金銳光

（中國石化上海石油化工股份有限公司，上海200540）

變壓吸附（PSA）技術(shù)是用于分離氣體混合物的新興分離技術(shù)，將原料氣在較高的壓力下通過吸附劑床層，使原料氣中雜質(zhì)組分被選擇性吸附。西南化工研究設(shè)計(jì)院對(duì)UOP技術(shù)進(jìn)行分析后，采用新的工藝，在原裝置上增加閥門的控制設(shè)備，利用高級(jí)語言編程實(shí)現(xiàn)床層的切換，保證系統(tǒng)故障影響最小化，產(chǎn)品流量損失最少化，保證了生產(chǎn)正常運(yùn)行。

1 工藝過程簡介

PSA裝置用于H2提純，其原料是制氫單元來的變換氣，主要成分是H2，其余是CO，CO2，CH4和微量水分，吸附劑是活性碳和分子篩，原料氣在2.5MPa，40℃下通過水分離器除去原料氣中可能夾帶的機(jī)械水，然后進(jìn)入由10個(gè)吸附床及一系列程控閥組成的變壓吸附系統(tǒng)，其中每個(gè)吸附床有8臺(tái)程控閥，PSA系統(tǒng)采用10塔操作，3塔同時(shí)進(jìn)料4次均壓，常壓解吸工藝流程。原料氣由入口端自下而上通過3個(gè)正處于吸附步驟的吸附器，器內(nèi)裝填的吸附劑吸附原料氣中的強(qiáng)吸附組分，弱吸附的氫組分作為產(chǎn)品氣從出口端流出。其余7塔分別進(jìn)行其他步驟的操作，10個(gè)塔交替循環(huán)工作，時(shí)間上相互交錯(cuò)，以此達(dá)到原料氣不斷的輸入，產(chǎn)品氣不斷輸出的目的。廢氣進(jìn)入混合罐和緩沖罐，保證連續(xù)恒壓供爐子作燃料。整個(gè)變壓吸附過程的16個(gè)步驟由PLC控制完成。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

該裝置采用Quantum PLC，通信組件采用冗余配置，為保證系統(tǒng)供電可靠，220V交流電源由市電、UPS同時(shí)供給，經(jīng)雙電源自動(dòng)切換系統(tǒng)到系統(tǒng)電源，共3個(gè)機(jī)柜，采用2臺(tái)DELL工作站為操作站和工程師站，外加1臺(tái)BM85網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)與DCS通信，整個(gè)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)由ModbusPlus連接。

軟件上Quantum PLC采用Concept編程控制軟件，運(yùn)行于WIN2000平臺(tái)上，提供了梯形圖、功能塊圖、順序功能圖、結(jié)構(gòu)化文本、指令列表，每種語言都有一定用途特點(diǎn)，該P(yáng)SA項(xiàng)目采用結(jié)構(gòu)化文本進(jìn)行控制編程，它對(duì)復(fù)雜算法及數(shù)據(jù)處理是最好的解決辦法，類似于Basic或Pascal語言，這在PSA 10個(gè)吸附床壓力、時(shí)間的計(jì)算和子程序調(diào)用等要求上充分體現(xiàn)了其優(yōu)點(diǎn)。硬件、通信模塊和軟件都使維護(hù)得到了簡化，并使培訓(xùn)要求降至最低，Quantum PLC熱備功能能夠在不中斷過程控制的情況下修復(fù)一切故障。

系統(tǒng)監(jiān)控站采用InTouch進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)報(bào)警及報(bào)表打印等，運(yùn)行于Windows2000平臺(tái)上。

因PSA裝置在整個(gè)芳烴裝置中起著非常重要的作用，故要求對(duì)PSA的工藝參數(shù)在DCS中顯示，便于其他裝置的操作控制。芳烴裝置的DCS采用TDC3000系統(tǒng)，其SI卡件可與PLC通過采用Modbus進(jìn)行通信。把DCS與PLC按主從關(guān)系在軟硬件上進(jìn)行地址設(shè)定，然后在DCS的SI卡上建ARRAY點(diǎn)，根據(jù)所需通信的點(diǎn)在PLC中所占的寄存器地址進(jìn)行組態(tài)，并完成通信控制參數(shù)組態(tài)設(shè)置、下裝即可。其中因DCS的Modbus協(xié)議參數(shù)是不可修改的，只能在PLC上對(duì)通信控制參數(shù)進(jìn)行修改，使DCS與PLC控制參數(shù)相一致。

3 控制編程的關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 工藝說明

PSA系統(tǒng)所采用的10塔運(yùn)行，正常情況下3塔同時(shí)進(jìn)料，4次均壓，常壓解吸工藝過程，其余7塔分別進(jìn)行其他步驟的操作，10個(gè)塔交替循環(huán)工作。其中10個(gè)床層按單雙號(hào)分A，B兩個(gè)系列，在特殊情況下A，B系列可單獨(dú)運(yùn)行。

所有過程均由PLC自動(dòng)控制，床層的每一步均按時(shí)序及壓力進(jìn)行控制；調(diào)節(jié)閥的控制除常規(guī)PID外還采用由工藝參數(shù)計(jì)算的超馳控制。

3.2 控制器的秒脈沖實(shí)現(xiàn)

