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(山西天澤煤化工集團股份公司，山西 晉城 048000)

山西天澤煤化工集團股份公司煤氣化廠具有500 kt/a氨醇、800 kt/a大顆粒尿素裝置，煤制氣系統(tǒng)采用當?shù)貎?yōu)質(zhì)的無煙塊煤，選用固定床富氧造氣技術(shù)，共設(shè)28臺直筒煤氣爐制氣，采用變壓吸附制氧工藝，配套2組55 t/h三廢混燃爐回收吹風氣。造氣和制氧裝置均采用了分散控制系統(tǒng)(DCS)[1]，實現(xiàn)了油壓系統(tǒng)自控、入爐蒸汽自調(diào)、氫氮比自調(diào)、機電一體化自動加焦和自動下灰、制富氧時序智能化控制等功能，為造氣裝置提高單爐產(chǎn)氣量提供了技術(shù)支撐，為后工序穩(wěn)定生產(chǎn)、優(yōu)化操作及節(jié)能降耗提供了有力保障。

1 煤制氣裝置控制系統(tǒng)概述

煤制氣裝置控制系統(tǒng)根據(jù)固定床煤氣爐制氣工藝和操作特性，采用單爐操作加公共系統(tǒng)監(jiān)控流程操作畫面實現(xiàn)分散集中控制。

根據(jù)工藝控制要求，28臺造氣爐采用S7-200PLC加上位機監(jiān)控站構(gòu)成控制系統(tǒng)[2]。其配置為： 7臺控制柜，內(nèi)置28個控制站；上位機為7臺操作站，每臺操作站都可以執(zhí)行全裝置操作。制富氧裝置控制采用S7-300PLC[3]冗余主控模塊的系統(tǒng)，獨立配置2臺操作員站和1臺工程師站實現(xiàn)監(jiān)控功能。

公共部分配置包括： 1臺S7-200 PLC、1臺S7-300PLC、2臺操作站；其中1臺工程師站，每個操作站均可全方位操作。氣體報警監(jiān)控系統(tǒng)： 采用S7-1500系列模塊，配置1個控制柜，內(nèi)置1個控制站，配置2臺監(jiān)控操作站。視頻監(jiān)控系統(tǒng)單獨設(shè)置1臺控制柜，4臺監(jiān)視器。

實現(xiàn)主要功能： 工藝閥門的邏輯控制，按照閥門邏輯動作時控程序要求控制[4]，包括吹風、回收、加氮、下行、上行、總蒸汽等工藝閥門動作的檢測、安全聯(lián)鎖及報警，加煤時間控制，炭層高度控制，蒸汽總管壓力的超前與前饋補償控制，氫氮比自動調(diào)節(jié)，水夾套及氣包液位的PID調(diào)節(jié)，風機和油壓系統(tǒng)的管理、報警及聯(lián)鎖，DCS自動吹風排隊控制等功能，任何階段的安全開車，上加氮操作，強行回收操作，安全停車，緊急停車，階段延時(暫停)，階段快進，氣體報警監(jiān)控各參數(shù)的顯示和超標報警，監(jiān)視顯示，各參數(shù)歷史趨勢，實時趨勢圖顯示，各參數(shù)的設(shè)定、報警設(shè)置和顯示。

2 氧體積分數(shù)控制系統(tǒng)

從VPSA制氧裝置來的氧體積分數(shù)為80%～93%，需與鼓風機來的空氣混合后將氧體積分數(shù)控制在23%～24%后，再送造氣直筒煤氣爐使用。為滿足造氣富氧入爐制氣需要，將造氣工段28臺煤氣爐按4臺為1組，分為7套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)配用1個氧氣空氣混合罐、1臺氧分析儀、1臺氣動控制閥。氧分析儀與控制閥組成單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，人工操作控制氧體積分數(shù)。

2.1 改造前氧體積分數(shù)控制系統(tǒng)存在的問題

氧體積分數(shù)控制系統(tǒng)在裝置開車投用后出現(xiàn)調(diào)節(jié)嚴重滯后、爐況操作不穩(wěn)等問題，致使氧體積分數(shù)不能穩(wěn)定在工藝希望控制的目標值，只能通過操作人員遙控控制閥開度進行手動控制。在單系統(tǒng)開停爐時操作頻繁，長期控制不穩(wěn)定，另外緊急情況下氧氣控制閥不能自動關(guān)閉切斷氧氣，存在嚴重的安全隱患。

