫度系統(tǒng)進行反饋控制，控制的結(jié)果將得到一組新的觀測數(shù)據(jù)，在已存在的數(shù)據(jù)中添加這一組新的數(shù)據(jù)在對φ(k+1)繼續(xù)辨識下去，如此進行下去，就可以實現(xiàn)無模型自適應(yīng)控制與反應(yīng)爐的溫度控制系統(tǒng)一體化。

2.2 變換爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

本次研究的溫度控制的對象是1#變換爐R9101。該溫度控制系統(tǒng)是一個特殊的化學(xué)反應(yīng)設(shè)備，考慮到在工段運行過程中變換爐內(nèi)的水量調(diào)節(jié)、化學(xué)反應(yīng)放熱，物料的填充，催化劑的添加等，都會導(dǎo)致變換爐內(nèi)空氣溫度的變化，所以在系統(tǒng)開始時先進行初始溫度調(diào)整，從輸入加熱控制信號到變換爐內(nèi)的空氣溫度升高。中間通過加熱器和空氣流通的通道，形成兩個大的儲熱環(huán)節(jié)，從而構(gòu)成一個二階系統(tǒng)。由于隨著加熱時間的變化，變換爐加熱器溫度也在不斷地變化，在加熱過程中，需要構(gòu)建一個具有滯后的二階系統(tǒng)，當爐內(nèi)的溫度達到催化劑所需的最佳反應(yīng)溫度，并且輸入輸出變量穩(wěn)定后，此時溫度控制器開始記錄整個催化反應(yīng)的過程，該系統(tǒng)動態(tài)過程可以用式（1）表示：

其中T2是當前被加熱物體附近的氣體的實測溫度；T1是加熱器附近空氣的溫度；T0是加熱器的溫度；α1、α0是各自溫度的傳遞系數(shù)；u是輸入變量；b1是輸入信號轉(zhuǎn)化為溫度的系數(shù)；τ是滯后時間；n(t)是電壓、電流波動和其他不可測的干擾信號。

在變換爐實際加熱過程中，系統(tǒng)反饋溫度的信息在傳送過程是否滯后，測量到的溫度信息對控制系統(tǒng)的性能會有很大的影響，媒質(zhì)溫度信息不能及時得到反饋的問題，這在分析溫度對變換爐加熱過程時要考慮滯后這個重要的因素。

3 仿真研究及結(jié)果分析

本次仿真以IGCC電廠粉煤氣化裝置的經(jīng)過濕洗后的粗合成氣為原料氣。使用ASPEN PLUS軟件模擬CO變換工段的反應(yīng)流程，通過控制溫度的變化分析整個工作流程的物料消耗，對比兩種溫度控制方案策略，對CO變換工段進行優(yōu)化。下圖3.1是對整個CO變換工段的反應(yīng)流程的模擬：

3.1 CO變換工段反應(yīng)流程

變換爐是變換工段的關(guān)鍵設(shè)備。第一變換爐內(nèi)裝耐硫催化劑，變換氣體中的CO和H2O（氣態(tài)）在催化劑的作用下轉(zhuǎn)化為CO2和H2。第一變換爐R9101操作壓力2.8MPa，操作溫度為460℃。

裝置完成48h滿負荷連續(xù)運行測試，記錄位于CO變換工段的R9101變換爐在添加催化劑反應(yīng)前后溫度的變化。

對比分析PID溫度和無模型自適應(yīng)溫度控制的仿真，對變換爐的穩(wěn)定運行和安全性能設(shè)計可行性方案。

根據(jù)要求，設(shè)置仿真參數(shù)，對兩種輸出數(shù)據(jù)進行模型仿真比較。

（1）跟蹤性能的比較

無模型自適應(yīng)控制構(gòu)造離散時間非線性大時滯對象參考模型：

仿真調(diào)制好較好狀態(tài)時，跟蹤時間200秒，在相同的輸出時間內(nèi)觀察兩種控制方法的溫度變化輸出u(k)：

圖溫度控制輸出u(k)

仿真結(jié)果表明，與無模型自適應(yīng)控制方法相比，PID控制方法的超調(diào)量大，跟蹤性能差。PID控制復(fù)雜，參數(shù)調(diào)整需要試湊，而MFAC控制方案簡單，適應(yīng)能力較強參數(shù)整定相對容易。

（2）克服大時滯的能力比較

參考輸入保持不變，時滯增大，跟蹤時間為200秒，調(diào)整MFAC控制方法和PID控制方法的參數(shù)，使得兩種控制方法一致，觀察控制輸出。

圖溫度控制輸出u(k)

仿真結(jié)果表明MFAC控制方法比PID控制方法在克服大時滯的能力上較好，在輸出數(shù)據(jù)的性能上更能穩(wěn)定，反映出系統(tǒng)運行的穩(wěn)定程度更高。

4 結(jié)語

本文針對CO變換工段的R9101變換爐溫度系統(tǒng)的設(shè)計,首先，對變換爐的溫度系統(tǒng)設(shè)計的合理性進行了深入分析，其次，提出無模型自適應(yīng)溫度控制流程，結(jié)合傳統(tǒng)的PID控制方法，無模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)更適用于無需建模的非線性系統(tǒng)，最后模擬出整個變換工段的反應(yīng)流程，將無模型自適應(yīng)控制方案應(yīng)用到變換爐R9101，并進行了溫度控制輸出仿真對比試驗，仿真結(jié)果表明無模型控制方法在CO變換工段的溫度控制、數(shù)據(jù)跟蹤、適應(yīng)能力和克服大時滯能力幾個方面都明顯優(yōu)于PID控制方法，所以無模型控制方法更有利于變換爐的可靠運行和穩(wěn)定傳輸。

[1]An experimental study on carbon monoxide conversion and hydrogen generation from water gas shift reaction[J].Wei-Hsin Chen,Tai-Ching Hsieh,Tsung Leo Jiang.Energy Conversion and Management.2008(10).

[2]錢衛(wèi)，黃于益，張慶偉等.煤制天然氣(SNG)技術(shù)現(xiàn)狀.潔凈煤技術(shù),2011,7(1):27-32.