文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）10-094-05中圖分類(lèi)號：TH29

★閔波（國家能源集團寧夏煤業(yè)煤制油分公司，寧夏銀川750011）

★姜海明（北京和隆優(yōu)化科技股份有限公司，北京100094）

★姚強（國家能源集團寧夏煤業(yè)煤制油分公司，寧夏銀川750011）

★陳文宇（北京和隆優(yōu)化科技股份有限公司，北京100094）

★陳鵬程（國家能源集團寧夏煤業(yè)煤制油分公司，寧夏銀川750011）

★趙馬迪（北京和隆優(yōu)化科技股份有限公司，北京100094）

關(guān)鍵詞：煤化工；低溫甲醇洗；先進(jìn)控制

低溫甲醇洗作為煤化工生產(chǎn)中關(guān)鍵的氣體凈化步驟，其控制難度較大。傳統的手動(dòng)控制方式存在操作復雜、穩定性差等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足現代煤化工生產(chǎn)的需求。先進(jìn)控制系統憑借其自動(dòng)化、精確控制、故障診斷等功能，能夠有效解決低溫甲醇洗的控制難題、提高洗滌效果、優(yōu)化工藝參數、降低能耗和污染排放，保障了生產(chǎn)過(guò)程的安全穩定。

1　低溫甲醇洗先進(jìn)控制系統設計

1.1　低溫甲醇洗工藝流程

循環(huán)甲醇在洗滌塔中洗滌從變換裝置中來(lái)的變換氣和未變換氣，甲醇在低溫環(huán)境中吸收變換氣和未變換氣中的雜質(zhì)二氧化碳和硫化物。從洗滌塔吸收完雜質(zhì)的富甲醇依次經(jīng)過(guò)閃蒸塔、解析塔、熱再生塔以及甲醇水塔進(jìn)行雜質(zhì)排放，從而得到干凈不含雜質(zhì)的貧甲醇，再次去洗滌塔中洗滌變換氣和未變換氣。具體的流程圖如圖1所示。

圖1 低溫甲醇洗裝置工藝流程

1.2　系統網(wǎng)絡(luò )結構

根據DCS控制系統的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構及控制需求，進(jìn)行低溫甲醇洗裝置先進(jìn)控制系統的結構設計，需要將采集數據的OPC服務(wù)器納入低溫甲醇洗裝置先進(jìn)控制系統控制網(wǎng)范圍，通過(guò)設置隔離網(wǎng)閘保證數據的安全，網(wǎng)閘的控制端連接OPC服務(wù)器，信息端接入低溫甲醇洗裝置先進(jìn)控制系統網(wǎng)交換機，低溫甲醇洗裝置先進(jìn)控制系統服務(wù)器也全部接入交換機，從而實(shí)現跨域的數據獲取及控制。低溫甲醇洗裝置先進(jìn)控制系統服務(wù)器的配置及控制單元分配如圖2所示[1]。

圖2 低溫甲醇洗裝置先進(jìn)控制系統網(wǎng)絡(luò )結構

1.3　系統的數據采集處理及交換

為避免在回路投入切除時(shí)DCS側和APC側數據不一致造成的擾動(dòng)，所以為每一個(gè)控制回路設計了勿擾切換功能，使DCS側輸出數據和APC側輸出數據保持一致，以保障切換時(shí)的數據安全[2]。具體方案如圖3所示。

