孫明革　張杰

摘 要：當(dāng)前在氫氣等相應(yīng)氣體的制備上有著極高的要求。這主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)上：一是制備工藝的改善；二是生產(chǎn)設(shè)備自控系統(tǒng)的高標(biāo)準(zhǔn)。而之所以會(huì)這樣，和氣體純度、控制成本以及環(huán)保等需求有著極為緊密的關(guān)聯(lián)。該文從課題研究的相關(guān)背景入手，首先闡述了PKS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和變壓吸附方式，接著概括了變壓吸附制氫工藝，最后詳細(xì)分析了基于PKS的制氫裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：制氫裝置 變壓吸附 控制

中圖分類號(hào)：TQ050 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）01（c）-0075-02

工業(yè)革命之后，科技呈現(xiàn)出了極為迅猛的發(fā)展?；剂系鹊拇笠?guī)模的耗用在推動(dòng)社會(huì)高速發(fā)展及生活水平大幅度增長(zhǎng)的同時(shí)，也造成了極為惡劣的污染乃至是能源枯竭等難題。而在眾多新型清潔能源里面，人們覺(jué)得氫能是最具可能得到普遍運(yùn)用的一種。從世界范疇來(lái)看，很多國(guó)家都愈發(fā)關(guān)注氫能對(duì)化石燃料的取代，其也確實(shí)是在眾多領(lǐng)域里面得到了普遍運(yùn)用。

1 制氫裝置控制系統(tǒng)的相關(guān)理論概述

1.1 PKS系統(tǒng)概述

Honeywell在過(guò)程控制上擁有多年的豐富的經(jīng)驗(yàn)，其Honeywell PKS系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中具有相當(dāng)高的優(yōu)越性。其具有很強(qiáng)的診斷能力和決策能力，另外控制系統(tǒng)的獨(dú)立性也提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。通過(guò)對(duì)其的運(yùn)用，工業(yè)企業(yè)能夠獲得全方位的知識(shí)體系及處理方案。該系統(tǒng)可以用來(lái)達(dá)成多樣化的自控需求，將收集數(shù)據(jù)以及過(guò)程控制等功能綜合在同一系統(tǒng)里面去，從而讓工業(yè)生產(chǎn)在相關(guān)性能上達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)。

該系統(tǒng)主要是利用FTE來(lái)達(dá)成對(duì)主干網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控。FTE屬于Honeywell的專利，它主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的相應(yīng)目標(biāo)。在FTE隨便兩節(jié)點(diǎn)間構(gòu)建起4條通信通道，就能夠同時(shí)達(dá)成對(duì)單故障點(diǎn)以及多故障點(diǎn)的容錯(cuò)。

1.2 變壓吸附（PSA）吸附特點(diǎn)

利用變壓吸附的方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氫氣的提取。這主要是因?yàn)槲絼┚邆鋬纱箫@著特性。首先，當(dāng)組份不一樣的時(shí)候，吸附能力也不一樣。其次，當(dāng)吸附質(zhì)氣壓增高的時(shí)候，其吸附容量也會(huì)上漲。當(dāng)吸附溫度變高的時(shí)候，其吸附容量則會(huì)降低。發(fā)揮特性一的作用，能夠最先把里面的雜質(zhì)吸附出來(lái)，這樣就能夠讓氫氣達(dá)到較高的純度標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)揮特性二的作用，能夠于高壓條件中實(shí)現(xiàn)對(duì)吸附劑的吸附。同樣地，還能夠于低壓條件中實(shí)現(xiàn)對(duì)吸附劑的解吸。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)吸附和再生的反復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，最終滿足氫氣持續(xù)提純的相應(yīng)要求。

制氫變壓吸附（PSA）工藝步驟由吸附、均壓降、順?lè)?、逆放、沖洗、均壓升和終充壓等組成。具體情況如下。

（1）吸附流程主要是于高壓常溫環(huán)境中把雜質(zhì)吸附出來(lái)，初步獲得產(chǎn)品。

（2）減壓流程主要是經(jīng)由相應(yīng)次數(shù)的均衡降壓來(lái)回收相應(yīng)氫氣。

（3）順?lè)帕鞒讨饕墙?jīng)由順向降壓來(lái)實(shí)現(xiàn)氣源再生。

（4）逆放流程主要是經(jīng)由逆向降壓來(lái)實(shí)現(xiàn)部分再生。

（5）沖洗流程主要是經(jīng)由沖洗降壓來(lái)實(shí)現(xiàn)最后再生。

（6）升壓流程主要是經(jīng)由相應(yīng)次數(shù)的均衡乃至是終充壓來(lái)達(dá)成吸附壓力標(biāo)準(zhǔn)，奠定好下次吸附的基礎(chǔ)。

2 基于PKS的制氫裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 變壓吸附制氫工藝

該裝置PSA制氫的工藝流程，即由12臺(tái)吸附器和一系列程控閥門組成，采用3塔同時(shí)吸附6次均壓的12塔工藝，由酸脫變換氣、深冷富氫氣以及乙二醇弛放氣組成的原料氣進(jìn)入制氫工序吸附塔中。該系統(tǒng)中始終有3個(gè)處于吸附狀態(tài)的吸附塔，每臺(tái)吸附塔在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)依次經(jīng)歷吸附、6次均壓降、3次順向放壓、2次逆向放壓、3次沖洗、6次均壓升、終充壓等步驟。原料氣通過(guò)吸附塔吸附劑將雜質(zhì)吸附，最終純度大于 99.9%的產(chǎn)品氫氣會(huì)從吸附器塔頂排出。經(jīng)過(guò)產(chǎn)品氣罐儲(chǔ)存，通過(guò)穩(wěn)壓和計(jì)量后送到下一個(gè)工序。而副產(chǎn)品解吸氣通過(guò)壓縮機(jī)送至全廠燃?xì)夤芫W(wǎng)或CO變換單元循環(huán)利用。

