常压固定富氧气化工艺氧体积分数控制系统的优化改造

郭军峰，常俊斌

(山西天泽煤化工集团股份公司，山西 晋城 048000)

山西天泽煤化工集团股份公司煤气化厂具有500 kt/a氨醇、800 kt/a大颗粒尿素装置，煤制气系统采用当地优质的无烟块煤，选用固定床富氧造气技术，共设28台直筒煤气炉制气，采用变压吸附制氧工艺，配套2组55 t/h三废混燃炉回收吹风气。造气和制氧装置均采用了分散控制系统(DCS)[1]，实现了油压系统自控、入炉蒸汽自调、氢氮比自调、机电一体化自动加焦和自动下灰、制富氧时序智能化控制等功能，为造气装置提高单炉产气量提供了技术支撑，为后工序稳定生产、优化操作及节能降耗提供了有力保障。

1 煤制气装置控制系统概述

煤制气装置控制系统根据固定床煤气炉制气工艺和操作特性，采用单炉操作加公共系统监控流程操作画面实现分散集中控制。

根据工艺控制要求，28台造气炉采用S7-200PLC加上位机监控站构成控制系统[2]。其配置为： 7台控制柜，内置28个控制站；上位机为7台操作站，每台操作站都可以执行全装置操作。制富氧装置控制采用S7-300PLC[3]冗余主控模块的系统，独立配置2台操作员站和1台工程师站实现监控功能。

公共部分配置包括： 1台S7-200 PLC、1台S7-300PLC、2台操作站；其中1台工程师站，每个操作站均可全方位操作。气体报警监控系统： 采用S7-1500系列模块，配置1个控制柜，内置1个控制站，配置2台监控操作站。视频监控系统单独设置1台控制柜，4台监视器。

实现主要功能： 工艺阀门的逻辑控制，按照阀门逻辑动作时控程序要求控制[4]，包括吹风、回收、加氮、下行、上行、总蒸汽等工艺阀门动作的检测、安全联锁及报警，加煤时间控制，炭层高度控制，蒸汽总管压力的超前与前馈补偿控制，氢氮比自动调节，水夹套及气包液位的PID调节，风机和油压系统的管理、报警及联锁，DCS自动吹风排队控制等功能，任何阶段的安全开车，上加氮操作，强行回收操作，安全停车，紧急停车，阶段延时(暂停)，阶段快进，气体报警监控各参数的显示和超标报警，监视显示，各参数历史趋势，实时趋势图显示，各参数的设定、报警设置和显示。

2 氧体积分数控制系统

从VPSA制氧装置来的氧体积分数为80%～93%，需与鼓风机来的空气混合后将氧体积分数控制在23%～24%后，再送造气直筒煤气炉使用。为满足造气富氧入炉制气需要，将造气工段28台煤气炉按4台为1组，分为7套系统，每套系统配用1个氧气空气混合罐、1台氧分析仪、1台气动控制阀。氧分析仪与控制阀组成单回路调节系统，人工操作控制氧体积分数。

2.1 改造前氧体积分数控制系统存在的问题

氧体积分数控制系统在装置开车投用后出现调节严重滞后、炉况操作不稳等问题，致使氧体积分数不能稳定在工艺希望控制的目标值，只能通过操作人员遥控控制阀开度进行手动控制。在单系统开停炉时操作频繁，长期控制不稳定，另外紧急情况下氧气控制阀不能自动关闭切断氧气，存在严重的安全隐患。

2.2 氧体积分数控制系统改造

2.2.1存在问题分析

根据氧体积分数调节情况和出现的问题，专业技术人员对问题具体分析排查，提出了整改方案。原因分析有以下三个方面：

1)管路设计不合理，氧与空气不能有效混合，部分高浓度氧会走路径短的管路直接去造气工段。

2)取样点位置、控制阀位置不合理，不能及时控制氧体积分数。

3)控制系统简单，没有考虑操作安全。

2.2.2优化改造方案

根据设备管路状况及控制系统使用情况，提出分步实施系统改造方案：

1)采样点改动。将原来的空气与氧气在混合罐内混合改为氧气经缓冲罐后在吹风总管管道增设的喷射器内与空气混合，使氧气与空气充分混合成富氧空气后去造气工段；同时氧分析仪的取样点由原来的混合罐出口改到吹风总管管道混合喷射器后距入炉最近的管道上。

