文獻標(biāo)識碼：B文章編號：1003-0492（2024）10-094-05中圖分類號：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(tǒng)的手動控制方式存在操作復(fù)雜、穩(wěn)定性差等問題，難以滿足現(xiàn)代煤化工生產(chǎn)的需求。先進控制系統(tǒng)憑借其自動化、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(shù)、降低能耗和污染排放，保障了生產(chǎn)過程的安全穩(wěn)定。

1　低溫甲醇洗先進控制系統(tǒng)設(shè)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)過閃蒸塔、解析塔、熱再生塔以及甲醇水塔進行雜質(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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)DCS控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及控制需求，進行低溫甲醇洗裝置先進控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要將采集數(shù)據(jù)的OPC服務(wù)器納入低溫甲醇洗裝置先進控制系統(tǒng)控制網(wǎng)范圍，通過設(shè)置隔離網(wǎng)閘保證數(shù)據(jù)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控制系統(tǒng)網(wǎng)交換機，低溫甲醇洗裝置先進控制系統(tǒng)服務(wù)器也全部接入交換機，從而實現(xiàn)跨域的數(shù)據(jù)獲取及控制。低溫甲醇洗裝置先進控制系統(tǒng)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控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3　系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理及交換

為避免在回路投入切除時DCS側(cè)和APC側(cè)數(shù)據(jù)不一致造成的擾動，所以為每一個控制回路設(shè)計了勿擾切換功能，使DCS側(cè)輸出數(shù)據(jù)和APC側(cè)輸出數(shù)據(jù)保持一致，以保障切換時的數(shù)據(jù)安全[2]。具體方案如圖3所示。

圖3 DCS-APC數(shù)據(jù)交換

2　低溫甲醇洗裝置先進控制系統(tǒng)的先進控制策略及實現(xiàn)

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低壓蒸汽進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(jù)工況設(shè)定回流量的大小，以此來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)過解析出硫化物后，其中一部分甲醇進入甲醇水塔進行甲醇-水分離，以保證整個循環(huán)甲醇的含水量。甲醇水塔也是通過外部低壓蒸汽供熱對甲醇進行精餾，使其水和甲醇進行分離。甲醇在熱再生塔中再生時，必須精準(zhǔn)控制其回流量，因此可以通過控制低壓蒸汽的流量來控制回流量達到最佳工況，同時還需要監(jiān)控出口溫度，防止溫度過高或過低。甲醇水塔中通過蒸汽控制塔內(nèi)溫度及靈敏板溫度，使精餾在最佳溫度下進行。但同時由于甲醇水塔過于龐大，內(nèi)部溫度有高有低，靈敏板溫度有時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(nèi)，此時就能代表塔內(nèi)情況的穩(wěn)定。此外兩個塔的控制方案還需要考慮蒸汽壓力的波動造成的工況波動。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循環(huán)甲醇洗滌變換氣和未變換氣中的雜質(zhì)，根據(jù)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(biāo)以及CO₂產(chǎn)品氣、尾氣中硫含量都作為控制指標(biāo)。在洗滌過程中需要克服變換氣和未變換氣流量波動及組分的干擾，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，同時還需要考慮降低能耗、延長設(shè)備使用周期、自動控制甲醇循環(huán)量。同時在控制循環(huán)量的時候還需要控制每段循環(huán)量的液位使整個系統(tǒng)平穩(wěn)循環(huán)，液位不能出現(xiàn)振蕩，從而保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在克服系統(tǒng)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，自動控制甲醇循環(huán)量，降低主洗、精洗平均循環(huán)量。調(diào)整原則包括：

（1）未變氣總硫高、CO₂正常時，調(diào)整未變脫硫甲醇流量。

（2）未變氣總硫高、CO₂高時，調(diào)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，調(diào)整未變貧甲醇流量。

（4）變換氣總硫高、CO₂正常時，調(diào)整脫硫、精洗甲醇流量。

（5）變換氣總硫高、CO₂高時，調(diào)整脫硫、主洗甲醇流量。

（6）變換氣總硫正常、CO₂高時，調(diào)整主洗甲醇流量。

（7）尾氣總硫高時，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，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(wěn)定控制的回路，主要采用以進料流量為前饋，提高控制精度和反應(yīng)速度，減少液位因工況變換產(chǎn)生的波動。控制方案以變換氣吸收塔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調(diào)節(jié)供氣量。方案中APC根據(jù)設(shè)定H₂/CO比設(shè)定值，并從甲醇合成工序獲得H₂/CO比實時值，通過先控模塊輸出流量增量，同時調(diào)整凈化出口變換氣、未變氣流量，調(diào)整的同時保持總體負荷穩(wěn)定[3,4]。控制方案如圖7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(diào)控制

