全流程仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在SE水煤漿氣化制氫裝置中的應(yīng)用

洪波

(中國石化股份有限公司 鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315200)

全流程仿真培訓(xùn)系統(tǒng)(OTS)即操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)[1]，可逼真地模擬工廠的開車、停車、正常運(yùn)行和各種事故過程的現(xiàn)象和操作，是生產(chǎn)裝置培訓(xùn)和工藝方案研究的高效手段[2]。同時(shí)，OTS還可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，復(fù)核控制系統(tǒng)的組態(tài)，優(yōu)化工藝方案和控制系統(tǒng)[3]。

SE水煤漿氣化制氫裝置具有流程長、控制復(fù)雜、操作自動(dòng)化程度高、安全聯(lián)鎖等級(jí)要求高等特點(diǎn)[4]。根據(jù)水煤漿制氫裝置和其他同類裝置的對(duì)比[5-6]，要順利、安全地實(shí)現(xiàn)SE水煤漿氣化制氫裝置的開停車和平穩(wěn)運(yùn)行，除了仔細(xì)地調(diào)試控制系統(tǒng)組態(tài)，操作人員對(duì)氣化及配套技術(shù)反應(yīng)機(jī)理的理解、對(duì)全流程操作過程的熟練程度等均對(duì)全裝置的安全平穩(wěn)開車起著關(guān)鍵的作用，進(jìn)而影響到裝置的長周期運(yùn)行。因此，開發(fā)1套SE水煤漿氣化制氫裝置OTS，對(duì)于該氣化技術(shù)及配套的凈化技術(shù)的推廣和應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 技術(shù)方案

1.1 OTS系統(tǒng)架構(gòu)

SE水煤漿氣化制氫OTS采用與實(shí)際裝置一致的分散控制系統(tǒng)(DCS)操作站作為教員站、學(xué)員站和工程師站[7-9]。在同一個(gè)局域網(wǎng)上，可以同時(shí)運(yùn)行1臺(tái)教員站和多臺(tái)學(xué)員操作站，教員站和學(xué)員站是采用Windows操作系統(tǒng)，應(yīng)用TCP/IP協(xié)議、以太網(wǎng)連接的多用戶、多任務(wù)可遠(yuǎn)程訪問的系統(tǒng)。該OTS主要配置了虛擬控制器軟件、Dynsim仿真軟件以及DCS-OTS接口軟件[10-11]，利用虛擬DPU技術(shù)，把DCS組態(tài)下載到虛擬控制器中，虛擬控制器中的參數(shù)點(diǎn)與模型的關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)，通過OPC接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，完成整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建。OTS軟件數(shù)據(jù)流如圖1所示。

1.2 SE水煤漿氣化制氫工藝全流程

該系統(tǒng)中采用Dynsim軟件模擬已經(jīng)投產(chǎn)的某SE水煤漿氣化制氫裝置的工藝流程，根據(jù)實(shí)際裝置的工藝及儀表流程圖(P&ID)，工藝流程圖(PFD)，熱量及物料平衡圖(HMB)，煤質(zhì)分析結(jié)果以及設(shè)備數(shù)據(jù)表等資料，對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型開發(fā)，形成1套SE水煤漿氣化制氫OTS。整個(gè)裝置主要包含氣化和凈化兩部分，并將氣化與凈化裝置的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行串聯(lián)。

氣化裝置工藝流程如圖2所示，主要包括： 煤漿輸送單元、氣化及洗滌單元、除渣單元、灰水處理單元以及公用工程。由于煤質(zhì)的復(fù)雜性和多變性，以及氣化爐本身結(jié)構(gòu)及內(nèi)部反應(yīng)的復(fù)雜性，決定了煤質(zhì)計(jì)算及氣化爐反應(yīng)仿真模擬模塊是該模型的核心及實(shí)施難點(diǎn)。

凈化裝置工藝流程如圖3所示，主要包括： 一氧化碳變換及酸性氣體脫除單元。對(duì)于變換單元的模擬，主要涵蓋了變換爐、余熱回收、凝液汽提、鍋爐水制備及開工硫化系統(tǒng)等模型，其中變換爐是核心部分，變換爐部分應(yīng)用了轉(zhuǎn)化率模型。對(duì)于酸性氣體脫除單元的模擬，采用了配套的熱力學(xué)模型，其主要涵蓋原料氣冷卻、酸性氣體脫除、中壓閃蒸回收有效氣、低壓閃蒸副產(chǎn)CO2和H2S濃縮、富硫甲醇熱再生和尾氣洗滌等幾大塊，各塊內(nèi)容大多以塔器為載體，塊與塊之間存在頻繁熱交換，因此本單元的塔、換熱器的類型和數(shù)量較多，塔和換熱器的搭建是仿真模擬的一大難點(diǎn)。

