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李鵬（1976－）
               
男，電氣工程師，現為大連理工大學控制工程碩士專業
在讀碩士研究生，主要從事DCS、可控制儀表的研究。

　　1 引言

　　大連煤氣新廠制氣裝置以液化石油氣為生產原料，采用常壓間歇式循環改質制氣工藝來生產城市煤氣。生產裝置投產初期，按照設計要求該廠采用烯烴含量低于15%的原料進行煤氣生產，此時，生產裝置的各項工藝參數易于控制，生產裝置能夠達到理想的運行狀態，生產出的煤氣質量符合標準，煤氣輸送系統運行穩定。但由于烯烴含量較高的普通液化氣與烯烴含量較低的丙烷相比具有較大的價格優勢，如果在制氣原料中適當增加普通液化氣的使用量，提高其烯烴含量，勢必會在一定程度上降低生產成本。但在實際操作中筆者發現：當烯烴含量提高后，產品煤氣中的含碳量會急劇增加，從而對后續的煤氣冷卻、壓縮、輸送系統帶來極大的影響。

　　本課題的目標是通過對煤氣生產控制系統組態的優化來實現在煤氣生產原料的烯烴含量提高的情況下，實現產品煤氣中的含碳量達到正常要求，降低煤氣生產成本。

　　2 大連煤氣新廠煤氣生產裝置工藝簡介

　　大連煤氣新廠制氣循環主要有2個階段：加熱階段和改質階段。

　　改質反應是過熱蒸汽與碳氫化合物發生的水煤氣反應，生成氫氣和CO。反應以Ni系催化劑為助活劑，反應溫度約900℃。另外2臺CO變換反應器用于降低改質煤氣中的CO含量。

　　改質煤氣中的熱量被鍋爐利用后轉化成蒸汽，每個改質室后均安裝有1臺廢熱鍋爐，這些鍋爐回收加熱階段的煙氣和改質階段煤氣中的熱量生產16bar蒸汽，產生的16bar蒸汽用于驅動透平風機和提供改質反應所需的蒸汽，過剩的蒸汽供給蒸汽管網。另外在CO變換反應器后安裝的6bar廢熱鍋爐回收變換煤氣中的熱量，產生的蒸汽供給蒸汽管網。

　　改質煤氣經過鍋爐冷卻后進入激冷水封，水封可以防止煤氣儲罐內的煤氣回流到制氣裝置。當制氣裝置的壓力低于煤氣儲罐的壓力時，水進入末端沒在液位下的煤氣管中，管道中的水阻止了煤氣的回流;當制氣裝置的壓力高于煤氣儲罐的壓力時水被壓出煤氣管，煤氣流向儲罐。

　　煤氣經過激冷水封后進入冷卻塔與冷卻水直接接觸換熱，煤氣溫度降至大約36℃。最后送入煤氣儲柜。

　　生產工藝流程簡圖如圖1所示。

　　圖1 大連煤氣新廠煤氣生產裝置工藝流程簡圖

　　3 煤氣循環制氣過程簡介

　　如圖2所示，一個完整的煤氣生產循環周期包括8個步驟，期間煤氣制氣反應用催化劑被再生。為了描述循環步驟，做如下定義：

　　開 -通向煙囪的主閥門打開，沒有氣體進入煤氣系統。

　　關 -通向煙囪的主閥門關閉，煤氣通過激冷水封進入煤氣儲罐。

　　具體描述如下：

　　步驟1：關 空氣吹掃

　　風機提供一定量的空氣進入直立式加熱室，空氣通過燃燒器吹掃加熱室，剩余的改質煤氣和蒸汽被吹入煤氣系統進入煤氣儲罐，易燃組分被吹出加熱室。

　　步驟2：關 燃燒開始

　　位于直立式加熱室頂部的主燃燒器點火，火焰監視器和火焰控制發揮作用。

　　步驟3：開 加熱

　　通過主燃燒器原料與過量的空氣進行燃燒，利用火焰的輻射熱和熱煙氣的對流熱加熱格子磚，熱煙氣流經格子磚后通過改質催化劑，催化劑被煙氣的顯熱和鎳的氧化反應放出的熱量加熱，鎳氧化成氧化鎳。

　　在加熱階段充足的熱量提供給吸熱的改質反應和輻射損失，與此同時催化劑上殘留的碳和硫化物被氧化后從催化劑上除掉。

　　從反應器出來后，煙氣流經16bar廢熱鍋爐由煙囪排除裝置，由于激冷水封封住了煤氣系統，沒有煙氣流向煤氣系統。與此同時，另外一條線正在改質階段。

　　步驟4：開 空氣吹掃

　　加熱階段完成后，用少量的空氣將改質室和加熱室內的剩余含氧組分從煙囪吹掃除去。

　　步驟5：開 蒸汽吹掃

　　在這一步驟中，蒸汽吹進加熱室和改質室，吹掃氣體經過廢熱鍋爐從煙囪排除。通向煤氣儲罐的激冷水封仍然關閉。

　　步驟6：關 蒸汽吹掃/改質開始

　　原料供給閥門打開，原料進入混合室與過熱蒸汽充分混合，混合氣體流經改質催化劑。在這一步驟中發生Ni0還原為Ni和有機組分氧化成二氧化碳和水的反應，催化劑發生還原反應后真正的改質反應才開始，通向CO變換器的主閥門打開。

　　步驟7：關 改質(加熱噴槍保持小火)