在洗滌變換氣和未變換氣過程中，甲醇會吸收其中的雜質(zhì)CO₂，這部分CO₂會在甲醇再生裝置中解析出來生成CO₂產(chǎn)品氣，CO₂產(chǎn)品氣經(jīng)過多個壓縮機給去氣化爐供氣吹煤粉。根據(jù)CO₂總管壓力（多個壓縮機出口壓力控制點可選擇），進行各臺壓縮機入口導(dǎo)葉的協(xié)調(diào)控制以此來滿足去氣化爐的總管壓力。協(xié)調(diào)控制時，根據(jù)CO₂總管壓力與設(shè)定值的偏差，綜合考慮各臺機組的負荷、防喘振裕度、導(dǎo)葉開度大小，進行各機組的調(diào)節(jié)分配。在各臺機組投入時的壓力基本值的基礎(chǔ)上，給出壓力設(shè)定值的增量，根據(jù)目標(biāo)壓力自動調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度。同時通過CO₂去尾氣洗滌塔調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定壓縮機入口壓力。控制方案如圖8所示。

圖8 CO₂母管壓力協(xié)調(diào)控制

3　低溫甲醇洗裝置先進控制系統(tǒng)的優(yōu)化及應(yīng)用效果

低溫甲醇洗裝置先進控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）智能調(diào)節(jié)與優(yōu)化運行。系統(tǒng)實現(xiàn)了去甲醇合成氫碳比的智能調(diào)節(jié)，并根據(jù)進氣負荷智能協(xié)調(diào)多股甲醇循環(huán)量，達到最優(yōu)控制。通過APC控制，對甲醇水塔、熱再生塔等復(fù)雜回路實現(xiàn)了自動優(yōu)化運行，提高了穩(wěn)定性，并通過溫度的卡邊優(yōu)化控制實現(xiàn)了蒸汽降耗。

（2）減少人工操作，降低操作復(fù)雜度，提高生產(chǎn)效率。通過智能優(yōu)化控制大大減少了人工操作，同時數(shù)據(jù)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，實現(xiàn)了對復(fù)雜工藝過程的精細化控制，提高了生產(chǎn)過程的智能化水平。

（3）控制精度提升。在先進控制系統(tǒng)的實施過程中，結(jié)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(shù)，系統(tǒng)能夠根據(jù)實時工況自動進行調(diào)節(jié)，進一步提升了控制的及時性和準(zhǔn)確性，顯著增強了工藝流程的控制精度，確保了裝置運行的平穩(wěn)性。

如甲醇水塔控制，系統(tǒng)投用前主要通過人工根據(jù)溫度、壓差等主要參數(shù)進行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)投用后，根據(jù)塔的關(guān)鍵溫度及壓差進行建模綜合調(diào)整，提高了調(diào)節(jié)的及時性和精準(zhǔn)性，投用后平穩(wěn)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(tǒng)干擾較大，系統(tǒng)投用后，根據(jù)塔的各部分液位、流量等參數(shù)進行前饋調(diào)整，投用后平穩(wěn)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(biāo)在APC投用前后的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及平穩(wěn)率提升見表1。

表1 部分關(guān)鍵指標(biāo)APC投用前后對比

4　結(jié)論

低溫甲醇洗工藝通過甲醇在低溫下吸收原料氣中的雜質(zhì)氣體實現(xiàn)凈化，具有高效洗滌、低溫操作和系統(tǒng)穩(wěn)定特點。然而，精確控制溫度、各塔液位、甲醇各段循環(huán)量等參數(shù)是其控制難點。本系統(tǒng)能夠通過數(shù)據(jù)采集、控制策略和優(yōu)化算法自動調(diào)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。先進控制系統(tǒng)在節(jié)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。先進控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是集成化、智能化、信息化綜合的結(jié)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現(xiàn)了工藝過程的高效凈化，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，系統(tǒng)后續(xù)也存在進一步的優(yōu)化提升空間，包括：

（1）工藝參數(shù)的優(yōu)化控制：盡管已有先進控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，但仍有進一步優(yōu)化空間，尤其是在不同工況下實現(xiàn)參數(shù)的最優(yōu)化控制。

（2）控制算法的適應(yīng)性：現(xiàn)有的控制算法在處理工藝進料量擾動方面仍有改進空間，需要提高控制系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性。

（3）系統(tǒng)的集成能力和算力：隨著先進控制范圍從一個工序擴大到整個煤化工甚至全流程控制，需要進一步提高系統(tǒng)的擴展集成能力、計算能力，以適應(yīng)更大規(guī)模的生產(chǎn)需求。

這些問題的解決需要持續(xù)的技術(shù)研究和創(chuàng)新，以實現(xiàn)煤化工先進控制的優(yōu)化和升級。

作者簡介：

閔　波（1984-），男，河南信陽人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)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(yīng)用。

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

姚　強（1986-），男，寧夏中衛(wèi)人，高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)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(yīng)用。

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

陳鵬程（1982-），男，重慶酉陽人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)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(yīng)用。

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

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摘自《自動化博覽》2024年10月刊