文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2024）10-094-05中圖分類(lèi)號(hào)：TH29

★閔波（國(guó)家能源集團(tuán)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(qiáng)（國(guó)家能源集團(tuán)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(guó)家能源集團(tuán)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(tǒng)的手動(dòng)控制方式存在操作復(fù)雜、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，難以滿足現(xiàn)代煤化工生產(chǎn)的需求。先進(jìn)控制系統(tǒng)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(shù)、降低能耗和污染排放，保障了生產(chǎn)過(guò)程的安全穩(wěn)定。

1　低溫甲醇洗先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)DCS控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制需求，進(jìn)行低溫甲醇洗裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jìn)控制系統(tǒng)控制網(wǎng)范圍，通過(guò)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(jìn)控制系統(tǒng)網(wǎng)交換機(jī)，低溫甲醇洗裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)服務(wù)器也全部接入交換機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)跨域的數(shù)據(jù)獲取及控制。低溫甲醇洗裝置先進(jìn)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(jìn)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(shí)DCS側(cè)和APC側(cè)數(shù)據(jù)不一致造成的擾動(dòng)，所以為每一個(gè)控制回路設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)控制系統(tǒng)的先進(jìn)控制策略及實(shí)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(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(jù)工況設(shè)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(duì)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(zhǔn)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(dá)到最佳工況，同時(shí)還需要監(jiān)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(nèi)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(nèi)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(nèi)，此時(shí)就能代表塔內(nèi)情況的穩(wěn)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(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(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(zhǎng)設(shè)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(tǒng)平穩(wěn)循環(huán)，液位不能出現(xiàn)振蕩，從而保證整個(gè)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(dòng)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(shí)，調(diào)整未變脫硫甲醇流量。

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

（4）變換氣總硫高、CO₂正常時(shí)，調(diào)整脫硫、精洗甲醇流量。

（5）變換氣總硫高、CO₂高時(shí)，調(diào)整脫硫、主洗甲醇流量。

（6）變換氣總硫正常、CO₂高時(shí)，調(diào)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(duì)于難以穩(wěn)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(yīng)速度，減少液位因工況變換產(chǎn)生的波動(dòng)。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(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(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(shí)時(shí)值，通過(guò)先控模塊輸出流量增量，同時(shí)調(diào)整凈化出口變換氣、未變氣流量，調(diào)整的同時(shí)保持總體負(fù)荷穩(wěn)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(jī)出口壓力協(xié)調(diào)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(jī)給去氣化爐供氣吹煤粉。根據(jù)CO₂總管壓力（多個(gè)壓縮機(jī)出口壓力控制點(diǎn)可選擇），進(jìn)行各臺(tái)壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉的協(xié)調(diào)控制以此來(lái)滿足去氣化爐的總管壓力。協(xié)調(diào)控制時(shí)，根據(jù)CO₂總管壓力與設(shè)定值的偏差，綜合考慮各臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷、防喘振裕度、導(dǎo)葉開(kāi)度大小，進(jìn)行各機(jī)組的調(diào)節(jié)分配。在各臺(tái)機(jī)組投入時(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度。同時(shí)通過(guò)CO₂去尾氣洗滌塔調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定壓縮機(jī)入口壓力?？刂品桨溉鐖D8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(jìn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化及應(yīng)用效果

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

（1）智能調(diào)節(jié)與優(yōu)化運(yùn)行。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了去甲醇合成氫碳比的智能調(diào)節(jié)，并根據(jù)進(jìn)氣負(fù)荷智能協(xié)調(diào)多股甲醇循環(huán)量，達(dá)到最優(yōu)控制。通過(guò)APC控制，對(duì)甲醇水塔、熱再生塔等復(fù)雜回路實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行，提高了穩(wěn)定性，并通過(guò)溫度的卡邊優(yōu)化控制實(shí)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(guò)智能優(yōu)化控制大大減少了人工操作，同時(shí)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(jì)劃，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜工藝過(guò)程的精細(xì)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(tǒng)的實(shí)施過(guò)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(shí)時(shí)工況自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提升了控制的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，顯著增強(qiáng)了工藝流程的控制精度，確保了裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性。

如甲醇水塔控制，系統(tǒng)投用前主要通過(guò)人工根據(jù)溫度、壓差等主要參數(shù)進(jìn)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(jìn)行建模綜合調(diào)整，提高了調(diào)節(jié)的及時(shí)性和精準(zhǔn)性，投用后平穩(wěn)率提升了47.4%。投用前后的對(duì)比趨勢(shì)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(jìn)行前饋調(diào)整，投用后平穩(wěn)率提升了72.5%。投用前后的對(duì)比趨勢(shì)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(jiàn)表1。

表1 部分關(guān)鍵指標(biāo)APC投用前后對(duì)比

4　結(jié)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(xiàn)凈化，具有高效洗滌、低溫操作和系統(tǒng)穩(wěn)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(shù)是其控制難點(diǎn)。本系統(tǒng)能夠通過(guò)數(shù)據(jù)采集、控制策略和優(yōu)化算法自動(dòng)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(jìn)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(duì)煤化工行業(yè)的發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。先進(jìn)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是集成化、智能化、信息化綜合的結(jié)果，對(duì)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(xiàn)了工藝過(guò)程的高效凈化，提升了效率和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)煤化工行業(yè)的精細(xì)化、智能化發(fā)展具有重要意義。同時(shí)，系統(tǒng)后續(xù)也存在進(jìn)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(jìn)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，但仍有進(jìn)一步優(yōu)化空間，尤其是在不同工況下實(shí)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(jìn)料量擾動(dòng)方面仍有改進(jìn)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(jìn)控制范圍從一個(gè)工序擴(kuò)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(tǒng)的擴(kuò)展集成能力、計(jì)算能力，以適應(yīng)更大規(guī)模的生產(chǎn)需求。

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

作者簡(jiǎn)介：

閔　波（1984-），男，河南信陽(yáng)人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)煤制油分公司，研究方向?yàn)榧状己铣?、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(jí)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?yàn)橄冗M(jìn)控制、優(yōu)化控制、工業(yè)節(jié)能。

姚　強(qiáng)（1986-），男，寧夏中衛(wèi)人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)煤制油分公司，研究方向?yàn)槊簹饣⒓状贾葡N、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?yàn)橄冗M(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(xiàn)就職于國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)煤制油分公司，研究方向?yàn)槊簹饣?、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?yàn)橄冗M(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