復(fù)雜控制策略在二氧化碳生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

徐 賀

(浙江晉巨化工有限公司,浙江 衢州 324004)

浙江晉巨化工有限公司(以下簡稱晉巨化工)二氧化碳裝置承擔(dān)著回收合成氨生產(chǎn)過程中二氧化碳排放氣的功能,將合成氨系統(tǒng)的尾氣轉(zhuǎn)化為高附加值的液體二氧化碳。裝置設(shè)計(jì)總產(chǎn)能45 kt/a,工業(yè)級設(shè)計(jì)產(chǎn)能30 kt/a,食品級設(shè)計(jì)產(chǎn)能15 kt/a,經(jīng)過近幾年的改造,裝置總產(chǎn)能達(dá)到80 kt/a。來自合成裝置含雜質(zhì)的二氧化碳尾氣經(jīng)過脫硫、加氧燃燒脫烴、脫水工序去除雜質(zhì),經(jīng)氨冷器冷卻轉(zhuǎn)化為液體后,利用提純精餾塔在塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣液兩相多次熱量、質(zhì)量交換,去除輕組分,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品精制[1]。此工藝流程存在加氧燃燒過程大滯后、非線性、強(qiáng)耦合等復(fù)雜特性,加氧控制無法實(shí)現(xiàn)自調(diào)、脫烴熱點(diǎn)溫度波動(dòng)大、氨冷器液位波動(dòng)大、提純塔塔頂放空量不穩(wěn)定等問題,致使常規(guī)PID單輸入、單輸出控制系統(tǒng)的單變量反饋已難以解決這種過程的整體控制問題[2]。

為克服現(xiàn)有二氧化碳裝置生產(chǎn)控制過程中存在的擾動(dòng)多、大滯后的缺陷,充分提高裝置自動(dòng)化水平、工藝參數(shù)平穩(wěn)性和抗干擾能力,晉巨化工決定對二氧化碳裝置DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造,成立“零手動(dòng)”推進(jìn)小組,采用復(fù)雜控制策略[2],實(shí)現(xiàn)裝置的精細(xì)化控制。改造工作于2022年5月完成并投用,經(jīng)過3個(gè)月的運(yùn)行發(fā)現(xiàn),二氧化碳裝置實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制,大幅度提高了液體二氧化碳生產(chǎn)過程中主要工藝參數(shù)的平穩(wěn)性,實(shí)現(xiàn)“零手動(dòng)”,同時(shí)達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 改造前工藝狀況

1.1 工藝流程

晉巨化工45 kt/a二氧化碳生產(chǎn)裝置采用以廢氣二氧化碳為原料、液氨為冷媒進(jìn)行液化。二氧化碳?xì)饨?jīng)壓縮機(jī)提壓至2.8 MPa,在脫硫工序利用干法脫硫去除有機(jī)硫和無機(jī)硫,通過加氧在脫烴催化劑的作用下,由電爐控制反應(yīng)溫度,發(fā)生燃燒反應(yīng),將烴類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水,進(jìn)而去除原料氣中的烴類雜質(zhì);再經(jīng)過3A分子篩干燥脫除氣體中的飽和水。

凈化后的二氧化碳?xì)饨?jīng)氨冷器冷卻液化后進(jìn)入提純精餾塔,在塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣液兩相傳質(zhì)傳熱,塔頂脫除輕組分,塔底產(chǎn)品采出。

1.2 存在的問題

(1)由于二氧化碳排放氣來自合成氨前系統(tǒng)多個(gè)生產(chǎn)裝置,負(fù)荷變化大,雜質(zhì)成分復(fù)雜,烴類雜質(zhì)需要加氧燃燒去除,燃燒過程具有大滯后、非線性、強(qiáng)耦合等復(fù)雜特性。以脫烴塔后氧含量為脫烴主要控制指標(biāo),氧含量控制需要人工手動(dòng)頻繁干預(yù)。

(2)脫烴塔溫度由電爐進(jìn)行控制,隨著催化劑使用年限的增長,熱點(diǎn)溫度逐步下移,脫烴塔溫度要人工選擇第一、第二點(diǎn)、第三點(diǎn)溫度,根據(jù)溫度手動(dòng)調(diào)節(jié)電爐閥位開度,熱點(diǎn)溫度波動(dòng)大,催化劑使用效率下降。

(3)提純精餾塔通過控制塔頂壓力來控制輕組分排放量,塔頂壓力受塔頂氨冷器冷卻效果影響,氨冷器液位波動(dòng)大,塔壓難控制,放空量不穩(wěn)定,產(chǎn)品損失大。

2 技術(shù)改進(jìn)

結(jié)合二氧化碳裝置的實(shí)際運(yùn)行情況,測試控制回路、整定PID參數(shù)、組建新的復(fù)雜控制回路,利用復(fù)雜控制策略代替人工操作。統(tǒng)一操作模式,將操作經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換到自動(dòng)控制中,通過知識型工作自動(dòng)化有效克服操作人員操作水平參差不齊的問題[3]。