2.2 氧體積分數(shù)控制系統(tǒng)改造

2.2.1存在問題分析

根據(jù)氧體積分數(shù)調(diào)節(jié)情況和出現(xiàn)的問題，專業(yè)技術(shù)人員對問題具體分析排查，提出了整改方案。原因分析有以下三個方面：

1)管路設(shè)計不合理，氧與空氣不能有效混合，部分高濃度氧會走路徑短的管路直接去造氣工段。

2)取樣點位置、控制閥位置不合理，不能及時控制氧體積分數(shù)。

3)控制系統(tǒng)簡單，沒有考慮操作安全。

2.2.2優(yōu)化改造方案

根據(jù)設(shè)備管路狀況及控制系統(tǒng)使用情況，提出分步實施系統(tǒng)改造方案：

1)采樣點改動。將原來的空氣與氧氣在混合罐內(nèi)混合改為氧氣經(jīng)緩沖罐后在吹風總管管道增設(shè)的噴射器內(nèi)與空氣混合，使氧氣與空氣充分混合成富氧空氣后去造氣工段；同時氧分析儀的取樣點由原來的混合罐出口改到吹風總管管道混合噴射器后距入爐最近的管道上。

2)調(diào)整控制閥位置。將氧氣控制閥的位置由原來的空氣氧氣混合罐入口管道處調(diào)整到緩沖罐出口管道上，并在緩沖罐出口控制閥前增加切斷閥，起到安全切斷作用。

3)控制回路改造。控制方式由原來的單回路PID調(diào)節(jié)改為限幅調(diào)節(jié)，增加快速切斷閥與氧體積分數(shù)指示和風機壓力構(gòu)成聯(lián)鎖，實現(xiàn)異常情況下及時切斷氧氣，保護系統(tǒng)安全。

氧體積分數(shù)控制系統(tǒng)優(yōu)化方案如圖1所示。

圖1 氧體積分數(shù)控制系統(tǒng)優(yōu)化方案示意

2.2.3改造優(yōu)化后的功能

每套造氣富氧系統(tǒng)氧氣緩沖罐出口總管增加1臺切斷閥，和富氧控制閥實現(xiàn)單爐階段限幅調(diào)節(jié)。切斷閥和控制閥配合調(diào)節(jié)，正常時切斷閥常開，通過控制閥調(diào)節(jié)氧體積分數(shù)，當氧體積分數(shù)高于高限(30%～35%)，或風壓低于低限10 kPa，切斷閥自動關(guān)閉，實現(xiàn)了優(yōu)化操作，確保裝置安全穩(wěn)定運行。該控制系統(tǒng)實現(xiàn)主要功能如下：

1)氧體積分數(shù)控制的聯(lián)鎖。氧高限聯(lián)鎖投入，當氧體積分數(shù)測量值高于高限設(shè)定值，氧切斷閥自動聯(lián)鎖關(guān)閉閥門；當氧體積分數(shù)低于聯(lián)鎖設(shè)定值，切斷閥也不能自動打開，只有操作人員確認安全后才能手動遙控打開切斷閥。

2)風壓控制的聯(lián)鎖。風壓低限聯(lián)鎖投入，當風壓測量值低于風壓低限設(shè)定值，氧切斷閥自動聯(lián)鎖，關(guān)閉閥門。當風壓高于設(shè)定值中，切斷閥不能自動打開，必須通過操作人員手動遙控打開切斷閥。

3)氧體積分數(shù)自動調(diào)節(jié)。氧體積分數(shù)調(diào)節(jié)在原PID自動調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上增加單爐吹風限幅、加氮限幅、無風限幅，每套系統(tǒng)通過判斷單爐吹風、加氮、無風階段過程，實現(xiàn)階段限幅細化調(diào)節(jié)。

4)信號聯(lián)鎖控制。將每臺爐的吹風、加氮信號接入到控制系統(tǒng)控制切斷閥，判斷每臺爐的用氧量狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)加限幅控制閥的開度。

