常壓固定富氧氣化工藝氧體積分?jǐn)?shù)控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造

郭軍峰，常俊斌

(山西天澤煤化工集團(tuán)股份公司，山西 晉城 048000)

山西天澤煤化工集團(tuán)股份公司煤氣化廠具有500 kt/a氨醇、800 kt/a大顆粒尿素裝置，煤制氣系統(tǒng)采用當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)的無(wú)煙塊煤，選用固定床富氧造氣技術(shù)，共設(shè)28臺(tái)直筒煤氣爐制氣，采用變壓吸附制氧工藝，配套2組55 t/h三廢混燃爐回收吹風(fēng)氣。造氣和制氧裝置均采用了分散控制系統(tǒng)(DCS)[1]，實(shí)現(xiàn)了油壓系統(tǒng)自控、入爐蒸汽自調(diào)、氫氮比自調(diào)、機(jī)電一體化自動(dòng)加焦和自動(dòng)下灰、制富氧時(shí)序智能化控制等功能，為造氣裝置提高單爐產(chǎn)氣量提供了技術(shù)支撐，為后工序穩(wěn)定生產(chǎn)、優(yōu)化操作及節(jié)能降耗提供了有力保障。

1 煤制氣裝置控制系統(tǒng)概述

煤制氣裝置控制系統(tǒng)根據(jù)固定床煤氣爐制氣工藝和操作特性，采用單爐操作加公共系統(tǒng)監(jiān)控流程操作畫(huà)面實(shí)現(xiàn)分散集中控制。

根據(jù)工藝控制要求，28臺(tái)造氣爐采用S7-200PLC加上位機(jī)監(jiān)控站構(gòu)成控制系統(tǒng)[2]。其配置為： 7臺(tái)控制柜，內(nèi)置28個(gè)控制站；上位機(jī)為7臺(tái)操作站，每臺(tái)操作站都可以執(zhí)行全裝置操作。制富氧裝置控制采用S7-300PLC[3]冗余主控模塊的系統(tǒng)，獨(dú)立配置2臺(tái)操作員站和1臺(tái)工程師站實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。

公共部分配置包括： 1臺(tái)S7-200 PLC、1臺(tái)S7-300PLC、2臺(tái)操作站；其中1臺(tái)工程師站，每個(gè)操作站均可全方位操作。氣體報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)： 采用S7-1500系列模塊，配置1個(gè)控制柜，內(nèi)置1個(gè)控制站，配置2臺(tái)監(jiān)控操作站。視頻監(jiān)控系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置1臺(tái)控制柜，4臺(tái)監(jiān)視器。

實(shí)現(xiàn)主要功能： 工藝閥門(mén)的邏輯控制，按照閥門(mén)邏輯動(dòng)作時(shí)控程序要求控制[4]，包括吹風(fēng)、回收、加氮、下行、上行、總蒸汽等工藝閥門(mén)動(dòng)作的檢測(cè)、安全聯(lián)鎖及報(bào)警，加煤時(shí)間控制，炭層高度控制，蒸汽總管壓力的超前與前饋補(bǔ)償控制，氫氮比自動(dòng)調(diào)節(jié)，水夾套及氣包液位的PID調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)和油壓系統(tǒng)的管理、報(bào)警及聯(lián)鎖，DCS自動(dòng)吹風(fēng)排隊(duì)控制等功能，任何階段的安全開(kāi)車(chē)，上加氮操作，強(qiáng)行回收操作，安全停車(chē)，緊急停車(chē)，階段延時(shí)(暫停)，階段快進(jìn)，氣體報(bào)警監(jiān)控各參數(shù)的顯示和超標(biāo)報(bào)警，監(jiān)視顯示，各參數(shù)歷史趨勢(shì)，實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖顯示，各參數(shù)的設(shè)定、報(bào)警設(shè)置和顯示。

2 氧體積分?jǐn)?shù)控制系統(tǒng)

從VPSA制氧裝置來(lái)的氧體積分?jǐn)?shù)為80%～93%，需與鼓風(fēng)機(jī)來(lái)的空氣混合后將氧體積分?jǐn)?shù)控制在23%～24%后，再送造氣直筒煤氣爐使用。為滿(mǎn)足造氣富氧入爐制氣需要，將造氣工段28臺(tái)煤氣爐按4臺(tái)為1組，分為7套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)配用1個(gè)氧氣空氣混合罐、1臺(tái)氧分析儀、1臺(tái)氣動(dòng)控制閥。氧分析儀與控制閥組成單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，人工操作控制氧體積分?jǐn)?shù)。

