神華寧煤GSP氣化爐控制系統(tǒng)改造概述

張 冰

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán) 烯烴一分公司，銀川 750411）

神華寧煤集團(tuán)煤基烯烴項(xiàng)目氣化裝置采用德國西門子GSP氣化爐，是GSP干煤粉加壓氣化技術(shù)在世界上的首次工業(yè)化應(yīng)用[1]。GSP氣化裝置控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，所有投料過程全部采用DCS順控程序?qū)崿F(xiàn)，升減負(fù)荷自動完成，開車條件和聯(lián)鎖控制非?？量?，并在順控的不同階段發(fā)生作用，整個系統(tǒng)渾然一體，任何一個條件不滿足，系統(tǒng)自動停車，工藝人員無法人為干預(yù)，對儀表系統(tǒng)測量精度和控制穩(wěn)定性要求非常高。

裝置從2010年11月開始開車，首先遇到的問題是進(jìn)料系統(tǒng)煤粉流量波動大，氣化爐開不到一個小時就會因?yàn)槊悍哿髁坎▌哟舐?lián)鎖停車，烯烴公司和中國寰球設(shè)計院共同對控制系統(tǒng)進(jìn)行了徹底地改造，從現(xiàn)場控制閥門到DCS控制邏輯，在極短的時間內(nèi)完成方案制定、采購、施工、調(diào)試，關(guān)鍵控制閥全部國產(chǎn)化，2010年12月31日，單臺氣化爐運(yùn)行48h，產(chǎn)出了合格的甲醇，裝置開車問題得以攻克。下面對主要控制系統(tǒng)改造分4部分介紹。

1 氣化爐煤粉進(jìn)料控制系統(tǒng)改造

原GSP氣化爐給煤輸送原理采用差壓輸送法，即按照一定的上、下游（給料器與氣化爐）之間的差壓值（0.2MPa～0.3MPa），從進(jìn)料容器頂部的3根給煤管輸送煤粉到氣化爐組合燒嘴。但在實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)該差壓值根本無法保持穩(wěn)定，原因是給料容器壓力、氣化爐壓力、給煤量、給氧量之間有復(fù)雜的聯(lián)系，而這些因素之間產(chǎn)生的互相干擾很難被儀表控制回路及時克服掉[2]。

圖1 氣化爐主要工藝參數(shù)波動曲線Fig.1 Fluctuation curve of main process parameters of gasifier

如給料容器壓力因進(jìn)煤充壓產(chǎn)生波動，這種波動使三條給煤線的給煤量也產(chǎn)生小范圍波動，因?yàn)闅饣癄t是以煤定氧，所以給氧量也跟隨著發(fā)生波動，氣化爐內(nèi)煤燃燒反應(yīng)也因此產(chǎn)生波動，最終引起氣化爐壓力產(chǎn)生波動。反過來，給料器與氣化爐壓差波動又致使給煤量產(chǎn)生更大擾動。如果將這一互相影響的過程反映到儀表控制，就是煤粉流量、氧氣流量、氧煤比、反應(yīng)器壓力、氣化爐壓力之間互相干擾的波動曲線，這種波動往往導(dǎo)致氣化爐僅運(yùn)行半小時就因聯(lián)鎖而跳車（見圖1）。另外，原始設(shè)計采用的三條給煤線，每條給煤線的投運(yùn)時間不一致，會造成單條給煤線的煤量波動，進(jìn)而都會導(dǎo)致爐膛偏燒，造成氣化爐設(shè)備保護(hù)層（水冷壁搗打料和抓釘）損壞。

1.1 將壓差控制改為流量控制

按照原始設(shè)計，根據(jù)氣化爐運(yùn)行工況的不同，給料器壓力控制又分為給煤量控制（負(fù)荷控制）、壓差控制（給料器與氣化爐差壓）、純壓力控制3種模式，并且該程序中還夾雜著升壓順控和泄壓順控。導(dǎo)致程序晦澀難懂，控制設(shè)定點(diǎn)切換頻繁。將3種控制模式直接簡化為唯一的控制模式（壓力控制模式），壓力控制設(shè)定點(diǎn)隨時可調(diào)，一般設(shè)定高于氣化爐工作壓力0.5MPa～0.7MPa左右。

1.2 投煤順序改造

因三條給煤線采用順序投煤方式容易造成氣化爐偏燒，原設(shè)計理念是穩(wěn)定一條投下一條，經(jīng)過煤粉流量控制方式的改變，煤粉流量大大穩(wěn)定，具備了三條線同時投的條件，所以將控制方式由順序控制改為三條煤粉管線流量均衡的前提下三條線同時投煤，通過這項(xiàng)核心的改造，既避免了三條線不均勻?qū)е碌臍饣癄t偏燒，又解決了順序投用時等待時間過長導(dǎo)致的燃燒不充分等一系列問題，使氣化爐的掛渣、排渣、洗滌、合成氣組分都得到了改善。