PSA裝置的變壓吸附過程共有16個(gè)步驟，每個(gè)步驟所需時(shí)間根據(jù)原料負(fù)荷及壓力等工藝參數(shù)而定，整個(gè)工藝過程就是一套時(shí)序控制過程。在此過程中時(shí)間基點(diǎn)是秒，而秒基點(diǎn)的正確與否與產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量及吸附劑使用壽命密切相關(guān)。通過編程產(chǎn)生秒脈沖，經(jīng)實(shí)際測(cè)試完全符合PSA裝置控制所需。

3.3 運(yùn)行方式規(guī)劃

為了保證得到連續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)品和解吸氣，PSA裝置對(duì)10床層規(guī)劃了下列兩種運(yùn)行方式，保證故障狀態(tài)下能選擇一種進(jìn)行操作。正常情況下以10－3－4／P方式運(yùn)行，這樣可最小程度減少對(duì)下游裝置的影響。運(yùn)行方式的選擇及工藝參數(shù)見表1所列，各運(yùn)行方式下的裝置參數(shù)見表2所列。

表1 PSA裝置運(yùn)行方式選擇及工藝參數(shù)

表2 各運(yùn)行方式下的裝置參數(shù)

從表2可以看出，在原料處理量相同時(shí)，在9－3－3／P運(yùn)行方式下，循環(huán)周期短，損失最小，故在PLC編程及故障判斷、處理上應(yīng)考慮9－3－3／P運(yùn)行方式。

3.4 運(yùn)行方式中的步位及時(shí)間計(jì)算

為得到連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)品流量，各床層所進(jìn)行的各步驟及其所需時(shí)間，包括調(diào)節(jié)閥開度及時(shí)間必須經(jīng)過計(jì)算，使其在不同負(fù)荷下都能達(dá)到在規(guī)定的壓力下進(jìn)行吸附、解吸，保證產(chǎn)品量及吸附劑的使用壽命。以10－3－4／P運(yùn)行方式為例，設(shè)立10個(gè)步位計(jì)時(shí)器，其步位見表3所列。

表3 10－3－4運(yùn)行方式的步位

根據(jù)負(fù)荷與分周期時(shí)間的關(guān)系式計(jì)算吸附時(shí)間：

式中：qV——原料流量，m3／h，上一分周期的流量作為本分周期原料流量；ta——分周期時(shí)間，s；K1＝5 110 628；K3＝11.4；K2——流量修正系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定，正常情況下K2＝1.0。

當(dāng)原料流量負(fù)荷低于30%（滿負(fù)荷）時(shí)，則取30%（滿負(fù)荷）進(jìn)行吸附時(shí)間的計(jì)算。計(jì)算D2步驟時(shí)間td：

式中：K4＝2×106；K5＝－3.0。計(jì)算t1（F）及t2（F）時(shí)間：

順放調(diào)節(jié)閥的設(shè)定時(shí)間：

式中：K6＝－0.05，此參數(shù)可調(diào)；p——各工藝步驟下的壓力；K30＝0.002MPa（此參數(shù)可調(diào)）。

用不同的時(shí)間t對(duì)應(yīng)的SP值作為順放調(diào)節(jié)閥的給定進(jìn)行順放床泄壓PID調(diào)節(jié)，控制順放調(diào)節(jié)閥PCV10371，PCV10372的開度。

順放調(diào)節(jié)閥給定初始開度：

式中：K7＝2.0（0～10），K8＝0.2（0～5）。

終充調(diào)節(jié)閥的設(shè)定時(shí)間：

式中：K9＝1.1；K31＝0.002MPa（均可調(diào)整）。

調(diào)節(jié)閥給定初始開度：

式中：K10＝0.0（0～10）；K11＝0.3（0～5）。

用不同的時(shí)間t對(duì)應(yīng)的SP值作為終充調(diào)節(jié)閥的給定進(jìn)行終充床升壓的PID調(diào)節(jié)，控制終充調(diào)節(jié)閥PCV10310，PCV10311的開度。

10－3－4運(yùn)行方式和9－3－3運(yùn)行方式時(shí)負(fù)荷與周期時(shí)間的關(guān)系：根據(jù)以上各運(yùn)行方式、步位時(shí)間等計(jì)算控制，整個(gè)PSA裝置在任何情況下都能得到連續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)品流量，保證了后續(xù)裝置的生產(chǎn)運(yùn)行。

4 結(jié)束語

PSA裝置生產(chǎn)工藝、控制方式改進(jìn)所需的系統(tǒng)平臺(tái)是非常重要的，采用西南化工研究設(shè)計(jì)院的新工藝，4次均壓4次升壓，多級(jí)均壓可提高H2回收率，可保證在發(fā)生故障時(shí)盡可能保持更多床層運(yùn)行而不使H2減少造成生產(chǎn)影響。在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品H2回收率基本保持89%。通過PSA裝置的改造，運(yùn)用新工藝、新技術(shù)使PSA裝置可靠性提高，大大簡化操作難度，無論發(fā)生故障需切除床層還是排除故障后恢復(fù)正常運(yùn)行方式，都可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

［1］ 孫艷，蘇偉.變壓吸附法從工業(yè)副產(chǎn)氣制氫制備方法、技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版，2012.

［2］ 李耀，張衛(wèi).焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫操作與維護(hù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］ 吳中俊，黃永紅.可編程序控制器（PLC）原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］ 王明虎，馬太.JX－300X在變壓吸附裝置中的應(yīng)用［J］.石油化工自動(dòng)化，2003，39（03）：62－65.

［5］ 李若巖，李任中，胡惠琴，等.Hollysys分散型控制系統(tǒng)在變壓吸附裝置上的應(yīng)用［J］.石油化工自動(dòng)化，2006，42（02）：69－72.