5)控制站功能分配。在現(xiàn)有的2套公共控制站(一)、(二)中，現(xiàn)有公共控制站(一)內(nèi)新增測控點后編程用于控制1號、2號系統(tǒng)的氧體積分數(shù)控制閥和切斷閥聯(lián)鎖，在現(xiàn)有公共控制站(二)內(nèi)新增測控點后編程用于控制5號、6號、7號系統(tǒng)的氧體積分數(shù)控制閥和切斷閥聯(lián)鎖，新增1套公共控制站(三)控制3號、4號系統(tǒng)的氧氣控制閥和切斷閥聯(lián)鎖，實現(xiàn)分散控制，集中管理。

2.2.4改造后操作說明

氧氣緩沖罐出口的氧氣切斷閥和控制閥分為兩種控制方式，即手動控制和自動控制調(diào)節(jié)。其具體操作方法如下：

1)吹風限幅。每套系統(tǒng)單爐運行，當吹風閥打開時，自動設(shè)置閥門開度，吹風限幅設(shè)定為100%。

2)加氮限幅。每套系統(tǒng)單爐運行，當加氮閥打開時，自動設(shè)置閥門開度，加氮限幅設(shè)定為100%。

3)無風限幅。每套系統(tǒng)單爐運行，當吹風和加氮閥未打開，自動設(shè)置氧量控制閥開度，無風限幅設(shè)定為100%。

4)氧體積分數(shù)高限聯(lián)鎖設(shè)定值。設(shè)定氧體積分數(shù)聯(lián)鎖的高限設(shè)定值，氧體積分數(shù)高于聯(lián)鎖設(shè)定值聯(lián)鎖啟動。

5)風壓低限聯(lián)鎖設(shè)定值。設(shè)定風壓聯(lián)鎖的低限設(shè)定值，風壓低于聯(lián)鎖設(shè)定值聯(lián)鎖啟動。

6)手/自動調(diào)節(jié)按鈕。按鈕為手動調(diào)節(jié)時，人為控制控制閥的開度；按鈕為自動調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)自動控制閥門的開度。

7)氧體積分數(shù)高限聯(lián)鎖按鈕。該按鈕為氧體積分數(shù)聯(lián)鎖投入與取消的總開關(guān)，按鈕“投入”聯(lián)鎖起作用，“取消”聯(lián)鎖不起作用。

8)風壓低限聯(lián)鎖按鈕。該按鈕為風壓聯(lián)鎖投入與取消的總開關(guān)，按鈕“投入”聯(lián)鎖起作用，“取消”聯(lián)鎖不起作用。

9)氧控制閥開按鈕。當投入聯(lián)鎖切斷閥自動關(guān)閉，手動打開氧閥按鈕。

2.2.5改造后主要優(yōu)點及效果

增加切斷閥保證了生產(chǎn)操作安全穩(wěn)定性，實現(xiàn)了氧體積分數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)平穩(wěn)操作、氧量PID加自動限幅調(diào)節(jié)控制、氧體積分數(shù)高限報警聯(lián)鎖啟動以及風壓低限報警聯(lián)鎖啟動。

氧體積分數(shù)控制系統(tǒng)改造優(yōu)化后，氧體積分數(shù)調(diào)節(jié)穩(wěn)定，提高了單爐產(chǎn)氣量，控制效果優(yōu)化明顯，參數(shù)設(shè)定見表1所列。

表1 氧體積分數(shù)調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定和單爐參數(shù)設(shè)定

3 結(jié)束語

控制好氧體積分數(shù)是實現(xiàn)常壓固定床富氧氣化工藝成功應(yīng)用的關(guān)鍵之一，在優(yōu)化控制回路選擇上應(yīng)結(jié)合工藝操作實際要求及實際工況，多方考慮、優(yōu)化選擇，不斷改進與更新，才能提高自動化應(yīng)用水平，從而實現(xiàn)提高單煤氣爐產(chǎn)量，降低原料煤消耗，降低生產(chǎn)成本的目標。目前，該公司氧量控制系統(tǒng)優(yōu)化改造后應(yīng)用效果良好，增氧調(diào)節(jié)平穩(wěn)，單爐產(chǎn)氣量明顯增加，達到了預(yù)期效果。