殼牌氣化爐長(zhǎng)周期運(yùn)行儀表測(cè)控優(yōu)化

潘 陽

（岳陽長(zhǎng)煉機(jī)電工程技術(shù)有限公司 鄂爾多斯分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

0 引言

煤制氫裝置由于工藝復(fù)雜、設(shè)備技術(shù)前沿、自動(dòng)化程度高，從原始開工至今，氣化爐的長(zhǎng)周期運(yùn)行就一直是困擾生產(chǎn)裝置的問題。尤其是對(duì)4 條燒咀的煤線速度、密度儀表和閥門的測(cè)量，控制穩(wěn)定就尤為重要。由于煤粉線的煤量是通過速度、密度的測(cè)量值運(yùn)算得到的，如果測(cè)量不準(zhǔn)將導(dǎo)致煤線控制不穩(wěn)。而且又在氣化爐高負(fù)荷情況下，各煤線不均勻燃燒，就會(huì)出現(xiàn)燒咀罩“偏燒”，最終會(huì)頻繁地導(dǎo)致各燒咀罩在高溫高壓下磨損燒破，漏的循環(huán)水嚴(yán)重影響了氣化爐生產(chǎn)合成氣的能力，特別嚴(yán)重的情況下還會(huì)導(dǎo)致氣化爐各級(jí)換熱器表面附著一層“石灰塊化”的介質(zhì)，不僅影響流通量，甚至能將氣化爐氣流通道完全堵死，而且一定程度決定了燒咀罩使用壽命，是燒咀跳車和停車搶修的主因。因此，煤線儀表的精準(zhǔn)測(cè)量和控制優(yōu)化，對(duì)氣化爐的長(zhǎng)周期運(yùn)行非常重要。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

1 工藝介紹

國(guó)內(nèi)某公司的煤制氫裝置是采用殼牌煤氣化裝置，殼牌煤氣化采用干法煤粉加壓氣化技術(shù)，在高溫加壓條件下進(jìn)行，屬氣流床氣化。煤粉、氧氣并流進(jìn)入氣化爐內(nèi)，在極短的時(shí)間內(nèi)完成升溫，揮發(fā)份脫除、裂解、燃燒及轉(zhuǎn)化等一系列物理和化學(xué)過程。整個(gè)煤氣化工藝由煤加壓及給料系統(tǒng)、煤氣化及合成氣冷卻系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)、濕洗系統(tǒng)、初步水處理及公用工程系統(tǒng)組成，如圖1 所示。

2 測(cè)控優(yōu)化涉及的內(nèi)容和標(biāo)定方法

根據(jù)殼牌煤氣化控制原理，負(fù)荷控制是氧量定煤量，投煤量確定，氣化爐負(fù)荷就確定。此時(shí)氧煤比是一個(gè)非常關(guān)鍵的工藝控制參數(shù)。氧煤比偏低，氣化爐爐溫下降，一氧化碳含量上升；氧煤比高，氣化爐溫上升，一氧化碳含量下降。因此，合適的氧煤比是實(shí)現(xiàn)爐溫合理控制，合成氣產(chǎn)量最高的基本條件，而氧煤比的優(yōu)化就是投用煤線煤流量的自動(dòng)控制和煤線儀表和閥門。

2.1 速度計(jì)、密度計(jì)的標(biāo)定以及優(yōu)化試驗(yàn)

◇ 速度計(jì)標(biāo)定優(yōu)化措施

1）速度測(cè)量?jī)x表測(cè)量的是微弱電信號(hào)，必須使測(cè)量發(fā)生體遠(yuǎn)離振動(dòng)、電磁干擾，做好屏蔽。傳感器與工藝管道跨接處的有效接地，尤其是在帶介質(zhì)、帶壓階段不能有干擾信號(hào)。

2）通過現(xiàn)場(chǎng)儀表的安裝發(fā)現(xiàn)，如果傳感器法蘭面與管道連接處不平整，很容易造成煤粉傳送時(shí)不穩(wěn)定，煤粉波形紊亂，造成儀表檢測(cè)困難，傳感器表面沖刷磨損。因此，需采取儀表連接法蘭保持在同一中心線上且與相鄰管道與法蘭焊接處打磨平整。

3）因測(cè)量管道內(nèi)外溫差大，必須對(duì)傳感器測(cè)量管道外部做好保溫，保證煤線的外壁溫度不得低于85℃，以消除掛料、結(jié)垢帶來的儀表測(cè)量誤差。

4）速度計(jì)在設(shè)置參數(shù)的變化時(shí)，快速響應(yīng)由15%延長(zhǎng)至45%，相關(guān)性由100μs 延長(zhǎng)至150μs ～250μs，阻尼時(shí)間由5s 延長(zhǎng)至10s ～15s。

