淺析APC技術(shù)在氣化水煤漿上的應用

金治東,楊文華

(湖北三寧化工股份有限公司, 湖北枝江 443200)

湖北三寧化工股份有限公司擁有3套氣化生產(chǎn)裝置。氣化裝置主要是將原料純氧和合格的水煤漿通過多噴嘴對置式水煤漿氣流床反應器,產(chǎn)生含有CO、CH4及水蒸氣等混合物的粗合成氣[1]?，F(xiàn)有集散控制系統(tǒng)(DCS)雖然能滿足一部分自動控制需求,但是針對水煤漿濃度的控制具有一定的局限性,單回路/復雜控制的設計效果并不理想。尤其當煤質(zhì)變化時,水煤漿濃度發(fā)生變化,操作人員不能及時準確地調(diào)整,導致氣化爐內(nèi)溫度及CH4含量均出現(xiàn)較大波動,無法保證合成氣組分的穩(wěn)定及質(zhì)量要求。

筆者采用先進過程控制(APC)技術(shù)[2],通過數(shù)據(jù)采集建立水煤漿濃度控制器,對比水煤漿在線濃度與試驗分析結(jié)果,并設置干擾變量,減少其對系統(tǒng)的干擾,以實現(xiàn)生產(chǎn)指標的“卡邊”控制并降低操作人員勞動強度,提高工作效率,節(jié)省能源消耗。

1 氣化水煤漿制備工藝

目前,在國內(nèi)大多數(shù)氣化裝置中采用煤和水按照一定配比產(chǎn)生的水煤漿作為原料,水煤漿和純氧通過4個對稱布置在同一水平面的工藝燒嘴,同軸射流進入氣化爐內(nèi)進行反應。水煤漿濃度是氣化爐燃燒運行狀態(tài)的重要指標之一[3],也是磨煤崗位最為關(guān)注的控制點。磨煤崗位分布有磨煤機、煤漿槽、煤倉、煤漿輸送泵等設備,水煤漿置于煤漿槽中維持供給。原料煤與來自磨煤水槽的磨煤水在磨煤機前端口進行混合后,一起進入磨煤機制漿。磨煤機制備的濃度合格的水煤漿進入磨煤機出料槽,在攪拌器的作用下保持水煤漿濃度穩(wěn)定,通過底部煤漿輸送泵送料至煤漿槽中。在煤漿輸送泵進口至煤漿槽的管線上有取樣點,對磨煤機出料槽中的水煤漿濃度進行分析,煤漿槽中的水煤漿通過運輸送至氣化噴嘴,完成整個過程。氣化水煤漿制備工藝簡圖見圖1。

圖1 氣化水煤漿制備工藝簡圖

2 過程控制現(xiàn)狀分析

目前,水煤漿濃度(AP_S_QH_A031102B)經(jīng)過實驗室分析數(shù)據(jù)得出,氣化車間每2 h進行1次取樣,磨煤崗位操作人員通過分析數(shù)據(jù)進行調(diào)節(jié),在調(diào)節(jié)過程中存在以下問題：

(1) 分析數(shù)據(jù)存在滯后性,不能及時指導氣化對磨煤水流量的準確控制,導致氣化爐控制氧煤比不能及時調(diào)節(jié)和升降負荷。

(2) 磨煤崗位操作人員調(diào)節(jié)水煤漿濃度時,通過1#磨煤機工藝水流量調(diào)節(jié)(FV_031110)控制,但加入量也是靠經(jīng)驗;若流量計失真或煤質(zhì)中水含量偏高,則導致無法準確判斷數(shù)據(jù)。

(3) 控制磨煤水流量的操作頻次較多,增加了操作人員的操作強度。

3 APC技術(shù)控制策略

3.1 數(shù)據(jù)分析

首先,在氣化爐水煤漿濃度取樣點位置安裝在線濃度分析儀,能夠?qū)崟r監(jiān)測煤漿槽中的濃度,并對比分析數(shù)據(jù)(見圖2)。由圖2可以看出：2023年3月1日—3月21日,水煤漿質(zhì)量分數(shù)試驗數(shù)據(jù)趨勢較為穩(wěn)定,總體在62.07%左右波動,最大偏差為0.48%;在線濃度分析儀有波動情況,水煤漿質(zhì)量分數(shù)總體在61.80%左右波動,最大偏差為0.57%。兩者相差較小,趨勢一致,認為在線分析儀結(jié)果可靠。

(a) 儀器值

(b) 試驗值

3.2 水煤漿濃度控制

通過與工藝人員調(diào)研分析,將1號磨煤水槽中水煤漿濃度納入APC,設定給煤量(FT_W031 101)和給水總量(FT_031101_ADD),煤水比在一定范圍內(nèi)控制,建立煤水比與1號煤漿在線濃度控制模型[4],通過預測模型輸出煤水比至DCS,在DCS中根據(jù)煤水比自動調(diào)節(jié)廢水(FT_031101)和磨煤水(FT_031110)的分配,從而穩(wěn)定目標煤漿濃度。APC中水煤漿控制器變量對應關(guān)系見圖3,當出現(xiàn)與分析數(shù)據(jù)有偏差時或者煤質(zhì)水含量變化時,人為可操作更改濃度目標值,程序自動進行調(diào)節(jié)穩(wěn)定煤漿濃度。

圖3 水煤漿控制器變量關(guān)系

4 應用效果

氣化裝置水煤漿濃度控制運用APC技術(shù)后,氣化爐有效運行周期變長,生產(chǎn)效率提高,水煤漿濃度控制更加穩(wěn)定,標準差小于3%。磨煤崗位操作頻次見表1。由表1可以看出：在氣化裝置平穩(wěn)控制的基礎(chǔ)下,降低操作頻次96%,大大減輕了操作人員的勞動強度,促進了崗位融合。

表1 磨煤崗位操作頻次記錄表

5 結(jié)語

在氣化水煤漿濃度控制上,運用APC技術(shù),一方面是將水煤漿濃度控制穩(wěn)定,避免了更多的人為操作或者不及時操作帶來的安全風險[5];另一方面將模型預測和反饋校正有機結(jié)合,克服系統(tǒng)內(nèi)變量強耦合、負荷變化等因素的影響,以及外部原料變化因素,有效解決裝置運行過程中的多變量協(xié)調(diào)優(yōu)化控制問題,大幅度提高裝置的綜合自動化水平,降低操作勞動強度。因此APC技術(shù)在氣化水煤漿的運用上具有深遠的推廣意義。