上海浦東煤氣制氣有限公司 蔡國(guó)光

提升天然氣改質(zhì)節(jié)能降耗水平的新思路

上海浦東煤氣制氣有限公司 蔡國(guó)光

根據(jù)現(xiàn)有天然氣循環(huán)催化裂解工藝中發(fā)現(xiàn)的不足，從自動(dòng)控制角度提出解決天然氣轉(zhuǎn)化率不高、蒸汽浪費(fèi)較多問(wèn)題的新方法，通過(guò)實(shí)施應(yīng)用有效減少生產(chǎn)過(guò)程中的能源損耗，對(duì)同類(lèi)生產(chǎn)裝置提升節(jié)能降耗水平具有一定示范意義。

天然氣 改質(zhì) 節(jié)能降耗

0 前言

天然氣常壓循環(huán)催化裂化制改質(zhì)氣工藝(簡(jiǎn)稱(chēng)CCR工藝)的原理是天然氣與水蒸氣在催化劑的作用下，進(jìn)行水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成H2、CO。其特點(diǎn)是反應(yīng)過(guò)程為吸熱反應(yīng)，熱量通過(guò)天然氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馓峁?/p>

CCR的生產(chǎn)流程見(jiàn)圖1。

圖1 天然氣改質(zhì)生產(chǎn)流程

與傳統(tǒng)煤制氣相比，改質(zhì)氣具有清潔無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)。通常，將天然氣改質(zhì)成符合城市管道煤氣燃燒特性的人工煤氣，l m3天然氣約可以生產(chǎn)出3 m3改質(zhì)氣，大大節(jié)約天然氣能源的消耗。

當(dāng)前對(duì)于CCR生產(chǎn)裝置效能的改進(jìn)主要是從設(shè)備和催化劑兩個(gè)方面來(lái)展開(kāi)的，本文另辟蹊徑，從控制角度出發(fā)，利用先進(jìn)控制方法(專(zhuān)家控制系統(tǒng))來(lái)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化控制以實(shí)現(xiàn)裝置節(jié)能降耗水平的提高，取得了一定的效果，為CCR工藝的發(fā)展提供了新的思路。

1 CCR工藝存在的問(wèn)題

上海浦東煤氣制氣有限公司目前建成投產(chǎn)4條CCR生產(chǎn)線，為全套引進(jìn)奧地利INTEGRAL公司間歇式常壓循環(huán)催化裂解制氣工藝及技術(shù)，在對(duì)改質(zhì)爐進(jìn)行熱平衡測(cè)試中我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)前CCR工藝進(jìn)一步優(yōu)化主要遇到了以下兩個(gè)難題：一是沒(méi)有直接針對(duì)改質(zhì)氣與煙氣成分的檢測(cè)信號(hào)，缺少相關(guān)在線氣體分析設(shè)備及手段，造成操作人員在調(diào)整工藝參數(shù)時(shí)帶有很大的滯后性與盲目性；二是缺少專(zhuān)用的控制方法，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有相關(guān)的理論與方法能進(jìn)行指導(dǎo)，操控缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性與一貫性，結(jié)果造成波動(dòng)性大，控制質(zhì)量因人而異。為了徹底解決改質(zhì)生產(chǎn)優(yōu)化中暴露的問(wèn)題，上海浦東煤氣制氣有限公司聯(lián)合上?；ぱ芯吭撼袚?dān)了上海申能集團(tuán)的科研攻關(guān)課題，本文將主要介紹課題在節(jié)能降耗專(zhuān)家控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用上的研究成果。

2 專(zhuān)家控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)要求，專(zhuān)家控制系統(tǒng)的目標(biāo)是降低煙氣殘氧量，提高天然氣轉(zhuǎn)化率以及降低生產(chǎn)過(guò)程能耗，在專(zhuān)家控制系統(tǒng)規(guī)則的設(shè)計(jì)上我們以改質(zhì)氣中CH4含量為調(diào)控目標(biāo)，影響CH4含量最關(guān)鍵的因素是催化劑的狀態(tài)，主要包括催化劑的反應(yīng)溫度、活性、積炭程度、壽命等指標(biāo)，根據(jù)反應(yīng)的內(nèi)在基理與操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)在規(guī)則設(shè)定上做了如下設(shè)計(jì)：