2.1 氧含量比值+串級控制策略

塔脫烴加氧量控制回路改為比值—串級控制回路,該回路包括2個(gè)控制回路,即氧含量主控制回路和氧氣比副控制回路[4]。氧含量主控制回路ZC-1003根據(jù)SV設(shè)定值與PV測量值偏差輸出MV,主控制回路的MV作為氧比值副控制回路FICV-1003 SV的設(shè)定值,副控制回路根據(jù)設(shè)定值SV與測量值PV的偏差輸出MV,進(jìn)行調(diào)節(jié)閥控制。該控制策略首先解決負(fù)荷及原料氣成分變化時(shí)及時(shí)按比例調(diào)節(jié)氧氣,這是最重要的控制策略。

2.2 脫烴塔熱點(diǎn)溫度三選一控制策略

脫烴塔溫度的穩(wěn)定對保證脫烴效果非常重要,此控制回路是減少操作人員干預(yù)的關(guān)鍵。該控制策略允許隨著催化劑使用年限的變化,根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的熱點(diǎn)溫度進(jìn)行控制。催化劑使用初期,TI2119.PV作為熱點(diǎn)溫度;催化劑使用中期,TI2120.PV作為熱點(diǎn)溫度;催化劑使用后期,TI2121.PV作為熱點(diǎn)溫度。脫烴塔熱點(diǎn)溫度控制回路見圖1。

圖1 脫烴塔熱點(diǎn)溫度控制回路

2.3 工業(yè)級提純塔塔頂氨冷器液位與輕組分放空閥位串級控制

工業(yè)級提純塔頂壓力放空閥位PICV_2107與塔頂氨冷器液位LIAC_2101串級控制,根據(jù)放空量,調(diào)節(jié)塔頂氨冷器負(fù)荷,防止液氨加入量過多或過少,使液氨在換熱器內(nèi)始終處于泡狀沸騰,減少傳熱熱阻。工業(yè)級提純塔頂氨冷器液位控制回路見圖2。

圖2 工業(yè)級提純塔頂氨冷器液位控制回路

2.4 食品級提純塔塔頂氨冷器液位與輕組分放空閥位串級控制

食品級提純塔塔頂氨冷器加氨液位控制與塔頂放空量設(shè)置串級回路控制,放空量穩(wěn)定在1.5 m3/h,防止因生產(chǎn)波動(dòng)造成放空量減少,提升分離效率,將產(chǎn)品中的輕組分合理去除,提高食品級產(chǎn)品純度。食品級提純塔頂氨冷器液位控制回路見圖3。

圖3 食品級提純塔頂氨冷器液位控制回路

3 應(yīng)用效果

3.1 指標(biāo)平穩(wěn)性對比

(1)脫烴塔應(yīng)用情況。脫烴塔熱點(diǎn)溫度“三選一”控制策略實(shí)施后,脫烴塔熱點(diǎn)溫度波動(dòng)幅度降低,溫度更平穩(wěn)。

(2)工業(yè)級提純塔應(yīng)用情況。工業(yè)級提純塔塔頂氨冷器液位與輕組分放空閥位實(shí)施串級控制后,根據(jù)放空量,調(diào)節(jié)塔頂氨冷器負(fù)荷,防止液氨加入量過多或過少,工業(yè)級提純塔塔頂氨冷器液位控制更加穩(wěn)定,使液氨在換熱器內(nèi)始終處于泡狀沸騰,減少傳熱熱阻,液化能力更強(qiáng)。

(3)食品級提純塔應(yīng)用情況。食品級提純塔塔頂氨冷器液位與輕組分放空閥位實(shí)施串級控制后,食品級提純塔塔頂壓力更穩(wěn)定,二氧化碳精餾提純過程中,壓力控制的好壞直接影響食品級產(chǎn)品的品質(zhì)。

3.2 工藝數(shù)據(jù)對比

改造前后工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 改造前后工藝參數(shù)對比

經(jīng)實(shí)際運(yùn)行證明,二氧化碳裝置復(fù)雜控制策略投用后,提純塔放空量得到固化,噸CO2氣耗由630～690 Nm3降至580～600 Nm3,噸產(chǎn)品節(jié)約氣耗50～90 Nm3。放空氣減少后,同比液體CO2班產(chǎn)量增加10 t,日產(chǎn)量達(dá)到290 t。噸產(chǎn)品電耗由原來的約235.8 kW·h/t下降至213.3 kWh·t,噸產(chǎn)品電耗下降10%。

4 結(jié)語

復(fù)雜控制策略應(yīng)用于二氧化碳裝置后,解決了常規(guī)單反饋控制PID 調(diào)節(jié)動(dòng)作相對滯后、回路之間互相影響、控制性能相對較差等問題[5]。復(fù)雜控制策略具備預(yù)估控制功能,提前進(jìn)行調(diào)節(jié)動(dòng)作,充分考慮耦合變量之間的相互影響,能夠很好地抑制擾動(dòng)帶來的波動(dòng),增強(qiáng)了裝置的抗干擾能力,提高了裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性。同時(shí)規(guī)范了操作方法,大大減少人工調(diào)節(jié)的不一致和不及時(shí),降低了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。減少了提純塔放空氣,合成氨裝置的排放尾氣二氧化碳的綜合利用率得到有效提高,實(shí)現(xiàn)減碳減排。符合低投入、高產(chǎn)出、低消耗、少排放、能循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展的資源節(jié)約型生產(chǎn)裝置。目前,國內(nèi)二氧化碳生產(chǎn)裝置勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作頻次高,本文為二氧化碳生產(chǎn)裝置實(shí)現(xiàn)智能化控制提供了一個(gè)較好的借鑒案例。