張劍
(上?;ぱ芯吭?,上海 200062)
當(dāng)前中國(guó)面臨的能源緊缺與環(huán)境惡化問(wèn)題日益嚴(yán)峻,迫使作為傳統(tǒng)高能耗、高污染的燃?xì)庑袠I(yè)由以煤為原料的生產(chǎn)方式向以天然氣等清潔型能源為原料的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。天然氣常壓循環(huán)催化裂化改質(zhì)氣工藝(CCR工藝)是從國(guó)外引進(jìn)的新工藝,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1m3的天然氣可改質(zhì)成3m3符合城市管道煤氣燃燒特性的人工煤氣,大幅節(jié)約了天然氣能源的消耗。
CCR工藝的原理是天然氣與水蒸氣在催化劑的作用下,進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng),生成H2,CO。主要反應(yīng)集合為
(1)
式(1)的特點(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?。整個(gè)制氣生產(chǎn)過(guò)程由加熱階段和制氣階段循環(huán)交替進(jìn)行。一個(gè)完整的循環(huán)周期時(shí)間為2min。CCR的生產(chǎn)流程如圖1所示。
圖1 CCR的生產(chǎn)流程示意
CCR工藝具有工藝流程短、采用原料廣泛、常壓操作、污染物排放少、生產(chǎn)資源可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn),目前國(guó)內(nèi)已有大連、南京、上海、廣州等地進(jìn)行了技術(shù)引進(jìn),至今全國(guó)共投產(chǎn)生產(chǎn)線14條,年總產(chǎn)能約為1.5×109m3。
上海浦東煤氣制氣有限公司目前共建成投產(chǎn)4條CCR生產(chǎn)線,根據(jù)上海市節(jié)能減排工作的要求, 2010年該公司對(duì)3號(hào)改質(zhì)生產(chǎn)線做了全面的熱平衡測(cè)試,發(fā)現(xiàn)當(dāng)前CCR生產(chǎn)主要存在以下兩個(gè)突出的問(wèn)題:1)缺少適合間歇性生產(chǎn)工藝的在線氣體取樣分析設(shè)備,操作人員對(duì)改質(zhì)氣與煙氣的組成比例不能及時(shí)掌握,造成調(diào)整工藝參數(shù)時(shí)具有很大的盲目性與滯后性;2)生產(chǎn)過(guò)程各類能源損耗較大,節(jié)能降耗優(yōu)化控制方法缺失,針對(duì)如何提高天然氣轉(zhuǎn)化率、降低改質(zhì)用蒸汽及加熱用空氣使用量,國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有系統(tǒng)的控制方法能借鑒,操作人員操控缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性與一致性,生產(chǎn)質(zhì)量因人而異。
在線專家控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的目的是為了解決CCR生產(chǎn)中暴露的節(jié)能降耗優(yōu)化控制方法缺失的問(wèn)題。專家系統(tǒng)軟件采用C#語(yǔ)言進(jìn)行編寫,包括專家優(yōu)化子系統(tǒng)、人機(jī)界面子系統(tǒng)和OPC客戶端三個(gè)部分,軟件通過(guò)OPC技術(shù)與原有DCS及新增改質(zhì)氣/煙氣采樣分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,在線專家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
其中專家優(yōu)化子系統(tǒng)由知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、推理機(jī)模塊三部分組成,其中最核心的是知識(shí)庫(kù)模塊。根據(jù)要求專家系統(tǒng)的目標(biāo)是提高天然氣轉(zhuǎn)化率,減少未分解水蒸氣潛熱損失以及降低煙氣殘氧量,其中最核心的目標(biāo)是提高天然氣轉(zhuǎn)化率。因此,在專家規(guī)則的設(shè)計(jì)上筆者以改質(zhì)氣中CH4體積分?jǐn)?shù)為調(diào)控目標(biāo),CH4體積分?jǐn)?shù)越低表示天然氣的轉(zhuǎn)化率越高,影響CH4體積分?jǐn)?shù)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),筆者根據(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)定上做了如下的設(shè)計(jì)。
