PSA装置控制系统改造

金锐光

（中国石化上海石油化工股份有限公司，上海200540）

变压吸附（PSA）技术是用于分离气体混合物的新兴分离技术，将原料气在较高的压力下通过吸附剂床层，使原料气中杂质组分被选择性吸附。西南化工研究设计院对UOP技术进行分析后，采用新的工艺，在原装置上增加阀门的控制设备，利用高级语言编程实现床层的切换，保证系统故障影响最小化，产品流量损失最少化，保证了生产正常运行。

1 工艺过程简介

PSA装置用于H2提纯，其原料是制氢单元来的变换气，主要成分是H2，其余是CO，CO2，CH4和微量水分，吸附剂是活性碳和分子筛，原料气在2.5MPa，40℃下通过水分离器除去原料气中可能夹带的机械水，然后进入由10个吸附床及一系列程控阀组成的变压吸附系统，其中每个吸附床有8台程控阀，PSA系统采用10塔操作，3塔同时进料4次均压，常压解吸工艺流程。原料气由入口端自下而上通过3个正处于吸附步骤的吸附器，器内装填的吸附剂吸附原料气中的强吸附组分，弱吸附的氢组分作为产品气从出口端流出。其余7塔分别进行其他步骤的操作，10个塔交替循环工作，时间上相互交错，以此达到原料气不断的输入，产品气不断输出的目的。废气进入混合罐和缓冲罐，保证连续恒压供炉子作燃料。整个变压吸附过程的16个步骤由PLC控制完成。

2 控制系统结构及特点

该装置采用Quantum PLC，通信组件采用冗余配置，为保证系统供电可靠，220V交流电源由市电、UPS同时供给，经双电源自动切换系统到系统电源，共3个机柜，采用2台DELL工作站为操作站和工程师站，外加1台BM85网桥实现与DCS通信，整个系统各节点由ModbusPlus连接。

软件上Quantum PLC采用Concept编程控制软件，运行于WIN2000平台上，提供了梯形图、功能块图、顺序功能图、结构化文本、指令列表，每种语言都有一定用途特点，该PSA项目采用结构化文本进行控制编程，它对复杂算法及数据处理是最好的解决办法，类似于Basic或Pascal语言，这在PSA 10个吸附床压力、时间的计算和子程序调用等要求上充分体现了其优点。硬件、通信模块和软件都使维护得到了简化，并使培训要求降至最低，Quantum PLC热备功能能够在不中断过程控制的情况下修复一切故障。

系统监控站采用InTouch进行实时监控、数据采集、系统报警及报表打印等，运行于Windows2000平台上。

因PSA装置在整个芳烃装置中起着非常重要的作用，故要求对PSA的工艺参数在DCS中显示，便于其他装置的操作控制。芳烃装置的DCS采用TDC3000系统，其SI卡件可与PLC通过采用Modbus进行通信。把DCS与PLC按主从关系在软硬件上进行地址设定，然后在DCS的SI卡上建ARRAY点，根据所需通信的点在PLC中所占的寄存器地址进行组态，并完成通信控制参数组态设置、下装即可。其中因DCS的Modbus协议参数是不可修改的，只能在PLC上对通信控制参数进行修改，使DCS与PLC控制参数相一致。

3 控制编程的关键点

3.1 工艺说明

PSA系统所采用的10塔运行，正常情况下3塔同时进料，4次均压，常压解吸工艺过程，其余7塔分别进行其他步骤的操作，10个塔交替循环工作。其中10个床层按单双号分A，B两个系列，在特殊情况下A，B系列可单独运行。

所有过程均由PLC自动控制，床层的每一步均按时序及压力进行控制；调节阀的控制除常规PID外还采用由工艺参数计算的超驰控制。

3.2 控制器的秒脉冲实现

PSA装置的变压吸附过程共有16个步骤，每个步骤所需时间根据原料负荷及压力等工艺参数而定，整个工艺过程就是一套时序控制过程。在此过程中时间基点是秒，而秒基点的正确与否与产品产量、质量及吸附剂使用寿命密切相关。通过编程产生秒脉冲，经实际测试完全符合PSA装置控制所需。

