I/A系统在煤制天然气甲烷化装置中的应用

赵立民

(新疆庆华能源集团有限公司，新疆伊宁 835100)

I/A系统在煤制天然气甲烷化装置中的应用

赵立民

(新疆庆华能源集团有限公司，新疆伊宁 835100)

利用伊犁河谷煤炭资源，通过煤气化、一氧化碳变换、酸性气体脱除、高温甲烷化工艺来生产天然气。本文简要介绍了甲烷化工艺流程，并实现了甲烷化装置的数据监控、工艺过程控制、联锁保护、系统管理等功能。

天然气;DCS配置;联锁

“十二五”规划明确了煤制合成天然气(SNG)是关键的能源技术。中国丰富的褐煤和煤炭储量也为此战略的实施提供了有力的保障。新疆庆华年产55亿m3煤制天然气一期工程是利用伊犁河谷煤炭资源，通过煤气化、一氧化碳变换、酸性气体脱除、高温甲烷化工艺来生产天然气。其中气化采用纯氧固定床碎煤加压气化技术，配有空分装置和硫回收装置。对于煤制天然气来说高温甲烷化技术为关键技术之一。

1 甲烷化工艺流程

新疆庆华甲烷化工艺技术采用丹麦托普索的镍基催化剂SNG合成技术。该工艺已经在半商业规模的不同装置中得到证明，在真实工业状态下生产200～3 000 m3/h的天然气。在TREMPTM工艺中，反应在绝热条件下进行。反应产生的热量导致了很高的温升，通过循环来控制第一甲烷化反应器的温度。TREMPTM工艺一般有三个反应器，第二和第三绝热反应器可用一个沸水反应器(BWR)代替，虽投资较高，但能够解决空间有限问题。另外，在特殊情况下，采用四个绝热反应器是一种优化选择，而在有些条件下，使用一个喷射器代替循环压缩机。除了核心技术外，因为生产甲烷的过程要放出大量的热量，如何利用和回收甲烷化热量是这项技术的关键。托普索工艺可以将这些热量再次利用，在生产天然气的同时，产出高压过热蒸汽。

低温甲醇洗出来的净化气经与第五甲烷化反应器出来的产品气换热，经气体净化保护剂净化后，一部分新鲜气与循环气混和后约250℃进第一甲烷化反应器，出第一甲烷反应器气体温度约675℃，进第一废热锅炉，副产4.8 MPa蒸汽;出来的气体与另一部分新鲜气混和后约260℃进第二甲烷化反应器，第二甲烷化反应器出来的气体温度约675℃，进入第二废锅，副产4.8 MPa蒸汽;气体温度降至310℃左右后进入第三甲烷化反应器，出口气体温度约530℃进入中压蒸汽过热器和中压废锅生产4.8 MPa蒸汽;气体降至300℃进入第四甲烷化反应器，出口气体温度约为390℃，再经过一系列过热器、换热器温度降至70℃，并分离掉部分冷凝水再经换热器加热至230℃后进入第五甲烷化反应器，出口气体经回收热量后进入水冷却器;分离水干燥后送至首站压缩机入口。出第一甲烷化反应器后的一部分气体经中压废锅、换热器和低压废锅副产0.6 MPa低压蒸汽后进入循环压缩机，循环气用于第一甲烷化反应器冷激气。甲烷合成用的是镍催化剂。CO转化率可达100%，CO2转化率可达99%以上，催化剂选择性很好几乎没有什么副反应，冷凝水不处理就可回用(返回到凝结水系统进入锅炉给水)。甲烷化工艺流程如图1所示。

2 甲烷化自控部分

2.1 甲烷化装置DCS配置

庆华煤化55亿m3/a煤制天然气一期工程使用FOXBORO的I/A Series DCS系统，主要的控制区域包括:气化控制室、净化控制室、罐区机柜室、煤气水分离机柜室、天然气干燥机柜室、气化A机柜室、气化B机柜室、空分循环水机柜室构成。其中甲烷化装置属于净化控制室。甲烷化装置与净化装置共用一台工程师站用于系统的组态，甲烷化分配有6台操作员站(用于操作员对工艺流程的监控和控制，操作员站可任意分配)。甲烷化单独使用一对FCP270控制器，下挂现场总线模块。作为庆华DCS网络一部分构成一个完整的控制系统来负责整个甲烷化装置的数据监控、工艺过程控制、联锁保护、报警获取、系统管理等功能。

图1 甲烷化工艺流程图

系统使用是I/AV8.X.MESH网络结构。各个现场工程师站与现场操作站均能独立工作。即使在FCR与CCR完全通讯中断的前提下，只要FCR中还有1台工作站存在，该工作站即能完成对所在现场机柜间的监视控制工作，保证现场的正常运行。

2.2 甲烷化压差流量变送器温压补偿和小流量切除

其中:QCVol为补偿后体积流量;QRVol为补偿前后体积流量;Pa为实际压力(绝压);Pd为工况压力(绝压);Ta为实际温度，K;Td为工况压力，K;MWa为实际摩尔质量;MWd为设计摩尔质量，因为摩尔质量没有要求，所以按照托普索公式来说明，摩尔部分去掉。