2.2 工藝流程說(shuō)明

在該工藝?yán)锩?，受常溫高壓環(huán)境的影響，吸附劑能夠很快吸附出易吸附組分，而剩下的組分就會(huì)自床層外流。接著，床層吸附壓力會(huì)下降。在這個(gè)時(shí)候，之前吸附的組分就會(huì)解附，于另一側(cè)外排。經(jīng)由這些流程，就能夠達(dá)成分離以及提純氣體的相應(yīng)目標(biāo)。在這個(gè)過(guò)程里，還能夠再生吸附劑。

然而，一般而言，在該工藝?yán)?，就算能夠把床層吸附壓降到常壓?biāo)準(zhǔn)，也根本無(wú)法徹底解吸相應(yīng)雜質(zhì)。在這個(gè)時(shí)候，就算選擇兩類方式來(lái)再生吸附劑。一是經(jīng)由產(chǎn)品氣來(lái)沖洗床層，讓該雜質(zhì)分壓下降到較小標(biāo)準(zhǔn)。這樣就能夠置換無(wú)法解吸的雜質(zhì)。其只要是處在常壓環(huán)境中就能夠達(dá)成目的，卻會(huì)造成產(chǎn)品氣的一些損失。二是經(jīng)由抽真空方式強(qiáng)制性地解吸雜質(zhì)。即真空變壓吸附。其能夠起到極強(qiáng)的再生成效，達(dá)到較強(qiáng)的收率，卻對(duì)真空泵有著很高要求，能耗也會(huì)更多。此課題項(xiàng)目中選用的是通過(guò)產(chǎn)品氣來(lái)解吸催化劑吸附的雜質(zhì)，完成催化劑的再生。

2.3 變壓吸附制氫裝置控制系統(tǒng)的說(shuō)明

變壓吸附制氫裝置選定的PKS系統(tǒng)用到了R410.2版本的設(shè)計(jì)軟件以及C300控制器。該控制能夠達(dá)到較佳的順序控制功能，且能實(shí)現(xiàn)PSA復(fù)雜邏輯調(diào)控。通過(guò)對(duì)PSA工藝的分析，明確在控制系統(tǒng)中，主要控制對(duì)象為吸附塔的程控閥、產(chǎn)品氣的緩沖罐壓力等。

2.3.1 吸附塔程控閥正常運(yùn)行時(shí)序控制

該課題PSA系統(tǒng)有12個(gè)塔正常工作時(shí)，每個(gè)塔有10個(gè)閥門工作，按照吸附、均降、順?lè)?、逆放、沖洗、均升和終升七大部分，共60步順序執(zhí)行。

2.3.2 吸附塔程控閥切塔運(yùn)行時(shí)序控制

當(dāng)系統(tǒng)中的吸附塔需要檢修或者塔上閥門出現(xiàn)故障時(shí)需要停止該塔運(yùn)行，另外11塔正常運(yùn)行，這時(shí)需要執(zhí)行切塔操作，剩余11塔的時(shí)序由60步切換到55步。每個(gè)塔上的程控閥需要按照新的時(shí)序執(zhí)行相應(yīng)操作，被切除塔在相應(yīng)的步數(shù)退出控制。

2.3.3 吸附塔程控閥加塔運(yùn)行時(shí)序控制

當(dāng)被切除塔故障排除后，需要將其重新投入正常運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)DCS控制程序根據(jù)各塔的壓力狀態(tài)，自動(dòng)確定恢復(fù)后應(yīng)進(jìn)入的最佳運(yùn)行步序，然后自動(dòng)等待到該步序的最佳切入時(shí)機(jī)，切入新程序，讓系統(tǒng)波動(dòng)最小。

2.3.4 壓力控制

在產(chǎn)品氣的壓力控制單元中，當(dāng)吸附尾氣壓力降低并低于設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥門自動(dòng)減小開(kāi)度；當(dāng)吸附尾氣壓力增加并高于設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥門自動(dòng)增加開(kāi)度，通過(guò)PID控制方式，控制氫氣吸附塔吸附壓力。

壓力控制在PSA的運(yùn)行過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，若壓力控制不能正常工作，則PSA單元各吸附塔的壓力無(wú)法得到有效的控制，通過(guò)吸附得到的產(chǎn)品就不能達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語(yǔ)

該控制系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、便于維護(hù)的特點(diǎn)，能夠?qū)χ茪溲b置進(jìn)行精確的自動(dòng)化控制。相關(guān)制氫企業(yè)根據(jù)該系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有制氫裝置進(jìn)行自動(dòng)化改造，可以有效提高氫氣產(chǎn)量與純度，降低生產(chǎn)成本、提高利潤(rùn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的改造目的。該系統(tǒng)已經(jīng)在煤化工項(xiàng)目中投入使用，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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