1.3 氣化爐給煤線上增加煤粉流量控制閥[3]

借鑒其它干煤粉氣化爐的控制理念，增加了給煤控制閥。通過給煤閥來控制給煤量（見圖2）。其優(yōu)點(diǎn)如下：

圖2 在煤粉線上增加調(diào)節(jié)閥Fig.2 Increase the regulator valve on the coal powder

圖3 煤粉調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of pulverized coal regulating valve

原始設(shè)計煤粉給料器與氣化爐之間的壓差僅有最大0.3Mpa，在氣化爐和給料容器壓力波動的時候，頻繁觸發(fā)壓差低聯(lián)鎖。增加了給煤閥后，給料器的壓力就可以提高，而且氣化爐與給煤器之間壓差聯(lián)鎖值也可以適當(dāng)提高，從而避免了該聯(lián)鎖導(dǎo)致的跳車。增加的煤粉流量調(diào)節(jié)閥，可對給煤量進(jìn)行流量控制，減小壓差波動對煤量控制的影響，并且保證了三條煤粉管線的流量均衡。其中，關(guān)鍵設(shè)備煤粉調(diào)節(jié)閥采用國產(chǎn)技術(shù)，通過波紋管密封，碳化鎢內(nèi)件，杯型閥芯等特殊設(shè)計，對煤粉密相流的控制起到平滑穩(wěn)定的效果（見圖3）。

1.4 增加給煤粉循環(huán)線

增加了煤粉循環(huán)線（見圖4），原改造目的在于事故狀態(tài)煤粉打回流，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，GSP氣化爐在事故狀態(tài)可以迅速切斷煤粉線上煤粉，故將這個工藝控制改為投料前打回流。這樣可以檢查給煤線上設(shè)備、儀表的運(yùn)行狀況，同時疏松煤粉，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患。其關(guān)鍵設(shè)備為煤粉回流三通閥，也采用了國產(chǎn)技術(shù)，要求切換時煤粉流量無擾動，閥腔內(nèi)密封嚴(yán)不至于進(jìn)煤粉時卡澀（見圖5、圖6）。

圖4 煤粉線上增加循環(huán)回流線Fig.4 Increase circulating reflux line on coal powder

圖6 循環(huán)回流線三通閥內(nèi)件圖Fig.6 Diagram of the inner parts of the circulating reflux line three-valve

經(jīng)過以上一系列改造，克服了給料容器壓力、氣化爐壓力、給煤量、給氧量之間的互相干擾，使氣化爐投煤平穩(wěn)可靠，使氣化爐在沒有進(jìn)行較大工程改造的情況下，實(shí)現(xiàn)了長時間運(yùn)行。

2 優(yōu)化點(diǎn)火程序

在氣化爐試車過程中，經(jīng)常發(fā)生氣化爐點(diǎn)不著火的情況，分析其原因如下：點(diǎn)火器故障、火檢故障、LPG成分變化、LPG與氧氣配比不當(dāng)、氣化爐內(nèi)環(huán)境變化等。

2.1 修改LPG和氧的配比

試車期間，由于LPG組分變化，環(huán)境溫度較低時，LPG甚至發(fā)生冷凝，工藝人員經(jīng)常點(diǎn)不著火，需要修改LPG與N2和O2的配比關(guān)系，然后進(jìn)行點(diǎn)火，針對這一情況，控制中修改了點(diǎn)火聯(lián)鎖、順控，實(shí)現(xiàn)了工藝人員可以根據(jù)環(huán)境情況和LPG組分變化隨時修改配比系數(shù)。具體描述如下：

圖5 循環(huán)回流線三通閥Fig.5 Cyclic reflux line three-wire valve

在操作畫面上增加點(diǎn)火時LPG流量（0～100%范圍）調(diào)節(jié)輸入框，工藝操作人員可修改氣化爐點(diǎn)火時LPG流量。成功點(diǎn)火后，程序中自動將LPG流量逐步恢復(fù)至設(shè)計要求值，并投用聯(lián)鎖，最后氣化爐按照升壓順控自動升壓。

目前，工藝操作人員每次點(diǎn)火時將此比例系數(shù)設(shè)為60%，點(diǎn)火成功率非常高。

2.2 火檢的安裝位置改造

氣化爐運(yùn)行過程中，多次發(fā)生因火焰信號丟失而導(dǎo)致氣化爐跳車的事故。通過攻關(guān)組分析，原設(shè)計火焰檢測器二次表安裝在中控室，由于信號線較長（傳輸距離約500m），火焰信號類型為毫伏，過長的傳輸距離使火焰信號易受現(xiàn)場干擾?，F(xiàn)將火檢二次表移至現(xiàn)場，縮短毫伏信號的傳輸距離，并在現(xiàn)場為二次表安裝了防爆接線箱，以滿足二次表的防爆安全，這一改造非常成功，再沒有發(fā)生過因火檢信號不穩(wěn)定造成的停車事故。