圖3 DCS-APC數據交換

2　低溫甲醇洗裝置先進(jìn)控制系統的先進(jìn)控制策略及實(shí)現

2.1　熱再生及甲醇水分離塔控制

在甲醇再生裝置中，甲醇需要在熱再生塔中通過(guò)低壓蒸汽進(jìn)行外部加熱將甲醇回流量中的硫化物解析出，因此需要根據工況設定回流量的大小，以此來(lái)決定熱再生塔需要的蒸汽量，以保證最大效果地解析出硫化物。熱再生塔中的甲醇經(jīng)過(guò)解析出硫化物后，其中一部分甲醇進(jìn)入甲醇水塔進(jìn)行甲醇-水分離，以保證整個(gè)循環(huán)甲醇的含水量。甲醇水塔也是通過(guò)外部低壓蒸汽供熱對甲醇進(jìn)行精餾，使其水和甲醇進(jìn)行分離。甲醇在熱再生塔中再生時(shí)，必須精準控制其回流量，因此可以通過(guò)控制低壓蒸汽的流量來(lái)控制回流量達到最佳工況，同時(shí)還需要監控出口溫度，防止溫度過(guò)高或過(guò)低。甲醇水塔中通過(guò)蒸汽控制塔內溫度及靈敏板溫度，使精餾在最佳溫度下進(jìn)行。但同時(shí)由于甲醇水塔過(guò)于龐大，內部溫度有高有低，靈敏板溫度有時(shí)不足夠代表甲醇水塔溫度，因此我們需要引入差壓變量，甲醇水塔差壓必須維持在一定范圍內，此時(shí)就能代表塔內情況的穩定。此外兩個(gè)塔的控制方案還需要考慮蒸汽壓力的波動(dòng)造成的工況波動(dòng)。具體的控制方案如圖4所示。

圖4 甲醇水分離塔控制方案

2.2　甲醇循環(huán)量及相關(guān)液位控制

低溫甲醇洗最重要的就是通過(guò)循環(huán)甲醇洗滌變換氣和未變換氣中的雜質(zhì)，根據洗滌后的變換氣和未變換氣中的CO₂和硫化物含量大小作為指標以及CO₂產(chǎn)品氣、尾氣中硫含量都作為控制指標。在洗滌過(guò)程中需要克服變換氣和未變換氣流量波動(dòng)及組分的干擾，保證合成氣中CO₂含量及總硫、尾氣總硫、CO₂產(chǎn)品氣總硫合格，同時(shí)還需要考慮降低能耗、延長(cháng)設備使用周期、自動(dòng)控制甲醇循環(huán)量。同時(shí)在控制循環(huán)量的時(shí)候還需要控制每段循環(huán)量的液位使整個(gè)系統平穩循環(huán)，液位不能出現振蕩，從而保證整個(gè)系統的穩定性。

在克服系統氣量及組分的干擾，保證合成氣中CO₂含量及總硫、尾氣總硫、CO₂產(chǎn)品氣總硫合格的前提下，自動(dòng)控制甲醇循環(huán)量，降低主洗、精洗平均循環(huán)量。調整原則包括：

（1）未變氣總硫高、CO₂正常時(shí)，調整未變脫硫甲醇流量。

（2）未變氣總硫高、CO₂高時(shí)，調整未變貧甲醇、未變脫硫甲醇流量。

（3）未變氣總硫正常、CO₂高時(shí)，調整未變貧甲醇流量。

（4）變換氣總硫高、CO₂正常時(shí)，調整脫硫、精洗甲醇流量。

（5）變換氣總硫高、CO₂高時(shí)，調整脫硫、主洗甲醇流量。

（6）變換氣總硫正常、CO₂高時(shí)，調整主洗甲醇流量。

（7）尾氣總硫高時(shí)，減小閃蒸塔塔頂甲醇流量。

（8）CO₂產(chǎn)品氣總硫高且尾氣總硫正常時(shí)，增加閃蒸塔塔頂甲醇流量。

控制方案如圖5所示。

圖5 甲醇循環(huán)量控制方案

液位控制方面，對于難以穩定控制的回路，主要采用以進(jìn)料流量為前饋，提高控制精度和反應速度，減少液位因工況變換產(chǎn)生的波動(dòng)?？刂品桨敢宰儞Q氣吸收塔III段液位為例，如圖6所示。