圖2 在線專家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
根據(jù)CCR生產(chǎn)工藝,加熱階段主要作用是控制改質(zhì)階段催化劑的初始溫度,保證改質(zhì)能夠進(jìn)行充分。催化層溫度是由加熱用天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量來(lái)提供的,燃燒發(fā)生在改質(zhì)爐前部的燃燒室,通過(guò)風(fēng)量(空氣量)的調(diào)節(jié)將熱量吹向位于改質(zhì)爐后部改質(zhì)室的催化層,在這里風(fēng)量的主要作用有兩點(diǎn):作為天然氣的助燃劑,為反應(yīng)提供熱源;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為BH值。
根據(jù)上述特點(diǎn),筆者設(shè)計(jì)控制規(guī)則分兩步實(shí)現(xiàn),首先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)量的調(diào)節(jié)使催化層各點(diǎn)溫度達(dá)到適合反應(yīng)的溫度。圖3為加熱時(shí)改質(zhì)爐內(nèi)各點(diǎn)溫度狀態(tài)的監(jiān)控截圖。
圖3 加熱階段爐內(nèi)溫度分布
根據(jù)操作人員經(jīng)驗(yàn),501溫度是衡量加熱量是否足夠的重要標(biāo)準(zhǔn),由于溫度與熱量的差異,看加熱量是否滿足除了要看501溫度之外還要看增加風(fēng)量后該點(diǎn)溫度的下降趨勢(shì),若下降緩慢則說(shuō)明加熱量足夠,可支撐通過(guò)風(fēng)量調(diào)節(jié)催化層各點(diǎn)溫度,反之則說(shuō)明加熱量還須增加。
1)加熱天然氣部分的主要控制規(guī)則如下:
a)If 501溫度≤預(yù)設(shè)值 Then 加熱天然氣閥門開(kāi)度+0.5%。
b)If 501溫度>預(yù)設(shè)值 and 溫度下降趨勢(shì)≥預(yù)設(shè)值 Then 加熱天然氣閥門開(kāi)度+0.5%。
c)If 501溫度>預(yù)設(shè)值 and 溫度下降趨勢(shì)<預(yù)設(shè)值 Then 加熱天然氣閥門開(kāi)度-0.5%。
根據(jù)技術(shù)數(shù)據(jù),改質(zhì)使用的氧化鎳催化劑最佳工作溫度區(qū)間為700~1000℃。由于催化層較厚,僅依靠507,509,531,533這4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。另外,催化劑的最佳工作溫度也會(huì)隨著催化劑性能的改變而變化,并非一個(gè)固定值,對(duì)其進(jìn)行最優(yōu)值控制是非常困難的,因而筆者在催化層溫度控制上采用的是連續(xù)尋優(yōu)方案,利用計(jì)算機(jī)循環(huán)計(jì)算的特點(diǎn)以及新增氣體在線分析數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì),以最終改質(zhì)氣中CH4體積分?jǐn)?shù)為判斷標(biāo)準(zhǔn),始終保證使鼓風(fēng)量的變化向使CH4體積分?jǐn)?shù)降低的方向進(jìn)行,從而避免進(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)場(chǎng)合應(yīng)用,間接地也可使催化層的溫度向?qū)嶋H狀況下的最優(yōu)溫度靠近,為操作人員提供參考。
2)風(fēng)量部分主要控制規(guī)則如下:
a)DoBH+0.05。
b)If CH4體積分?jǐn)?shù)<前次CH4體積分?jǐn)?shù)ThenBH+0.05。
c)If CH4體積分?jǐn)?shù)≥前次CH4體積分?jǐn)?shù)ThenBH-0.05。
d)If CH4體積分?jǐn)?shù)≤前次CH4體積分?jǐn)?shù)ThenBH-0.05。
e)If CH4體積分?jǐn)?shù)>前次CH4體積分?jǐn)?shù)Then Exit。