2.1 催化劑溫度控制規(guī)則設(shè)計(jì)

根據(jù)CCR生產(chǎn)工藝，催化層溫度靠加熱用天然氣燃燒來(lái)提供，風(fēng)量的主要作用有兩點(diǎn)：一是作為天然氣的助燃劑，為反應(yīng)提供熱源；二是作為催化層溫度的調(diào)節(jié)手段，控制各點(diǎn)溫度。風(fēng)量與天然氣的比值稱(chēng)為BH值。

根據(jù)上述特點(diǎn)，專(zhuān)家控制系統(tǒng)可分兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)，首先是找到能為催化層提供足夠熱量的加熱用天然氣量，然后通過(guò)風(fēng)量調(diào)節(jié)使催化層各點(diǎn)溫度達(dá)到適合反應(yīng)的溫度。下圖為加熱時(shí)改質(zhì)爐內(nèi)各點(diǎn)的溫度狀態(tài)。

圖2 加熱階段爐內(nèi)溫度分布

主要控制規(guī)則如下：

(1)如果改質(zhì)室溫度(TIR_1501)小于等于預(yù)設(shè)值，則加熱天然氣閥門(mén)開(kāi)度調(diào)大0.5%；

(2)如果改質(zhì)室溫度(TIR_1501)大于預(yù)設(shè)值且該點(diǎn)溫度下降趨勢(shì)大于等于預(yù)設(shè)值，則加熱天然氣閥門(mén)開(kāi)度調(diào)大0.5%；

(3)如果改質(zhì)室溫度(TIR_1501)大于預(yù)設(shè)值且該點(diǎn)溫度下降趨勢(shì)小于預(yù)設(shè)值，則加熱天然氣閥門(mén)開(kāi)度調(diào)小0.5%。

由于催化層較厚，僅依靠TIR_507、TIR_509、TIR_531、TIR_533四點(diǎn)溫度來(lái)衡量整個(gè)催化層的溫度分布是不夠全面的，此外催化劑的最佳溫度會(huì)隨著催化劑其他性能的改變而變化，因此我們?cè)诖呋瘜訙囟瓤刂粕喜捎玫氖沁B續(xù)尋優(yōu)的方法，不再以確定的最佳溫度為控制目標(biāo)而以改質(zhì)氣中CH4含量為判斷標(biāo)準(zhǔn)，始終保證風(fēng)量的變化向使CH4含量降低的方向進(jìn)行，這樣可以避免進(jìn)行復(fù)雜的建模與計(jì)算，簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)，適合工業(yè)化應(yīng)用。主要控制規(guī)則如下：

(4)將風(fēng)量與天然氣比值(BH)增加0.05；

(5)如果CH4含量小于前次采樣含量，則將風(fēng)量與天然氣比值(BH)增加0.05；

(6)如果CH4含量大于等于前次采樣含量，則將風(fēng)量與天然氣比值(BH)減小0.05；

(7)如果CH4含量小于等于前次采樣含量，則將風(fēng)量與天然氣比值(BH)減小0.05；

(8)如果CH4含量大于前次采樣含量，則退出本段程序。

2.2 催化劑活性控制規(guī)則設(shè)計(jì)

根據(jù)改質(zhì)工藝特點(diǎn)，在改質(zhì)階段處于還原性氣氛條件下的催化劑會(huì)放出所吸收的氧原子，促進(jìn)天然氣、水蒸汽發(fā)生改質(zhì)反應(yīng)，吸收大量熱量，使催化劑溫度降低。因此，在整個(gè)反應(yīng)周期中催化劑會(huì)不斷經(jīng)歷溫度升高與降低的過(guò)程，但是隨著催化劑使用時(shí)間的變長(zhǎng)，活性逐漸下降，會(huì)發(fā)生還原性能不足的情況。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)需要通知操作人員盡快停車(chē)，進(jìn)行對(duì)催化劑的整體還原操作。相關(guān)的主要控制規(guī)則如下：