圖6 液位控制方案

2.3　供甲醇H₂/CO比控制

凈化裝置中經(jīng)過(guò)洗滌完后干凈的變換氣和未變換氣分別去甲醇合成裝置供氣，兩股氣主要按照氫炭比來(lái)調節供氣量。方案中APC根據設定H₂/CO比設定值，并從甲醇合成工序獲得H₂/CO比實(shí)時(shí)值，通過(guò)先控模塊輸出流量增量，同時(shí)調整凈化出口變換氣、未變氣流量，調整的同時(shí)保持總體負荷穩定[3,4]?？刂品桨溉鐖D7所示。

圖7 甲醇合成氫炭比控制方案

2.4　CO₂壓縮機出口壓力協(xié)調控制

在洗滌變換氣和未變換氣過(guò)程中，甲醇會(huì )吸收其中的雜質(zhì)CO₂，這部分CO₂會(huì )在甲醇再生裝置中解析出來(lái)生成CO₂產(chǎn)品氣，CO₂產(chǎn)品氣經(jīng)過(guò)多個(gè)壓縮機給去氣化爐供氣吹煤粉。根據CO₂總管壓力（多個(gè)壓縮機出口壓力控制點(diǎn)可選擇），進(jìn)行各臺壓縮機入口導葉的協(xié)調控制以此來(lái)滿(mǎn)足去氣化爐的總管壓力。協(xié)調控制時(shí)，根據CO₂總管壓力與設定值的偏差，綜合考慮各臺機組的負荷、防喘振裕度、導葉開(kāi)度大小，進(jìn)行各機組的調節分配。在各臺機組投入時(shí)的壓力基本值的基礎上，給出壓力設定值的增量，根據目標壓力自動(dòng)調節導葉開(kāi)度。同時(shí)通過(guò)CO₂去尾氣洗滌塔調節閥穩定壓縮機入口壓力?？刂品桨溉鐖D8所示。

圖8 CO₂母管壓力協(xié)調控制

3　低溫甲醇洗裝置先進(jìn)控制系統的優(yōu)化及應用效果

低溫甲醇洗裝置先進(jìn)控制系統的應用效果主要體現在以下幾個(gè)方面：

（1）智能調節與優(yōu)化運行。系統實(shí)現了去甲醇合成氫碳比的智能調節，并根據進(jìn)氣負荷智能協(xié)調多股甲醇循環(huán)量，達到最優(yōu)控制。通過(guò)APC控制，對甲醇水塔、熱再生塔等復雜回路實(shí)現了自動(dòng)優(yōu)化運行，提高了穩定性，并通過(guò)溫度的卡邊優(yōu)化控制實(shí)現了蒸汽降耗。

（2）減少人工操作，降低操作復雜度，提高生產(chǎn)效率。通過(guò)智能優(yōu)化控制大大減少了人工操作，同時(shí)數據采集和分析為管理層提供了決策支持，優(yōu)化了生產(chǎn)計劃，實(shí)現了對復雜工藝過(guò)程的精細化控制，提高了生產(chǎn)過(guò)程的智能化水平。

（3）控制精度提升。在先進(jìn)控制系統的實(shí)施過(guò)程中，結合工藝關(guān)鍵流程深入研究控制策略，不斷優(yōu)化和改善控制方案和模型參數，系統能夠根據實(shí)時(shí)工況自動(dòng)進(jìn)行調節，進(jìn)一步提升了控制的及時(shí)性和準確性，顯著(zhù)增強了工藝流程的控制精度，確保了裝置運行的平穩性。

如甲醇水塔控制，系統投用前主要通過(guò)人工根據溫度、壓差等主要參數進(jìn)行調節，系統投用后，根據塔的關(guān)鍵溫度及壓差進(jìn)行建模綜合調整，提高了調節的及時(shí)性和精準性，投用后平穩率提升了47.4%。投用前后的對比趨勢如圖9所示。

圖9 甲醇水塔投用效果圖

閃蒸塔控制方面，投用前系統干擾較大，系統投用后，根據塔的各部分液位、流量等參數進(jìn)行前饋調整，投用后平穩率提升了72.5%。投用前后的對比趨勢如圖10所示。

