焦?fàn)t煤氣預(yù)處理系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)及選型配置

王 蕾

（山西省工業(yè)設(shè)備安裝集團(tuán)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

焦?fàn)t煤氣是十分重要的能源和化工資源。當(dāng)前條件下，焦?fàn)t煤氣主要用于加熱、提出氫氣、發(fā)電以及生產(chǎn)甲醇等方面；雖然應(yīng)用范圍廣泛，但是所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益并不明顯。綜合比較，基于焦?fàn)t煤氣加工液化天然氣并提純氫氣是其最佳的利用途徑之一，涉及到的工序包括預(yù)處理、分離凈化、深冷液化等，其中預(yù)處理工藝作為該工序的前置環(huán)節(jié)，對(duì)應(yīng)的預(yù)處理系統(tǒng)直接決定后續(xù)工序能夠正常工作。本文將重點(diǎn)對(duì)焦?fàn)t煤氣預(yù)處理系統(tǒng)的控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在的一系列問題，最終保證天然氣和氫氣的產(chǎn)率和質(zhì)量[1-2]。

1 焦?fàn)t煤氣制備液化天然氣工藝概述

焦?fàn)t煤氣由焦化廠產(chǎn)生，在經(jīng)過(guò)羅茨鼓風(fēng)機(jī)對(duì)原料焦?fàn)t煤氣增壓處理后，在變溫吸附裝置的作用下將原料焦?fàn)t煤氣中的苯、萘、焦油等雜質(zhì)去除；經(jīng)初步凈化的原料焦?fàn)t煤氣在壓縮機(jī)的作用下升壓和加熱后送入水解塔中，將其中的有機(jī)硫水解為無(wú)機(jī)硫。經(jīng)上述一系列工序處理后的高溫焦?fàn)t煤氣冷卻后送入脫硫脫碳裝置中。

在膜分離器的作用下將焦?fàn)t煤氣中的硫進(jìn)行充分脫除，并得到純度為96.5%的氫氣和甲烷氣體。所產(chǎn)生的氫氣一部分送入燃料氣管網(wǎng)中，另一部分作為液態(tài)氫及其他優(yōu)質(zhì)原料氣體；甲烷氣體送入后續(xù)的液化工序中[3]。

液化工序中的主要原料為甲烷，主要包括有預(yù)冷、膨脹、深冷以及精餾等工序，最終獲得液化天然氣的產(chǎn)品；在焦?fàn)t煤氣液化天然氣過(guò)程中所產(chǎn)生的尾氣后續(xù)可送至焦化廠中作為燃料使用。

綜上所述，可以將原料焦?fàn)t煤氣液壓天然氣的工藝流程歸結(jié)為如圖1 所示。

圖1 原料焦?fàn)t煤氣液化天然氣工藝流程圖

圖1 中的工藝流程中涉及到系統(tǒng)主要可以歸納為預(yù)處理系統(tǒng)、液化系統(tǒng)、純化系統(tǒng)以及公用工程系統(tǒng)。本文以其中預(yù)處理系統(tǒng)為研究對(duì)象，該系統(tǒng)主要包括氣柜、氣液分離器、羅茨風(fēng)機(jī)、粗脫硫塔、壓縮機(jī)以及變溫吸附塔，重點(diǎn)對(duì)上述關(guān)鍵設(shè)備的控制進(jìn)行研究，保證最終液化天然氣滿足工藝要求。

2 氣柜控制方案的設(shè)計(jì)

煤炭焦化是一個(gè)相對(duì)不穩(wěn)定的物理反應(yīng)，在此期間伴隨著部分化學(xué)反應(yīng)；也就是說(shuō)，焦化過(guò)程中所產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣是不穩(wěn)定且不連續(xù)的。因此，在基于原料焦?fàn)t煤氣制備液化天然氣的過(guò)程需要采用氣柜作為緩沖裝置解決焦化反應(yīng)的不連續(xù)問題，為后續(xù)工藝流程提供穩(wěn)定的氣量。

在氣柜前端加裝有水封罐，避免氣柜發(fā)生故障時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)焦?fàn)t煤氣的隔離，避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大?？偟膩?lái)講，氣柜在預(yù)處理系統(tǒng)中的核心作用是保護(hù)作用；因此，與氣柜相關(guān)的控制系統(tǒng)包括聯(lián)鎖控制系統(tǒng)和緊急停車系統(tǒng)。

2.1 聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣柜高度是衡量其是否能夠安全生產(chǎn)的參數(shù)。因此，氣柜聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的控制依據(jù)為氣柜的高度。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定的限值如下：當(dāng)氣柜高度大于80%或者小于30%時(shí)，要求控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)并觸發(fā)警報(bào)，提醒現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行分析，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施。

