水煤浆添加剂自动配剂控制方案设计

2022-07-13钟彦达

石油化工自动化 2022年3期

钟彦达

(中石化宁波工程有限公司，浙江宁波 315103)

水煤浆是目前常用的一种煤基液态物料[1]，常作为制备合成气的原料，由于中国丰富的煤炭资源，近年来国内水煤浆气化技术已达国际领先水平[2]。为保证水煤浆物料的稳定性和流动性，需要在制浆过程中加入合适的添加剂，经过多年的实践探索研究，已有几种性价比较高的添加剂作为常规添加剂应用于各个水煤浆制备装置[3]。为减少装运频率，工厂采购高浓度添加剂原料储存于添加剂母液槽，然后定期稀释配置为待用添加剂至添加剂罐，在该过程中，大部分工厂目前仍采用人工控制的方法，即通过操作台远程人工操作启停泵或开关阀门，在储罐中按比例将母液稀释至要求浓度待用。

目前，各个领域都在探索人工过程自动化的实施方法[4-5]。在水煤浆添加剂的工厂配剂过程中，为提高工作效率及降低人工操作引起的偏差，依据批量控制原理[6]提出基于液位和流量控制的两种添加剂自动配剂方案，以实现“一键配剂”的操作目标。

1 两种配剂方案控制原理

添加剂配剂方案有基于液位控制和基于流量控制[7]两种。在基于液位控制的方案中，通过测量配剂罐的初始液位、添加剂目标液位、最终液位，分步骤依次控制添加剂和水进入配剂罐，以添加剂目标液位作为添加剂终止进入的信号，以最终液位作为水终止进入的信号，完成进料和进水的自动运行过程，以达到自动配剂的目的；而基于流量控制的方案则是根据目标液位与罐体容量，分别计算需要的添加剂和水的体积，依托于安装在添加剂进液管和进水管上的流量计测量进料和进水的累积体积流量，通过与计算值作比对，在达到目标值时关闭进料和进水模块，完成配剂过程，简称流量方案。

2 系统组成

添加剂配剂系统组成如图1所示。配剂系统的控制系统可基于DCS或PLC，其中图1中虚线框中的4台流量计对于液位方案不是必须的。

图1 添加剂配剂系统组成示意

3 配剂流程

配剂流程说明以在T02A罐中制备添加剂为例。设T01罐对应0～100%液位体积V1，100%液位为ha，T02A与T02B罐对应0～100%液位体积V2，100%液位为hb。T01罐现有剩余液位为h1，T02A罐现有剩余液位为h2，配剂结束T02A罐目标液位为h3作为调节值，在人机操作界面上设置调整，添加剂母液与水按照1∶N的稀释比例执行。

配剂开始前确认搅拌器M01A处于停止状态，并且静置一段时间，该操作的目的是避免搅拌器运行引起的液位测量误差。

3.1 初始化校验

为了避免配剂过程中出现缺液、满液等异常状态导致程序继续执行引起意外事故，配剂开始前首先需要对以下几个参数值进行校验：

1)T02A，T02B罐均已结束上一次配剂流程，避免母液不足或者程序混乱。

2)T02A罐未投入磨煤流程使用，配剂过程中投用会导致浓度不符合最终值。

3)搅拌器M01A停止运行，减小液位测量误差。

4)配剂目标液位大于初始液位：h3>h2，输入值校验，避免程序错误。

5)配剂目标液位小于允许最大液位hbmax：h3

6)P01A，P01B在远程状态，保证配剂程序可以自动远程运行。

7)配剂结束母液槽液位大于母液槽允许最低液位hamin，保证母液量足够使用，如式(1)所示：

(1)

当以上初始化条件均满足时，系统允许进入下一步。

3.2 配剂计算

校验结束后，下一步是根据已有参数计算需求值，液位方案需要计算T02A罐中母液添加目标液位h4，流量方案则需要分别计算添加剂母液需求体积流量qV1和稀释用水需求体积流量qV2。

3.2.1液位方案计算

对于液位方案，操作流程选择先添加母液，后添加水的顺序进行配剂，T02A罐中母液添加的目标液位计算如式(2)所示：

(2)

3.2.2流量方案计算

对于流量方案的计算，需要分别计算出添加剂母液需求体积V3和稀释用水的需求体积V4，与流量计的积算值进行比对。

V3计算如式(3)所示：

(3)

V4计算如式(4)所示：

(4)

3.3 配剂流程

液位方案中，在完成初始化校验和需求计算之后，开始正式配剂流程，首先运行泵P01A，开始进料，检测T02A罐液位变化，当液位达到h4时，发出停泵命令，停止泵P01A，结束添加剂进料流程，同时打开XV01A，开始进水，继续监控液位变化，当液位达到h3时，关闭XV01A，完成进水流程，至此整个配剂流程结束，可打开搅拌器进行混合。