◇ 密度計(jì)標(biāo)定優(yōu)化措施

a）安裝方面，定期檢查現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表保溫與伴熱是否符合要求。因北方地區(qū)管道內(nèi)外溫度偏差較大，應(yīng)提高各條煤線的電伴熱、保溫效果，達(dá)到不低于85℃的要求。

b）密度計(jì)標(biāo)定方面，改進(jìn)原有的單點(diǎn)標(biāo)定，并增加模擬實(shí)物對(duì)比。

因?yàn)榉派湓从兴p性，會(huì)造成儀表指示不準(zhǔn)，需要定期對(duì)密度儀表進(jìn)行標(biāo)定。裝置開工初期，煤粉密度測(cè)量?jī)x表一般采用實(shí)物進(jìn)行單點(diǎn)標(biāo)定，常見3 種實(shí)物標(biāo)定的辦法。第一種為向測(cè)量管道內(nèi)充氮?dú)?，到正常工況4.7Mpa 時(shí)進(jìn)行標(biāo)定，氮?dú)饷芏仁?0kg/m3。由于工藝實(shí)際生產(chǎn)中很難操作到此壓力點(diǎn)，且氮?dú)獾拿芏炔坏c其壓力有關(guān)，還受氮?dú)鉁囟扔绊?。因此，該方法?huì)有一定的誤差；第二種為測(cè)量管道內(nèi)常溫常壓時(shí)的空管標(biāo)定，此時(shí)密度值一般定義為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度1.29kg/m3，正常工況下的介質(zhì)密度值一般在200kg/m3～300kg/m3之間，二者之間有較大差異。后期增加第三種模擬實(shí)物對(duì)比方法，具體如下：使用厚度為1.50mm 的Q235A 普通碳素鋼板標(biāo)定，換算出介質(zhì)密度的方法為：

換算出的介質(zhì)密度＝鋼板密度×鋼板厚度÷管道內(nèi)徑+管道內(nèi)氮?dú)饷芏?/p>

因此，按照此密度值進(jìn)行單點(diǎn)標(biāo)定的密度也比較接近工況密度。

c）合理調(diào)整密度計(jì)阻尼時(shí)間，保證煤線穩(wěn)定性。由于放射源在放射粒子時(shí)的不確定性，因而儀表必須設(shè)定適當(dāng)?shù)淖枘釙r(shí)間。阻尼時(shí)間過大，造成測(cè)量反應(yīng)滯后，從而調(diào)節(jié)滯后；阻尼過小，容易造成測(cè)量波動(dòng)，容易誤觸發(fā)聯(lián)鎖。為確定合適的阻尼時(shí)間，采取測(cè)量不同阻尼時(shí)間下的均方根誤差的辦法。在5s、8s、10s 的阻尼時(shí)間，從DCS 歷史趨勢(shì)中，按每1s 一個(gè)數(shù)據(jù)，采集30min 以上的3 組數(shù)據(jù)，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)誤差（即均方根誤差）。并在晝夜不同氣溫時(shí)，分時(shí)間按同樣的方法進(jìn)行多次采集。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，5s 時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)誤差達(dá)到14kg/m3，而8s 時(shí)標(biāo)準(zhǔn)誤差約9kg/m3，10s 時(shí)約6 kg/m3，前兩個(gè)阻尼時(shí)間下的誤差較大。因此，將密度計(jì)的密度阻尼時(shí)間設(shè)定為10s。

2.2 稱重儀的灌水標(biāo)定與煤粉循環(huán)質(zhì)量流量的對(duì)比

賽多利斯粉煤儲(chǔ)存?zhèn)}稱重儀的“灌水”法標(biāo)定。

平衡4 個(gè)傳感器后，注水前后對(duì)比效果見表1、表2。

通過灌水標(biāo)定，比較質(zhì)量流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噸水箱、遇水變色重錘檢尺計(jì)算水重，按照實(shí)際高負(fù)荷所需儲(chǔ)存煤量的80t 位標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)，修改線性誤差值，控制誤差在2t 以內(nèi)。

表1 密度計(jì)半小時(shí)的標(biāo)定數(shù)據(jù)Table 1 Calibration data for half hour of density meter

圖2 稱重儀標(biāo)定采用“灌水法”標(biāo)定的流程原理圖Fig.2 Schematic diagram of the calibration of the weighing instrument using the "watering method" calibration

圖3 安裝簡(jiǎn)圖及稱重傳感器排干擾處理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the installation diagram and the interference sensor row interference processing

表2 注水前對(duì)比效果Table 2 Comparison effect before water injection

表3 注水后對(duì)比效果Table 3 Comparison effect after water injection

2.3 負(fù)荷控制的局部?jī)?yōu)化

1）按照殼牌設(shè)計(jì)采用高硫、高熔點(diǎn)、低灰分的原煤作為唯一的煤種，從開工初期生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)與基于該煤種的各設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相差較大。主要體現(xiàn)在爐溫不高、碳轉(zhuǎn)化率低、渣流動(dòng)性差，或者沒有形成高溫下的氣化爐掛渣、渣樣含碳量高、合成氣含碳量高、換熱器換熱效率低，大部分換熱器被未完全反應(yīng)的原煤、煤灰所附著，極大地影響了設(shè)備壽命、換熱效率以及轉(zhuǎn)化率，也是導(dǎo)致氣化爐出口溫度一直偏高。必須對(duì)復(fù)雜控制回路的投用從源頭和控制上考慮改變，首先根據(jù)原煤數(shù)據(jù)進(jìn)行煤配比，同時(shí)要將氧煤比范圍從“-0.1 ～0.1”擴(kuò)至“-0.3 ～0.3”，以擴(kuò)大了調(diào)整寬度、煤種適應(yīng)度及操作空間。設(shè)計(jì)的4 種控制方式，實(shí)際應(yīng)用了兩種，比單一的氧煤比控制有明顯得優(yōu)化，工藝實(shí)際上是在蒸汽控制和氧煤比控制之間切換來適應(yīng)生產(chǎn)需要。