3.3 运行方式规划

为了保证得到连续稳定的产品和解吸气，PSA装置对10床层规划了下列两种运行方式，保证故障状态下能选择一种进行操作。正常情况下以10－3－4／P方式运行，这样可最小程度减少对下游装置的影响。运行方式的选择及工艺参数见表1所列，各运行方式下的装置参数见表2所列。

表1 PSA装置运行方式选择及工艺参数

表2 各运行方式下的装置参数

从表2可以看出，在原料处理量相同时，在9－3－3／P运行方式下，循环周期短，损失最小，故在PLC编程及故障判断、处理上应考虑9－3－3／P运行方式。

3.4 运行方式中的步位及时间计算

为得到连续稳定产品流量，各床层所进行的各步骤及其所需时间，包括调节阀开度及时间必须经过计算，使其在不同负荷下都能达到在规定的压力下进行吸附、解吸，保证产品量及吸附剂的使用寿命。以10－3－4／P运行方式为例，设立10个步位计时器，其步位见表3所列。

表3 10－3－4运行方式的步位

根据负荷与分周期时间的关系式计算吸附时间：

式中：qV——原料流量，m3／h，上一分周期的流量作为本分周期原料流量；ta——分周期时间，s；K1＝5 110 628；K3＝11.4；K2——流量修正系数，根据现场情况确定，正常情况下K2＝1.0。

当原料流量负荷低于30%（满负荷）时，则取30%（满负荷）进行吸附时间的计算。计算D2步骤时间td：

式中：K4＝2×106；K5＝－3.0。计算t1（F）及t2（F）时间：

顺放调节阀的设定时间：

式中：K6＝－0.05，此参数可调；p——各工艺步骤下的压力；K30＝0.002MPa（此参数可调）。

用不同的时间t对应的SP值作为顺放调节阀的给定进行顺放床泄压PID调节，控制顺放调节阀PCV10371，PCV10372的开度。

顺放调节阀给定初始开度：

式中：K7＝2.0（0～10），K8＝0.2（0～5）。

终充调节阀的设定时间：

式中：K9＝1.1；K31＝0.002MPa（均可调整）。

调节阀给定初始开度：

式中：K10＝0.0（0～10）；K11＝0.3（0～5）。

用不同的时间t对应的SP值作为终充调节阀的给定进行终充床升压的PID调节，控制终充调节阀PCV10310，PCV10311的开度。

10－3－4运行方式和9－3－3运行方式时负荷与周期时间的关系：根据以上各运行方式、步位时间等计算控制，整个PSA装置在任何情况下都能得到连续稳定的产品流量，保证了后续装置的生产运行。

4 结束语

PSA装置生产工艺、控制方式改进所需的系统平台是非常重要的，采用西南化工研究设计院的新工艺，4次均压4次升压，多级均压可提高H2回收率，可保证在发生故障时尽可能保持更多床层运行而不使H2减少造成生产影响。在实际运行中，系统运行稳定，产品H2回收率基本保持89%。通过PSA装置的改造，运用新工艺、新技术使PSA装置可靠性提高，大大简化操作难度，无论发生故障需切除床层还是排除故障后恢复正常运行方式，都可自动实现。

［1］ 孙艳，苏伟.变压吸附法从工业副产气制氢制备方法、技术［M］.北京：化学工业出版，2012.

［2］ 李耀，张卫.焦炉煤气变压吸附制氢操作与维护［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［3］ 吴中俊，黄永红.可编程序控制器（PLC）原理及应用［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［4］ 王明虎，马太.JX－300X在变压吸附装置中的应用［J］.石油化工自动化，2003，39（03）：62－65.

［5］ 李若岩，李任中，胡惠琴，等.Hollysys分散型控制系统在变压吸附装置上的应用［J］.石油化工自动化，2006，42（02）：69－72.