3 煤粉下料系統(tǒng)改造

試車初期氣化煤鎖斗根本無法實(shí)現(xiàn)長周期的連續(xù)供煤，導(dǎo)致氣化爐不能滿負(fù)荷生產(chǎn)和經(jīng)常因斷煤導(dǎo)致氣化停車。原因如下：

1）放射性料位開關(guān)經(jīng)常誤指示；2）程序設(shè)計不合理；3）聯(lián)鎖設(shè)計值不合理；4）煤粉收集器發(fā)送罐發(fā)送不及時；5）部分儀表運(yùn)行不可靠。

3.1 修改放射源安裝位置

原設(shè)計每個鎖斗有放射性料位開關(guān)3個，其中高料位和高高料位開關(guān)安裝距離非常近，而低料位開關(guān)安裝在錐型口上，由于錐型口容易造成煤粉掛壁和堆積，從而導(dǎo)致誤指示。具體過程為當(dāng)下料結(jié)束，低料位開關(guān)報警，程序結(jié)束，由于錐口煤粉堆積，又重新顯示有料，鎖斗無法進(jìn)行下一步的泄壓順控。經(jīng)過研究確定改造方案，將高高料位取消，低料位的開關(guān)位置上移，避開錐型口。從而使鎖斗下料、裝料過程中，放射性料位開關(guān)能準(zhǔn)確工作。

3.2 修改鎖斗程序

原鎖斗程序設(shè)計把鎖斗運(yùn)行過程分為4個階段，分別是進(jìn)料，升壓，卸料，泄壓。4個鎖斗都按照這4個階段周而復(fù)始地運(yùn)行，但鎖斗間運(yùn)行并不獨(dú)立，4個階段互相鎖定，這種互鎖往往導(dǎo)致了一個鎖斗因下料不暢而停運(yùn)，其它幾個鎖斗也會因這個鎖斗的故障而導(dǎo)致不能運(yùn)行。

如A鎖斗進(jìn)入下料階段故障（如煤粉架橋?qū)е孪旅翰粫常?，B、C、D鎖斗就不能進(jìn)入下料階段，從而導(dǎo)致了出現(xiàn)整個4個鎖斗停止運(yùn)行，致使氣化爐斷煤的情況出現(xiàn)。

又如有時出現(xiàn)某個鎖斗泄壓時間過長，導(dǎo)致其它鎖斗都無法泄壓（因?yàn)樾箟哼^濾器一次只允許一個鎖斗泄壓），這樣也很容易造成鎖斗下煤不及時。雖然可以采用手工干涉的方法來解除，但是一來維護(hù)工作量巨大，二來容易出現(xiàn)誤操作事故。經(jīng)過邏輯改造，將下料階段修改為可以并行運(yùn)行，各個鎖斗的運(yùn)行相互獨(dú)立，不互相鎖定，同時將泄壓部分程序進(jìn)行了修改，克服了一個鎖斗故障導(dǎo)致整個下料程序停運(yùn)的情況，大大提高了鎖斗的運(yùn)行效率，保證了煤粉的及時連續(xù)供應(yīng)。

4 優(yōu)化渣鎖斗運(yùn)行順控

試車時，排渣系統(tǒng)不能滿足氣化爐排渣的要求。具體表現(xiàn)在渣鎖斗充液、升壓過程耗時過長均使渣順控循環(huán)周期延長，排渣不暢。分析其原因?yàn)殒i斗音叉開關(guān)無法及時準(zhǔn)確地反映渣鎖斗液位的變化，由于音叉開關(guān)的工作原理決定了利用音叉開關(guān)進(jìn)行渣鎖斗的液位測量是不可行的。所以將程序修改為固定時間充液和排渣的方法，通過做實(shí)驗(yàn)來確定適當(dāng)?shù)某湟簳r間，以減少渣斗的充壓時間。經(jīng)過檢驗(yàn)程序修改后效果良好，渣系統(tǒng)順控運(yùn)行穩(wěn)定，排渣迅速有效，每個循環(huán)時間控制在了30min以內(nèi)，滿足了氣化滿負(fù)荷運(yùn)行的要求。

5 結(jié)束語

以上的改造只是在氣化爐開車過程中遇到的大量問題中的一部分，通過本公司工程技術(shù)人員和設(shè)計院設(shè)計人員的共同努力，克服了重重困難，終于使這套烯烴裝置順利開車，在國際干煤粉氣化領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，為神華寧煤集團(tuán)煤化工的戰(zhàn)略部署打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。