甲烷化装置流量为体积流量，把m3/h转化为Nm3/h，所以使用第一个公式。小流量切除实现方法:以FI620079为例，FI620079_F是现场信号处理，即用AIN块做AI量处理;FI079_CHARC是小流量切除，使用CHARC块(由X_1，Y_1)～(X_4，Y_4)4个点组成的折线，X轴为流量输入值，Y轴为流量输出值，从而实现小流量切除(本装置为0.75%切除);FI620079_C是温压补偿模块，用CALCA计算块实现公式计算的功能;FI620079是显示用模块，使用AIN块，可以设置相应的工程量程和报警，联锁值。

2.3 甲烷化停车联锁

甲烷化装置单独设有一套ESD系统，所有电磁阀由ESD系统控制，联锁保护由ESD系统实现，其中ESD系统产生停车信号后会给DCS 6个联锁停车信号触发相应调节阀门动作完成停车联锁。6个停车信号触发4种动作，作用在调节阀上，完成停车动作。之后操作员可以按实际情况在DCS中对调节阀进行下一步操作。

2.3.1 调节器打手动，输出为阀位为0

联锁判断由CALCA块，编制相应功能逻辑语言实现;联锁触发后计算快FIC620051_C的RO01和RO02值为0，两输出连到PIDA块的HOLIM和LOLIM，从而使阀位输出钳位在 0;联锁触发时FIC620051_C的BO01输出为真，其连到PIDA块的强制手动MANSW，从而使PID调节器打手动。

2.3.2 控制器打自动设定值以0.1 MPa/s的速率下降

①同2.3.1，联锁判断由CALCA块编制相应逻辑实现，设定值以0.1MPa/s的速率下降。IA的PIDA块本身带有设定值RAMP功能，由SPRAMP，SPTARG，SPRATE三个参数实现:SPRAMP为1时RAMP功能激活，设定值按照SPRATE的值的速率向着SPTARG的值RAMP。

②阀开10%，控制器打自动，设定值以0.1 MPa/s的速率下降;组态和前面相似。

③阀开60%，控制器打自动;参数设置和NOTE3近似。

以上停车联锁的实现利用PIDA块的限位功能，RAMP功能，强制手自动功能。联锁逻辑判断由计算块实现，计算块CALCA逻辑输出BO01是限位信号或RAMP信号或强制信号;计算块CALCA的实型输出RO01和RO02是限位值。其中因为有强制手自动，如需停车后自由转换手自动，需要在流程画面上点复位按钮解除手自动强制。

2.4 压力低停脱盐水泵联锁

逻辑块UY620455_L的BI01是PI620452/457的低低报警，BO01是停泵信号，压力低低时经RI01的延时，由LOGIC块的BO02输出到DO点停脱盐水泵。

2.5 甲烷化复杂控制

2.5.1 甲烷化反应器温度控制

甲烷化反应对温度要求较高，其反应器温度控制均采用入口和炉体两个温度串级控制，更好地保证反应温度，以第一甲烷化反应系统为例。第一甲烷化反应器(三个变送器)炉体温度取中值之后作为主回路控制器 TIC620114输入，其设定值可在HMI中由操作员手动设定;副回路控制器TIC620102的输入为第一甲烷化反应器入口温度，其作为副回路与 TIC620114串级，其输出是TV620102A/B的阀位，两个阀可以单独动作，也可以同时动作，由计算块TV620102_C实现，两阀的切换和串级投用/切除是无扰的。

2.5.2 甲烷化火炬放空控制

甲烷化装置压力控制流程采用放空控制比较多。采用同一压力测点，由两个PID控制器分别独立控制，两个控制器设定值不同，一个为正常工况，一个高于正常工况，保证系统的正常运行。以蒸汽管网中PIC620549为例，PIC620549A/B是两个独立PIDA控制器，相同压力测量值输入，但PIC620549B的设定值比PIC620549A的设定值高，正常情况下由PIC620549A控制，PIC620549B输出为0，一旦压力高于PIC620549B的设定值，放空阀会打开，压力恢复正常，又低于PIC62059B的设定值，放空阀关闭。

2.5.3 甲烷化汽包控制

根据汽包液位LI620309、给水流量FI620419、蒸汽流量FI620319这三个冲量经过PID计算来调节给水阀门的开度，从而达到自动控制给水流量的目的。汽包水位LI620309密度补偿后作为PID控制器 LIC620309的输入;给水流量 PID控制器FIC620419的输入=FI620319+K×(LIC620309的输出-0.5);控制器LIC620309和FIC620419的输出由一个开关控制，操作员可以在HMI上选择是液位单独控制，还是三冲量控制。

2.5.4 甲烷化FIC620107控制

FIC620107的设定值由高选器FY620107输出决定，高选器FY620107的两个输入为手动给定HIC620107(由操作员在 HMI中设定)和计算块FY620005。

而正常情况下(第二冷凝分离器F620203出口气体分析AI620530)，非低低和AI620530低低时，FY620005的输出不同，正常时，FY620005= FI620005×0.031×0.8，当 AI620530低低时，FY620005=FI620005×0.065×0.8。

3 结束语

甲烷化装置DCS作为整个新疆庆华煤制天然气主装置FOXBORO的I/A Series DCS系统的一部分，实现了甲烷化装置的数据监控、工艺过程控制、联锁保护、报警获取、系统管理、工艺报表等功能。现在新疆庆华年产55亿m3煤制天然气一期工程的甲烷化装置已经投产成功并稳定运行，向中石油伊霍支线供气，为全国天然气的供应增加了新渠道。

TQ056;TQ221.11

B

1003-3467(2014)04-0053-03

2014-01-21

赵立民(1974-)，男，工程师，从事煤化工自动化工作，电话:(0999)7860186。