2.1 改造前氧體積分?jǐn)?shù)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

氧體積分?jǐn)?shù)控制系統(tǒng)在裝置開(kāi)車(chē)投用后出現(xiàn)調(diào)節(jié)嚴(yán)重滯后、爐況操作不穩(wěn)等問(wèn)題，致使氧體積分?jǐn)?shù)不能穩(wěn)定在工藝希望控制的目標(biāo)值，只能通過(guò)操作人員遙控控制閥開(kāi)度進(jìn)行手動(dòng)控制。在單系統(tǒng)開(kāi)停爐時(shí)操作頻繁，長(zhǎng)期控制不穩(wěn)定，另外緊急情況下氧氣控制閥不能自動(dòng)關(guān)閉切斷氧氣，存在嚴(yán)重的安全隱患。

2.2 氧體積分?jǐn)?shù)控制系統(tǒng)改造

2.2.1存在問(wèn)題分析

根據(jù)氧體積分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)情況和出現(xiàn)的問(wèn)題，專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員對(duì)問(wèn)題具體分析排查，提出了整改方案。原因分析有以下三個(gè)方面：

1)管路設(shè)計(jì)不合理，氧與空氣不能有效混合，部分高濃度氧會(huì)走路徑短的管路直接去造氣工段。

2)取樣點(diǎn)位置、控制閥位置不合理，不能及時(shí)控制氧體積分?jǐn)?shù)。

3)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，沒(méi)有考慮操作安全。

2.2.2優(yōu)化改造方案

根據(jù)設(shè)備管路狀況及控制系統(tǒng)使用情況，提出分步實(shí)施系統(tǒng)改造方案：

1)采樣點(diǎn)改動(dòng)。將原來(lái)的空氣與氧氣在混合罐內(nèi)混合改為氧氣經(jīng)緩沖罐后在吹風(fēng)總管管道增設(shè)的噴射器內(nèi)與空氣混合，使氧氣與空氣充分混合成富氧空氣后去造氣工段；同時(shí)氧分析儀的取樣點(diǎn)由原來(lái)的混合罐出口改到吹風(fēng)總管管道混合噴射器后距入爐最近的管道上。

2)調(diào)整控制閥位置。將氧氣控制閥的位置由原來(lái)的空氣氧氣混合罐入口管道處調(diào)整到緩沖罐出口管道上，并在緩沖罐出口控制閥前增加切斷閥，起到安全切斷作用。

3)控制回路改造?？刂品绞接稍瓉?lái)的單回路PID調(diào)節(jié)改為限幅調(diào)節(jié)，增加快速切斷閥與氧體積分?jǐn)?shù)指示和風(fēng)機(jī)壓力構(gòu)成聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)異常情況下及時(shí)切斷氧氣，保護(hù)系統(tǒng)安全。

氧體積分?jǐn)?shù)控制系統(tǒng)優(yōu)化方案如圖1所示。

圖1 氧體積分?jǐn)?shù)控制系統(tǒng)優(yōu)化方案示意

2.2.3改造優(yōu)化后的功能

每套造氣富氧系統(tǒng)氧氣緩沖罐出口總管增加1臺(tái)切斷閥，和富氧控制閥實(shí)現(xiàn)單爐階段限幅調(diào)節(jié)。切斷閥和控制閥配合調(diào)節(jié)，正常時(shí)切斷閥常開(kāi)，通過(guò)控制閥調(diào)節(jié)氧體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)高于高限(30%～35%)，或風(fēng)壓低于低限10 kPa，切斷閥自動(dòng)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化操作，確保裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要功能如下：

1)氧體積分?jǐn)?shù)控制的聯(lián)鎖。氧高限聯(lián)鎖投入，當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)測(cè)量值高于高限設(shè)定值，氧切斷閥自動(dòng)聯(lián)鎖關(guān)閉閥門(mén)；當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)低于聯(lián)鎖設(shè)定值，切斷閥也不能自動(dòng)打開(kāi)，只有操作人員確認(rèn)安全后才能手動(dòng)遙控打開(kāi)切斷閥。

2)風(fēng)壓控制的聯(lián)鎖。風(fēng)壓低限聯(lián)鎖投入，當(dāng)風(fēng)壓測(cè)量值低于風(fēng)壓低限設(shè)定值，氧切斷閥自動(dòng)聯(lián)鎖，關(guān)閉閥門(mén)。當(dāng)風(fēng)壓高于設(shè)定值中，切斷閥不能自動(dòng)打開(kāi)，必須通過(guò)操作人員手動(dòng)遙控打開(kāi)切斷閥。

3)氧體積分?jǐn)?shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)。氧體積分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)在原PID自動(dòng)調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上增加單爐吹風(fēng)限幅、加氮限幅、無(wú)風(fēng)限幅，每套系統(tǒng)通過(guò)判斷單爐吹風(fēng)、加氮、無(wú)風(fēng)階段過(guò)程，實(shí)現(xiàn)階段限幅細(xì)化調(diào)節(jié)。

4)信號(hào)聯(lián)鎖控制。將每臺(tái)爐的吹風(fēng)、加氮信號(hào)接入到控制系統(tǒng)控制切斷閥，判斷每臺(tái)爐的用氧量狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)節(jié)加限幅控制閥的開(kāi)度。