2 OTS應(yīng)用實(shí)例

OTS是基于嚴(yán)格計(jì)算的、成熟的動(dòng)態(tài)模擬，有著較高的擬合度，能夠較大程度地模擬出實(shí)際裝置的真實(shí)生產(chǎn)過程和生產(chǎn)結(jié)果，并能體現(xiàn)工藝控制方案的優(yōu)劣性，對(duì)工藝控制方案的驗(yàn)證和優(yōu)化有著較大的指導(dǎo)作用。以下詳細(xì)介紹氣化和凈化裝置中的OTS應(yīng)用實(shí)例。

2.1 氣化爐停車過程中黑水溫度的變化對(duì)黑水角閥選型的影響

2.1.1問題說明

氣化爐停車過程中，為保護(hù)氣化爐激冷環(huán)，黑水閃蒸系統(tǒng)須一直運(yùn)行至氣化爐溫度降低至安全值。由于正常運(yùn)行過程中，雖然氣化爐內(nèi)黑水溫度高，但是該系統(tǒng)壓力也比較高，因此角閥前黑水的汽化率較低。在停車泄壓過程中，該系統(tǒng)的壓力變化較快，而黑水的溫度變化較慢，因此角閥前的汽化率會(huì)高于正常工況，而閥前汽化率的大小，直接影響到黑水角閥的選型和使用壽命。

2.1.2原因分析

氣化爐停車過程中部分參數(shù)變化如圖4所示，0時(shí)刻為停爐命令觸發(fā)時(shí)刻，從圖4可知：

1)停爐之后，由于氧氣和煤漿管線氮?dú)獯祾叩脑?，氣化爐壓力會(huì)稍有上升，極端情況下表壓可能升至6.9 MPa左右。

2)氣化爐送至黑水閃蒸系統(tǒng)的黑水流量隨著氣化爐的壓力、蒸發(fā)熱水塔的壓力、黑水角閥的開度，在不同的階段有著不同的變化趨勢。

3)氣化爐壓力曲線斜率的變化要大于黑水溫度曲線斜率的變化，說明黑水壓力的變化要遠(yuǎn)快于其溫度的變化。

圖4 氣化爐停車過程中部分參數(shù)變化曲線

氣化爐泄壓過程中高壓系統(tǒng)帶入蒸發(fā)熱水塔的熱量逐漸減少，停車前期泄壓階段，蒸發(fā)熱水塔的壓力基本可以保持穩(wěn)定，后期階段，帶入的熱量已不能維持其壓力，壓力呈下降趨勢。泄壓過程中，當(dāng)表壓降至4.0 MPa時(shí)，黑水角閥前黑水開始帶汽，說明此時(shí)溫度已達(dá)到對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度，隨著壓力的繼續(xù)降低，閥前汽化率在表壓為2.0 MPa時(shí)最高，說明在該壓力下，黑水溫度不僅達(dá)到該壓力下的飽和溫度，而且相對(duì)熱量較多，可以汽化更多的水，此時(shí)汽化率達(dá)到最大。停車過程中不同操作壓力下部分參數(shù)的變化見表1所列。

表1 停車過程中不同操作壓力下部分參數(shù)的變化

2.1.3小 結(jié)

綜上所述，閥前汽化率的大小，直接影響到黑水角閥的選型和使用壽命。黑水角閥的閥前汽化率根據(jù)仿真模擬結(jié)果不應(yīng)低于3.66%，在閥門選型時(shí)應(yīng)該考慮該汽化率對(duì)閥門通量、材質(zhì)和使用壽命等的影響。

2.2 繞管換熱器出口多股管線材質(zhì)選擇

2.2.1問 題

酸性氣體脫除單元變換氣進(jìn)入吸收塔之前一般會(huì)設(shè)置多股流繞管換熱器，與凈化氣、二氧化碳產(chǎn)品氣和尾氣換熱。考慮到變換氣突然中斷，換熱器無熱源，而甲醇循環(huán)沒有中斷，富碳甲醇和富硫甲醇仍然在進(jìn)一步閃蒸，閃蒸后低至-50 ℃左右的氣體進(jìn)入換熱器，在無熱源的情況下?lián)Q熱器二氧化碳產(chǎn)品氣和尾氣溫度可能會(huì)降低至-45 ℃左右，超過低溫碳鋼材質(zhì)耐受極限，而粗氫氣出口管線一般也會(huì)選用低溫碳鋼。由于缺少原料氣中斷后的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，利用OTS模擬原料氣中斷工況，解決換熱器出口粗氫氣、二氧化碳產(chǎn)品氣與尾氣管線選材問題。