如果反應(yīng)溫差大于預(yù)設(shè)值，則提示“催化劑活性低，請(qǐng)進(jìn)行還原操作”。

2.3 改質(zhì)水蒸汽控制規(guī)則設(shè)計(jì)

對(duì)于天然氣轉(zhuǎn)化率的影響，除了催化劑的狀態(tài)之外，另一個(gè)重要因素是在改質(zhì)階段的蒸汽量。蒸汽量過(guò)多對(duì)整個(gè)過(guò)程的影響有以下三點(diǎn)，一是降低催化層的溫度，浪費(fèi)加熱階段熱量，使催化劑偏離最佳工作溫度；二是浪費(fèi)蒸汽，相應(yīng)的潛熱損失嚴(yán)重；三是浪費(fèi)改質(zhì)天然氣，過(guò)快的流速造成部分天然氣來(lái)不及反應(yīng)。蒸汽量過(guò)少則會(huì)引發(fā)催化劑積炭現(xiàn)象，影響催化劑性能與壽命。從節(jié)能降耗的角度來(lái)看，我們的控制目標(biāo)是在催化劑不發(fā)生積炭現(xiàn)象的前提下使蒸汽的使用量盡可能的少。在DCS系統(tǒng)中，蒸汽量的控制是通過(guò)蒸汽與天然氣比值RRS來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在蒸汽量的控制上同樣采用連續(xù)尋優(yōu)的方法。主要控制規(guī)則如下：

(1)如果催化床頂部溫度(TIR_1531)與改質(zhì)爐出口溫度(TIR_1511)之差小于等于預(yù)設(shè)值，則提示“催化劑積炭，請(qǐng)進(jìn)行除炭操作”；

(2)將蒸汽與天然氣比值(RRS)增加0.05；

(3)如果CH4含量小于前次采樣含量，則將蒸汽與天然氣比值(RRS)增加0.05；

(4)如果CH4含量大于等于前次采樣含量，則將蒸汽與天然氣比值(RRS)減小0.05；

(5)如果CH4含量小于前次采樣含量，則將蒸汽與天然氣比值(RRS)減小0.05；；

(6)如果CH4含量大于前次采樣含量，則退出本段程序。

根據(jù)上述一系列的專(zhuān)家控制系統(tǒng)優(yōu)化控制規(guī)則，在實(shí)際使用中我們采用如圖3所示的控制結(jié)構(gòu)框圖，加熱量控制模塊的程序執(zhí)行周期與生產(chǎn)周期同步，風(fēng)量控制模塊與蒸汽控制模塊的程序執(zhí)行周期與取樣分析周期同步。

圖3 專(zhuān)家控制系統(tǒng)控制框圖

3 專(zhuān)家控制系統(tǒng)實(shí)施效果

經(jīng)過(guò)項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)施，CH4含量與O2含量較之前有了明顯進(jìn)步，數(shù)值的波動(dòng)基本保持穩(wěn)定。項(xiàng)目的節(jié)能降耗效果主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

一是改質(zhì)爐整體熱效率的提高，通過(guò)計(jì)算可得通過(guò)熱效率提高改質(zhì)爐全年情況下節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約390 t；

二是過(guò)?？諝鉁p少所帶來(lái)的鼓風(fēng)量降低，通過(guò)計(jì)算可得全年減少鼓風(fēng)量所帶來(lái)的能耗節(jié)約為標(biāo)準(zhǔn)煤180 t。

綜上所述，通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，改質(zhì)爐可實(shí)現(xiàn)能耗節(jié)約折合標(biāo)準(zhǔn)煤約570 t/y，折合原煤855 t/y，按市場(chǎng)價(jià)750元/t來(lái)計(jì)每年可節(jié)約人民幣64萬(wàn)元，節(jié)能減排經(jīng)濟(jì)效益可觀。

New Ideas of Improving the Energy Saving Level in the Natural Gas Reforming Process

Shanghai Pudong Gas Manufacturing Co., Ltd. Cai Guoguang

By analyzing the deficiency in the natural gas deep catalytic cracking process, from the perspective of automation control, the paper introduces the new methods of improving the efficiency of natural gas conversion and reducing steam consumption as well, which can be as a reference for the devices of the same kind.

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