5)控制站功能分配。在現(xiàn)有的2套公共控制站(一)、(二)中，現(xiàn)有公共控制站(一)內(nèi)新增測(cè)控點(diǎn)后編程用于控制1號(hào)、2號(hào)系統(tǒng)的氧體積分?jǐn)?shù)控制閥和切斷閥聯(lián)鎖，在現(xiàn)有公共控制站(二)內(nèi)新增測(cè)控點(diǎn)后編程用于控制5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)系統(tǒng)的氧體積分?jǐn)?shù)控制閥和切斷閥聯(lián)鎖，新增1套公共控制站(三)控制3號(hào)、4號(hào)系統(tǒng)的氧氣控制閥和切斷閥聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理。

2.2.4改造后操作說(shuō)明

氧氣緩沖罐出口的氧氣切斷閥和控制閥分為兩種控制方式，即手動(dòng)控制和自動(dòng)控制調(diào)節(jié)。其具體操作方法如下：

1)吹風(fēng)限幅。每套系統(tǒng)單爐運(yùn)行，當(dāng)吹風(fēng)閥打開(kāi)時(shí)，自動(dòng)設(shè)置閥門(mén)開(kāi)度，吹風(fēng)限幅設(shè)定為100%。

2)加氮限幅。每套系統(tǒng)單爐運(yùn)行，當(dāng)加氮閥打開(kāi)時(shí)，自動(dòng)設(shè)置閥門(mén)開(kāi)度，加氮限幅設(shè)定為100%。

3)無(wú)風(fēng)限幅。每套系統(tǒng)單爐運(yùn)行，當(dāng)吹風(fēng)和加氮閥未打開(kāi)，自動(dòng)設(shè)置氧量控制閥開(kāi)度，無(wú)風(fēng)限幅設(shè)定為100%。

4)氧體積分?jǐn)?shù)高限聯(lián)鎖設(shè)定值。設(shè)定氧體積分?jǐn)?shù)聯(lián)鎖的高限設(shè)定值，氧體積分?jǐn)?shù)高于聯(lián)鎖設(shè)定值聯(lián)鎖啟動(dòng)。

5)風(fēng)壓低限聯(lián)鎖設(shè)定值。設(shè)定風(fēng)壓聯(lián)鎖的低限設(shè)定值，風(fēng)壓低于聯(lián)鎖設(shè)定值聯(lián)鎖啟動(dòng)。

6)手/自動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕。按鈕為手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，人為控制控制閥的開(kāi)度；按鈕為自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制閥門(mén)的開(kāi)度。

7)氧體積分?jǐn)?shù)高限聯(lián)鎖按鈕。該按鈕為氧體積分?jǐn)?shù)聯(lián)鎖投入與取消的總開(kāi)關(guān)，按鈕“投入”聯(lián)鎖起作用，“取消”聯(lián)鎖不起作用。

8)風(fēng)壓低限聯(lián)鎖按鈕。該按鈕為風(fēng)壓聯(lián)鎖投入與取消的總開(kāi)關(guān)，按鈕“投入”聯(lián)鎖起作用，“取消”聯(lián)鎖不起作用。

9)氧控制閥開(kāi)按鈕。當(dāng)投入聯(lián)鎖切斷閥自動(dòng)關(guān)閉，手動(dòng)打開(kāi)氧閥按鈕。

2.2.5改造后主要優(yōu)點(diǎn)及效果

增加切斷閥保證了生產(chǎn)操作安全穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了氧體積分?jǐn)?shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)平穩(wěn)操作、氧量PID加自動(dòng)限幅調(diào)節(jié)控制、氧體積分?jǐn)?shù)高限報(bào)警聯(lián)鎖啟動(dòng)以及風(fēng)壓低限報(bào)警聯(lián)鎖啟動(dòng)。

氧體積分?jǐn)?shù)控制系統(tǒng)改造優(yōu)化后，氧體積分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)穩(wěn)定，提高了單爐產(chǎn)氣量，控制效果優(yōu)化明顯，參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表1所列。

表1 氧體積分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定和單爐參數(shù)設(shè)定

3 結(jié)束語(yǔ)

控制好氧體積分?jǐn)?shù)是實(shí)現(xiàn)常壓固定床富氧氣化工藝成功應(yīng)用的關(guān)鍵之一，在優(yōu)化控制回路選擇上應(yīng)結(jié)合工藝操作實(shí)際要求及實(shí)際工況，多方考慮、優(yōu)化選擇，不斷改進(jìn)與更新，才能提高自動(dòng)化應(yīng)用水平，從而實(shí)現(xiàn)提高單煤氣爐產(chǎn)量，降低原料煤消耗，降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。目前，該公司氧量控制系統(tǒng)優(yōu)化改造后應(yīng)用效果良好，增氧調(diào)節(jié)平穩(wěn)，單爐產(chǎn)氣量明顯增加，達(dá)到了預(yù)期效果。