2.2.2流程設(shè)計(jì)

繞管換熱器流程設(shè)計(jì)如圖5所示，吸收塔出口-51 ℃的粗氫氣經(jīng)吸收塔三段送往四段的富碳甲醇加熱至-20 ℃后進(jìn)入繞管換熱器；再吸收塔閃蒸出的二氧化碳產(chǎn)品氣溫度為-56.7 ℃直接進(jìn)入繞管換熱器；再吸收塔閃蒸出的尾氣溫度為-65 ℃，經(jīng)去往中壓閃蒸塔的富硫甲醇換熱后溫度升至-20 ℃后進(jìn)入繞管換熱器。

圖5 繞管換熱器流程設(shè)計(jì)示意

2.2.3原因分析

裝置正常運(yùn)行時(shí)粗氫氣、尾氣及二氧化碳產(chǎn)品氣溫度穩(wěn)定在37 ℃左右，設(shè)置原料氣入口閥門誤關(guān)，閥門誤關(guān)后粗氫氣、尾氣及二氧化碳產(chǎn)品氣溫度變化趨勢如圖6所示。

圖6 原料氣中斷后粗氫氣、二氧化碳及尾氣溫度變化示意

2.2.4小 結(jié)

通過模擬結(jié)果可以看出，原料氣中斷后二氧化碳和尾氣溫度最低降至-26 ℃左右，粗氫氣溫度降至20 ℃左右，粗氫氣流量隨著原料氣中斷逐漸減少直至為零，粗氫氣無流量時(shí)管線相當(dāng)于不流動(dòng)存在死區(qū)，溫度逐漸上升并穩(wěn)定至25 ℃。由此可見，換熱器出口粗氫氣管線選用碳鋼、二氧化碳管線選用低溫碳鋼即可。粗氫氣管線長度約45 m，管線質(zhì)量約6 t，相比于不銹鋼材質(zhì)，選用碳鋼材質(zhì)，可節(jié)省投資約12萬元；二氧化碳管線長度約35 m，管線質(zhì)量約2.5 t，相比于不銹鋼材質(zhì)，選用低溫碳鋼材質(zhì)，可節(jié)省投資約8萬元。

3 OTS技術(shù)優(yōu)勢

該OTS有以下幾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)勢：

1)逼真性。該OTS采用的Dynsim仿真軟件基于嚴(yán)格的熱力學(xué)和流體力學(xué)模型，使動(dòng)態(tài)過程模擬計(jì)算具有較好的魯棒性和準(zhǔn)確性。Dynsim運(yùn)用魯棒性的解決算法和快速的初始化功能，適應(yīng)于多組分、多變化、有化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜體系。在外界干擾或人為干擾條件下使用，參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的變化趨勢符合率達(dá)到100%，工藝參數(shù)穩(wěn)態(tài)誤差不大于2%。

2)高速性。Dynsim仿真軟件有一個(gè)魯棒的壓力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)算法，適用于可壓縮和不可壓縮系統(tǒng)。在解算引擎中，Dynsim有先進(jìn)的數(shù)學(xué)算法，即基于點(diǎn)的篩選法(Point-based-sorting)，不像傳統(tǒng)的序貫法求解引擎，用戶無需考慮解算次序而使其收斂，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)模型的高速分布式計(jì)算、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示和在線修改，滿足仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行需求。

3)連續(xù)性。Dynsim仿真軟件具有完整的模型庫、傳遞函數(shù)庫、工具庫及控制模型庫，可以對(duì)裝置進(jìn)行全流程動(dòng)態(tài)模擬，檢查精度和收斂情況，保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)，參數(shù)的變化是連續(xù)的，沒有突變和跳躍。

4 結(jié)束語

本文在SE水煤漿氣化制氫裝置基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了OTS，工藝指導(dǎo)意義顯著，可以提升SE水煤漿制氫的綜合競爭力，對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)及相關(guān)產(chǎn)品也有帶動(dòng)性，其社會(huì)效益顯著。同時(shí)，OTS的應(yīng)用，提高了工廠運(yùn)行水平，減少非正常停工次數(shù)；提高工人處理突發(fā)事故的能力，減少事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失，降低企業(yè)的能耗；降低控制系統(tǒng)維護(hù)、檢驗(yàn)和改造費(fèi)用，為企業(yè)節(jié)省大筆開支。

工程設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)