2.2 緊急停車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

實(shí)踐表明，單純通過(guò)報(bào)警提醒現(xiàn)場(chǎng)人員采取措施解決氣柜存在的安全隱患是不可靠的。因此，在聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)緊急停車系統(tǒng)是非常有必要的。控制依據(jù)為：當(dāng)氣柜高度過(guò)高時(shí)，將入口閥切斷，停止焦?fàn)t煤氣的不斷輸入；當(dāng)氣柜高度過(guò)低時(shí)，需要將預(yù)處理系統(tǒng)緊急停車，事故擴(kuò)大化。

3 初級(jí)升壓控制方案的設(shè)計(jì)

氣柜中儲(chǔ)氣罐的氣體壓力為4kPa，該壓力值無(wú)法保證為后續(xù)工序中壓縮機(jī)提供足夠的氣量，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)的工作效率降低。因此，在氣柜后需要增加初級(jí)升壓控制系統(tǒng)。在預(yù)處理系統(tǒng)中，羅茨風(fēng)機(jī)為預(yù)處理系統(tǒng)中初級(jí)升壓功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，對(duì)應(yīng)的升壓流程如圖2 所示。

圖2 初級(jí)升壓流程圖

如圖2 所示，氣柜中的焦?fàn)t煤氣在3 個(gè)羅茨風(fēng)機(jī)的作用下升至24 kPa 后，再經(jīng)過(guò)兩臺(tái)洗滌泵的作用進(jìn)行洗滌、降溫處理后進(jìn)入氣液分離器中。在初級(jí)升壓工藝流程中涉及到開關(guān)量和模擬量的控制，對(duì)應(yīng)的控制方案如下。

3.1 開關(guān)量的控制

在初級(jí)升壓工藝流程中，開關(guān)量的控制主要包括對(duì)三臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)和兩臺(tái)洗滌泵啟停的控制。以羅茨風(fēng)機(jī)為例，其啟?？刂品桨溉鐖D3 所示。

圖3 羅茨風(fēng)機(jī)啟?？刂品桨?/p>

如圖3 所示，三臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)啟?？刂频囊罁?jù)為流量控制器FC-12100 所采集的電流值。在前期對(duì)流量控制器標(biāo)定的基礎(chǔ)上，羅茨風(fēng)機(jī)啟?？刂品桨溉缦拢寒?dāng)所采集的電流值在4.0～10.4 mA 之間時(shí)，說(shuō)明焦?fàn)t煤氣流量較小，此時(shí)僅啟動(dòng)羅茨風(fēng)機(jī)C；當(dāng)所采集的電流值在10.4～15.2 mA 時(shí)，說(shuō)明焦?fàn)t煤氣的流量中等，此時(shí)啟動(dòng)羅茨風(fēng)機(jī)B 和C；當(dāng)所采集的電流值在15.2～20.0 mA 之間時(shí)，說(shuō)明焦?fàn)t煤氣的流量較大，此時(shí)啟動(dòng)羅茨風(fēng)機(jī)A、B 和C。

3.2 模擬量的控制

經(jīng)初級(jí)升壓后焦?fàn)t煤氣進(jìn)入變溫吸附裝置中，為了保證進(jìn)入變溫吸附裝置的負(fù)荷可以調(diào)節(jié)，在初級(jí)升壓系統(tǒng)中的氣液分離器前端設(shè)置了回流管，并通過(guò)回流管中端的調(diào)節(jié)閥對(duì)氣體流量進(jìn)行控制，控制依據(jù)為安裝在調(diào)節(jié)閥前端的控制器，對(duì)應(yīng)的控制框圖如圖4所示。

圖4 氣液分離器出口壓力控制框圖

4 結(jié)語(yǔ)

焦?fàn)t煤氣為煤炭焦化過(guò)程中副產(chǎn)品之一，原料焦?fàn)t煤氣需要經(jīng)過(guò)一系列的處理后才能夠被應(yīng)用于加熱、提出氫氣、發(fā)電以及生產(chǎn)甲醇等領(lǐng)域。但是，將焦?fàn)t煤氣應(yīng)用于制備液化天然氣為其最有價(jià)值的應(yīng)用方向，其中涉及到的工序包括預(yù)處理、分離凈化、深冷液化等。預(yù)處理環(huán)節(jié)為液化天然氣制備的初級(jí)工序，該工序的控制效果將直接決定后續(xù)工藝的效果。本文結(jié)合實(shí)踐生產(chǎn)針對(duì)預(yù)處理工序中的氣柜和初級(jí)升壓系統(tǒng)的控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1）氣柜為保證焦?fàn)t煤氣穩(wěn)定輸出的關(guān)鍵裝置，為進(jìn)一步提升氣柜裝置運(yùn)行的安全性，在聯(lián)鎖控制的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了緊急停車控制系統(tǒng)，極大提升了氣柜裝置運(yùn)行的安全性，保證了焦?fàn)t煤氣輸出的穩(wěn)定性。

2）在初級(jí)升壓系統(tǒng)中，根據(jù)管路中焦?fàn)t煤氣的流量對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)了控制方案，并基于PID 控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)變溫吸附裝置壓力的穩(wěn)定控制。