2)调整控制阀位置。将氧气控制阀的位置由原来的空气氧气混合罐入口管道处调整到缓冲罐出口管道上，并在缓冲罐出口控制阀前增加切断阀，起到安全切断作用。

3)控制回路改造。控制方式由原来的单回路PID调节改为限幅调节，增加快速切断阀与氧体积分数指示和风机压力构成联锁，实现异常情况下及时切断氧气，保护系统安全。

氧体积分数控制系统优化方案如图1所示。

图1 氧体积分数控制系统优化方案示意

2.2.3改造优化后的功能

每套造气富氧系统氧气缓冲罐出口总管增加1台切断阀，和富氧控制阀实现单炉阶段限幅调节。切断阀和控制阀配合调节，正常时切断阀常开，通过控制阀调节氧体积分数，当氧体积分数高于高限(30%～35%)，或风压低于低限10 kPa，切断阀自动关闭，实现了优化操作，确保装置安全稳定运行。该控制系统实现主要功能如下：

1)氧体积分数控制的联锁。氧高限联锁投入，当氧体积分数测量值高于高限设定值，氧切断阀自动联锁关闭阀门；当氧体积分数低于联锁设定值，切断阀也不能自动打开，只有操作人员确认安全后才能手动遥控打开切断阀。

2)风压控制的联锁。风压低限联锁投入，当风压测量值低于风压低限设定值，氧切断阀自动联锁，关闭阀门。当风压高于设定值中，切断阀不能自动打开，必须通过操作人员手动遥控打开切断阀。

3)氧体积分数自动调节。氧体积分数调节在原PID自动调节基础上增加单炉吹风限幅、加氮限幅、无风限幅，每套系统通过判断单炉吹风、加氮、无风阶段过程，实现阶段限幅细化调节。

4)信号联锁控制。将每台炉的吹风、加氮信号接入到控制系统控制切断阀，判断每台炉的用氧量状态，自动调节加限幅控制阀的开度。

5)控制站功能分配。在现有的2套公共控制站(一)、(二)中，现有公共控制站(一)内新增测控点后编程用于控制1号、2号系统的氧体积分数控制阀和切断阀联锁，在现有公共控制站(二)内新增测控点后编程用于控制5号、6号、7号系统的氧体积分数控制阀和切断阀联锁，新增1套公共控制站(三)控制3号、4号系统的氧气控制阀和切断阀联锁，实现分散控制，集中管理。

2.2.4改造后操作说明

氧气缓冲罐出口的氧气切断阀和控制阀分为两种控制方式，即手动控制和自动控制调节。其具体操作方法如下：

1)吹风限幅。每套系统单炉运行，当吹风阀打开时，自动设置阀门开度，吹风限幅设定为100%。

2)加氮限幅。每套系统单炉运行，当加氮阀打开时，自动设置阀门开度，加氮限幅设定为100%。

3)无风限幅。每套系统单炉运行，当吹风和加氮阀未打开，自动设置氧量控制阀开度，无风限幅设定为100%。

4)氧体积分数高限联锁设定值。设定氧体积分数联锁的高限设定值，氧体积分数高于联锁设定值联锁启动。

5)风压低限联锁设定值。设定风压联锁的低限设定值，风压低于联锁设定值联锁启动。

6)手/自动调节按钮。按钮为手动调节时，人为控制控制阀的开度；按钮为自动调节时，系统自动控制阀门的开度。

7)氧体积分数高限联锁按钮。该按钮为氧体积分数联锁投入与取消的总开关，按钮“投入”联锁起作用，“取消”联锁不起作用。

8)风压低限联锁按钮。该按钮为风压联锁投入与取消的总开关，按钮“投入”联锁起作用，“取消”联锁不起作用。

9)氧控制阀开按钮。当投入联锁切断阀自动关闭，手动打开氧阀按钮。

2.2.5改造后主要优点及效果

增加切断阀保证了生产操作安全稳定性，实现了氧体积分数优化调节平稳操作、氧量PID加自动限幅调节控制、氧体积分数高限报警联锁启动以及风压低限报警联锁启动。

氧体积分数控制系统改造优化后，氧体积分数调节稳定，提高了单炉产气量，控制效果优化明显，参数设定见表1所列。

表1 氧体积分数调节参数设定和单炉参数设定

3 结束语

控制好氧体积分数是实现常压固定床富氧气化工艺成功应用的关键之一，在优化控制回路选择上应结合工艺操作实际要求及实际工况，多方考虑、优化选择，不断改进与更新，才能提高自动化应用水平，从而实现提高单煤气炉产量，降低原料煤消耗，降低生产成本的目标。目前，该公司氧量控制系统优化改造后应用效果良好，增氧调节平稳，单炉产气量明显增加，达到了预期效果。