流量方案中，配剂流程则分解为在T02A罐中同时开始添加母液和新鲜水，母液和新鲜水分别达到各自目标量，分别停止添加母液和新鲜水，配剂完成。

简单而言配剂流程就是通过比对母液和新鲜水的注入量判断进料泵的启停和进水阀的开关，来完成整个配剂流程的自动控制，两种方案有相似处，也有不同处，控制流程如图2所示。

图2 两种配剂方案控制流程示意

4 方案应用

上述的添加剂流程及控制针对的是单一物料稀释配剂流程，并且应用于较大规模，精度要求不高的场合，适用于水煤浆添加剂配剂过程，并且已成功应用，效果良好。以下介绍几种流程及添加剂调整方案，以满足不同工况要求下的应用。

4.1 低成本高效率工况

考虑到低成本，选用设备较少的流程，并且在运行情况许可的情况下使用独立配剂罐，选用液位方案的配剂过程，为提高效率需要对进料和进水过程同步改进。由于基础液位方案中，计量进水量的仪表只有液位计LT02A，是无法改变的，但是母液的计量仪表则可由添加剂罐的液位计LT02A改为母液槽的液位计LT01，从而使母液的计量和新鲜水的计量独立，不过采用这种同步方式需有一个前提，就是新鲜水的进水流速需要小于添加剂母液进料流速的N倍以下，以保证母液进料会先于新鲜水进料结束，这个要求可以利用进料及进水的管径来控制。在这种条件下，可采取同步启动进料及进水流程，通过母液槽液位目标量h5作为P01A泵停泵条件，并且由于流速比小于N，母液可以率先完成进料流程，不影响T02A罐最终目标液位h3作为 XV01A关阀的判断依据。h5的计算如式(5)所示：

(5)

经过以上改进，应用设备、仪表均较少，成本较低，并且配剂流程由于同时进行，用时也较少，适用于追求低成本高效率的应用场景。

4.2 高精度工况

在有些工况中，对于配剂过程追求的是高精度，保证浓度的精准性是第一要务[8]。在高精度的要求下，首选为流量方案，由于在流量方案中停泵和开关阀关断都需要一个过程，在停泵命令和关阀命令发出后仍会有一定量的母液和新鲜水进入到T02A罐中，在一定程度上会引起浓度的偏差。这种情况下，一种方法是经过几次运行后，从控制系统中得到停泵和关阀命令发出后的流量曲线，根据流量曲线计算出命令发出后到完全无流量时的进料和进水量，然后在每次计算需求量时相应减去该延时带来的进料和进水偏差量；另一种更高精度的方法是更换泵与阀门，将定频泵更换为变频泵，将开关阀更换为调节阀，通过PID调节控制进料和进水量[9]，可以在接近目标时逐步降低泵转速和关小调节阀开度，最终使进料和进水量准确控制在目标值。

4.3 多物料工况

由于添加剂的种类多种多样，部分添加剂可能是多种物料的混合物，如果原料较多，建议选用流量方案，液位方案在原料较多时的耗时和精度偏差都会有较大的增加，所以在成本允许的情况下，多物料配剂选用流量方案是较合理的选择。这种多原料工况应用仅需在基础方案上根据原料数量增加新的进料管，带压物料管线增加流量计和开关阀，无压物料管线增加泵及流量计，分别计算各个物料的进料量，初始化校验完成后启动泵或者打开阀门开始进料，待达到各自计算的进料量时停泵或者关闭阀门，完成配剂。因此，多物料的配剂过程与两种物料的配剂本质上没有区别，只是控制对象增加，根本控制方法没有变化。

4.4 配剂同步使用工况

一般来说，添加剂配剂过程和使用过程宜独立进行，如果由于装置的特殊需求，如只配有一套配剂罐，无备用系统，需要配剂过程和加药过程同步进行[10]，考虑到对浓度的控制，则需要控制流量，在泵管线增加调节阀或可调流量型泵，将稀释水管线开关阀更换为调节阀，按照固定流量比例控制调节阀，保证进料及进水比例符合要求，同步搅拌器运行，使两种物料充分混合均匀，可以一定程度上减少配剂引起的浓度偏差，但是由于控制精度和混合均匀程度的限制，在一定程度上无法避免同步运行时的浓度偏移。

5 方案对比

不同的流程添加剂配剂方案不同，实际应用后也各有优缺点。

对于液位方案，其优点在于控制过程简单，过程计算较简洁，且所需仪表较少，无需配置流量计，相对成本较低，但是该方案也存在配剂精度低，并且其整体的配剂过程耗时较长的不足之处，改进后的低成本高效率方案相比液位方案节约了时间，但由于计量仪表独立，不可避免会带来误差造成配剂精度降低的问题。

对于流量方案，整体而言可以有效提高配剂精度，而且同步运行的方式使配剂过程花费时间较少，每次的进料进水量累积值较容易比对，在必要情况下手动纠偏也较容易实施。然而，伴随着以上优点，无疑需要更大的成本投入，需要增加流量计的使用及控制系统的容量，而高精度方案则以流量方案为根基，优化了进料控制设备，可以使配剂精度达到较高水平，但同时使成本大幅上升。

多物料方案只是基础方案的扩展，根据工况要求进行的变化，同时也可以根据成本和精度需求进行其他方面的调整。同步使用方案则是条件限制下的选择，精度较低，唯一优点是在较低成本的基础上可以不间断连续使用配剂成品。