圖10 閃蒸塔液位投用效果圖

甲醇水塔溫度、閃蒸塔液位等關(guān)鍵指標在A(yíng)PC投用前后的平均值、標準差及平穩率提升見(jiàn)表1。

表1 部分關(guān)鍵指標APC投用前后對比

4　結論

低溫甲醇洗工藝通過(guò)甲醇在低溫下吸收原料氣中的雜質(zhì)氣體實(shí)現凈化，具有高效洗滌、低溫操作和系統穩定特點(diǎn)。然而，精確控制溫度、各塔液位、甲醇各段循環(huán)量等參數是其控制難點(diǎn)。本系統能夠通過(guò)數據采集、控制策略和優(yōu)化算法自動(dòng)調節關(guān)鍵參數，從而提高系統穩定性和生產(chǎn)效率。先進(jìn)控制系統在節能減排、提高效率、保證質(zhì)量、降低成本等方面對煤化工行業(yè)的發(fā)展做出了積極貢獻。先進(jìn)控制系統的發(fā)展趨勢是集成化、智能化、信息化綜合的結果，對煤化工行業(yè)的發(fā)展和創(chuàng )新具有重要影響。本文提出的低溫甲醇洗控制方案實(shí)現了工藝過(guò)程的高效凈化，提升了效率和經(jīng)濟性，對煤化工行業(yè)的精細化、智能化發(fā)展具有重要意義。同時(shí)，系統后續也存在進(jìn)一步的優(yōu)化提升空間，包括：

（1）工藝參數的優(yōu)化控制：盡管已有先進(jìn)控制系統可以實(shí)現關(guān)鍵參數的自動(dòng)調節，但仍有進(jìn)一步優(yōu)化空間，尤其是在不同工況下實(shí)現參數的最優(yōu)化控制。

（2）控制算法的適應性：現有的控制算法在處理工藝進(jìn)料量擾動(dòng)方面仍有改進(jìn)空間，需要提高控制系統的魯棒性和適應性。

（3）系統的集成能力和算力：隨著(zhù)先進(jìn)控制范圍從一個(gè)工序擴大到整個(gè)煤化工甚至全流程控制，需要進(jìn)一步提高系統的擴展集成能力、計算能力，以適應更大規模的生產(chǎn)需求。

這些問(wèn)題的解決需要持續的技術(shù)研究和創(chuàng )新，以實(shí)現煤化工先進(jìn)控制的優(yōu)化和升級。

作者簡(jiǎn)介：

閔　波（1984-），男，河南信陽(yáng)人，工程師，學(xué)士，現就職于國家能源集團寧夏煤業(yè)煤制油分公司，研究方向為甲醇合成、低溫甲醇洗等生產(chǎn)管理以及技術(shù)應用。

姜海明（1983-），男，吉林大安人，高級工程師，碩士，現就職于北京和隆優(yōu)化科技股份有限公司，研究方向為先進(jìn)控制、優(yōu)化控制、工業(yè)節能。

姚　強（1986-），男，寧夏中衛人，高級工程師，學(xué)士，現就職于國家能源集團寧夏煤業(yè)煤制油分公司，研究方向為煤氣化、甲醇制烯烴、甲醇合成、低溫甲醇洗等生產(chǎn)管理以及技術(shù)應用。

陳文宇（1981-），男，內蒙古烏蘭察布人，工程師，學(xué)士，現就職于北京和隆優(yōu)化科技股份有限公司，研究方向為先進(jìn)控制、過(guò)程控制。

陳鵬程（1982-），男，重慶酉陽(yáng)人，工程師，學(xué)士，現就職于國家能源集團寧夏煤業(yè)煤制油分公司，研究方向為煤氣化、甲醇合成、低溫甲醇洗等生產(chǎn)管理以及技術(shù)應用。

趙馬迪（1994-），男，陜西西安人，工程師，學(xué)士，現就職于北京和隆優(yōu)化科技股份有限公司，研究方向為先進(jìn)控制、過(guò)程控制。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年10月刊