　　在這較長時間的步驟中，原料與蒸汽改質后生成CO和H2。蒸汽進入加熱室前，冷凝水已經被撲水器除掉，蒸汽從格子磚的上方進入加熱室，當蒸汽經過熱的格子磚后被預熱到800℃，然后過熱蒸汽在水平混合室與液態噴入并迅速氣化的原料混合。在改質催化劑的作用下，混合反應物發生改質反應，少量的原料被吹到加熱室發生部分熱裂解反應。與此同時，少量的原料與工藝空氣繼續提供給主燃燒器燃燒生成的煙氣用于調整產品煤氣的質量 。改質煤氣流經16bar廢熱鍋爐、CO變換器、6bar廢熱鍋爐后進入煤氣系統。在這一步驟中煙囪閥門關閉，去CO變換器的閥門打開。與此同時，第2條線(或第3條線)將處于加熱階段。

　　步驟8：關 蒸汽吹掃

　　改質階段后，蒸汽進入裝置將剩余的易燃組分吹到CO變換器中，易燃組分CO 和 H2 被吹出改質單元后，為下一周期做好了準備。隨著第8步驟的結束，一個完整的加熱、改質周期完成。

　　圖2 生產循環程序流程圖

　　4 控制系統構成

　　大連煤氣公司新廠采用DeltaV系統作為煤氣生產控制系統，系統的構成主要包括過程控制站、操作站、工程師站、通訊網絡、AMS智能設備管理系統和軟件等。

　　控制系統拓撲圖如圖3所示。

　　圖3 控制系統拓撲圖

　　5 生產控制系統組態的優化調整

　　5.1 加熱階段燃燒工藝空氣流量的調整

　　在大火加熱階段，將液化氣燃燒用風的控制由原來的主、輔風管調節閥同時調節控制更改為主要由主風管調節閥來進行風流量調節。主要目的是在輔風管流量穩定的前提下，主要利用主風管調節閥的PID控制模塊根據系統需要進行風流量控制，消除原來主、輔風管調節閥兩個PID模塊同時控制時相互影響造成風流量波動幅度較大的現象，以提高加熱階段液化氣的燃燒效率和燃燒穩定性。具體做法是：將輔風管調節閥PID控制模塊的模式由“Auto”更改為“Manual”，即在保證輔風管風流量達到0.9Nm3/s的前提下將輔風管調節閥在加熱階段設置為固定的開度，實現加熱階段主要由主風管提供大火加熱階段液化氣燃燒用風。調整前后風流量控制方式的對比如圖4和圖5所示。

　　圖4 調整前加熱階段燃燒工藝空氣流量控制流程

　　

圖5 調整后加熱階段燃燒工藝空氣流量控制流程

　　5.2 改質階段初期燃燒空氣的調整

　　在改質階段初期，按照工藝要求主風管開關閥關閉，單獨由輔風管提供液化氣燃燒用風。但此時由于爐膛內系統壓力增加，原來輔風管調節閥所處開度提供的工藝風流量已經不能充分滿足液化氣的燃燒。雖然通過PID參數的優化可以提高閥門的相應，但在實際操作過程中發現：在改質階段初期，尤其在提高原料烯烴成分后，改質氣中的含碳量是整個改質階段最高的時期。為此，筆者更改了改質初期輔風管調節閥的控制組態，即在系統進入改質階段初期時，將輔風管的調節閥PID控制模塊的模式由“Auto”更改為“Manual”，并針對0.02kg/s和0.03kg/s的小火加熱液化氣設定值，將其輸出開度分別設為70%和100%，在小火液化氣流量穩定后再將其恢復為“Auto”狀態，根據系統計算所需風流量來進行風量調節，從而實現了改質階段小火液化氣流量與燃燒用風量達到合理匹配，有效降低了改質階段初期由于風量供給不及時造成液化氣燃燒不充分所產生的含碳量。

　　調整前后風流量變化的對比如圖6所示。

　　圖6 輔風管風流量變化對比圖

　　6 調整后達到的效果

　　2007年大連煤氣新廠生產原料平均烯烴含量為25.05%，與往年同期相比增加了4.94%。07年改質氣平均含碳量為61.3mg/m3(06年改質氣平均含碳量為43.5mg/m3)，出廠煤氣平均含碳量為0.8mg/m3(06年出廠煤氣平均含碳量為0.5mg/m3)，煤氣壓縮機的清掃周期為700小時/次(06年煤氣壓縮機的清掃周期為1000小時/次)。

　　圖7 原料烯烴含量與出廠煤氣含碳量變化對比圖

　　圖7是在調整過程中原料烯烴含量與出廠煤氣含碳量的變化對比，從圖中可以看出與提高生產原料的烯烴含量之前相比，雖然出廠煤氣含碳量略有提高(平均值增加0.3 mg/m3)，但生產裝置各項工藝參數符合工藝要求，生產裝置運行平穩，煤氣壓縮機運行狀況良好。按照07年全年原料消耗量24906.8噸計算，提高生產原料的烯烴含量之后，煤氣生產少使用丙烷4448噸。按照液化氣和丙烷的平均差價500元/噸來計算，此項節約生產成本222.37萬元，達到了節能減虧的目的，生產控制系統組態的優化取得了實際的效果。

　　7 結束語

　　結合生產實踐充分發掘DeltaV系統內部潛在功能，并針對性的進行優化與完善，使生產控制系統在生產原料組分發生變化的情況下，促使生產裝置平穩運行的過程中充分發揮積極的重要作用，實現煤氣生產成本的降低，收到了良好的效果。