2）在實(shí)際生產(chǎn)中，因?yàn)楦鞣N“故障”和煤線不穩(wěn)等因素，煤燒咀跳車比較頻繁，這樣造成至少1/4 的負(fù)荷波動(dòng)。原設(shè)計(jì)中，一旦某一個(gè)或者兩個(gè)燒咀跳車后，已跳車燒咀的負(fù)荷會(huì)直接分配到?jīng)]有跳車的燒咀上進(jìn)行總氧負(fù)荷控制。由于原負(fù)荷分配控制沒有限幅器，會(huì)因煤線增加1/4負(fù)荷造成大幅波動(dòng)。很大程度上，如果操作不及時(shí)和干預(yù)不當(dāng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致剩下的燒咀跳車而裝置停工。為解決這個(gè)問題，需要通過以下兩種方式來優(yōu)化復(fù)雜控制回路中的“負(fù)荷均勻緩慢分配”的問題，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的均勻分配和穩(wěn)定上升。其一，需要在總氧負(fù)荷4 等分的信號(hào)輸出端設(shè)置“限幅器”，具體設(shè)定值需要與工藝進(jìn)行試驗(yàn)獲?。黄涠?，在單燒咀的氧線復(fù)雜控制回路中，提前預(yù)設(shè)好增加1/4 負(fù)荷分配值，當(dāng)出現(xiàn)跳燒咀負(fù)荷再分配時(shí)，工藝可以通過“無擾動(dòng)切換”功能切換到預(yù)設(shè)值一側(cè)實(shí)現(xiàn)，通過預(yù)設(shè)值和限幅器兩方面優(yōu)化，可以確保穩(wěn)定過渡。

3）除了對(duì)U1300 單元的復(fù)雜控制進(jìn)行優(yōu)化外，應(yīng)采取前饋控制，穩(wěn)定V1205 的壓力，減少V1205 壓力波動(dòng)對(duì)煤線的影響。對(duì)U1200 單元的V1205 煤粉收集器壓力控制回路優(yōu)化，對(duì)煤線穩(wěn)定有很重要的作用。其一，將原設(shè)計(jì)中的流量和壓差控制取小選擇控制簡(jiǎn)單化，將一個(gè)選擇控制分別變成一個(gè)壓控和一個(gè)流控的單回路控制。改造的關(guān)鍵是穩(wěn)定住泄壓閥的開關(guān)速度和試驗(yàn)的安全閥位開度。這個(gè)需要在線動(dòng)態(tài)進(jìn)行回路功能試驗(yàn)，需要調(diào)整PID 調(diào)節(jié)器在沖壓時(shí)快，泄壓時(shí)又能有相對(duì)緩慢的效果，這樣試驗(yàn)出來的初始預(yù)置閥位可以在一定程度上減緩V1205 的壓力，在不斷的煤粉輸送至煤燒咀時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，從煤線煤粉的動(dòng)力源上減少了煤線的波動(dòng)造成的燒咀偏燒、燒咀罩損壞頻繁、煤線儀表測(cè)量不準(zhǔn)、燒咀跳車等事故。這個(gè)優(yōu)化還在運(yùn)行試驗(yàn)中，還要不斷優(yōu)化使壓控回路的壓力波動(dòng)在0.5MPa 內(nèi)，需選擇特殊PID 調(diào)節(jié)器在線試驗(yàn)。

4）通過多次的煤粉循環(huán)試驗(yàn)的加權(quán)平均值，取得標(biāo)定速度計(jì)的最佳數(shù)據(jù)投用煤線速度自動(dòng)控制，確保煤線在不同負(fù)荷下的最低速度，保證煤線速度的測(cè)量及時(shí)跟進(jìn)，而且穩(wěn)定控制煤粉角閥。

3 結(jié)束語

儀表專業(yè)經(jīng)過2 ～3 年的探索，在標(biāo)定了速度、密度、稱重儀表的同時(shí)，通過投用煤粉線的速度來控制復(fù)雜控制回路以及煤粉儲(chǔ)煤倉(cāng)的壓力控制來控制煤線的穩(wěn)定，優(yōu)化負(fù)荷控制器速率，同時(shí)工藝專業(yè)在煤粉原料的水份露點(diǎn)、煤線和相關(guān)操作上進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制精準(zhǔn)，減少了引起生產(chǎn)波動(dòng)的跳燒咀頻次，燒咀罩損壞的次數(shù)和使用壽命，逐步達(dá)到和實(shí)現(xiàn)了殼牌氣化爐的長(zhǎng)周期運(yùn)行目的。