對(duì)于降低煙氣殘氧量,必須結(jié)合實(shí)際反應(yīng)需要不能盲目降低,最關(guān)鍵的是找到生產(chǎn)所允許的殘氧量最低值。由于O2主要通過(guò)風(fēng)量帶入系統(tǒng),過(guò)量空氣進(jìn)入系統(tǒng)燃燒后剩余的O2絕大部分被還原態(tài)的催化劑吸收,余下部分隨燃燒產(chǎn)生的煙氣排出,即殘氧量,因此風(fēng)量與殘氧量存在正比關(guān)系,由此筆者可以得到使改質(zhì)氣中CH4體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最低的風(fēng)量時(shí)相對(duì)應(yīng)系統(tǒng)所允許的殘氧量最低值這一論斷,若低于最低值則不但不能使催化劑性能達(dá)到最佳,而且還會(huì)出現(xiàn)冒黑煙等損害環(huán)境的情況。因此,殘氧量規(guī)則與風(fēng)量規(guī)則是相互統(tǒng)一的。
根據(jù)改質(zhì)工藝的特點(diǎn),在改質(zhì)階段催化劑會(huì)放出所吸收的氧原子,促進(jìn)天然氣、水蒸氣發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)吸收大量熱量使催化劑溫度降低。在整個(gè)反應(yīng)周期中催化劑會(huì)不斷經(jīng)歷氧化與還原的過(guò)程,即伴隨著溫度的不斷升高與降低。隨著催化劑使用時(shí)間變長(zhǎng),活性會(huì)逐漸下降,從而發(fā)生還原性能不足的情況,影響到天然氣的轉(zhuǎn)化率。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)系統(tǒng)需要發(fā)出警告,通知操作人員盡快停車對(duì)催化劑進(jìn)行整體還原操作。衡量催化劑活性的重要指標(biāo)是催化劑在加熱階段最高溫度與改質(zhì)階段最低溫度的差值,差值越小表示活性越差。催化劑活性主要規(guī)則如下:
If 催化劑反應(yīng)溫差<預(yù)設(shè)值 Then 提示“催化劑活性低于預(yù)設(shè)值,請(qǐng)進(jìn)行還原操作”。
影響天然氣轉(zhuǎn)化率的因素,除了催化劑的狀態(tài)之外,另一個(gè)重要因素是改質(zhì)階段水蒸氣的量。水蒸氣量過(guò)多對(duì)整個(gè)過(guò)程的影響有以下三點(diǎn):拉低催化層溫度,浪費(fèi)加熱階段熱量,使催化劑偏離最佳工作溫度;浪費(fèi)水蒸氣,造成潛熱嚴(yán)重?fù)p失;浪費(fèi)天然氣,過(guò)快的流速使部分天然氣來(lái)不及反應(yīng)直接被吹到后系統(tǒng)。水蒸氣量過(guò)少對(duì)過(guò)程也有嚴(yán)重影響,容易導(dǎo)致催化劑積炭現(xiàn)象。這是由于水蒸氣量相對(duì)過(guò)少使過(guò)量部分的天然氣在高溫?zé)o氧環(huán)境下生成炭并依附在催化層的尾部,主要危害在于水蒸氣與炭發(fā)生水煤氣反應(yīng),導(dǎo)致催化層尾部溫度大幅升高,嚴(yán)重的會(huì)使催化劑融化,直接影響催化劑的性能與壽命。
因此,無(wú)論水蒸氣量過(guò)多或過(guò)少都會(huì)對(duì)天然氣轉(zhuǎn)化率產(chǎn)生不利影響,必須結(jié)合實(shí)際反應(yīng)需要調(diào)節(jié),不能盲目降低或升高。從節(jié)能降耗的角度來(lái)看,筆者的控制目標(biāo)應(yīng)該是使催化劑在不發(fā)生積炭的前提下將水蒸氣的使用量降至最低。在方案選擇上同樣采用的是連續(xù)尋優(yōu)的方法,始終保證使水蒸氣量的變化向使CH4體積分?jǐn)?shù)降低的方向進(jìn)行。根據(jù)前面的分析,CH4體積分?jǐn)?shù)的最低值對(duì)應(yīng)著水蒸氣量所允許的最小值,因此該過(guò)程間接地也可使水蒸氣量向?qū)嶋H狀況下的最低值靠近,為操作人員提供參考。水蒸氣與天然氣的比值稱為RRS值。主要控制規(guī)則如下:
1)If 531溫度-511溫度≤預(yù)設(shè)值 Then 提示“催化劑積炭,請(qǐng)進(jìn)行除炭操作”。
2)DoRRS+0.05。
3)If CH4體積分?jǐn)?shù)<前次CH4體積分?jǐn)?shù)ThenRRS+0.05。
4)If CH4體積分?jǐn)?shù)≥前次CH4體積分?jǐn)?shù)ThenRRS-0.05。
5)If CH4體積分?jǐn)?shù)≤前次CH4體積分?jǐn)?shù)ThenRRS-0.05。
6)If CH4體積分?jǐn)?shù)>前次CH4體積分?jǐn)?shù)Then Exit。
在實(shí)際設(shè)計(jì)使用中筆者采用的控制原理如圖4所示,根據(jù)上述一系列專家優(yōu)化控制規(guī)則,在線專家控制器在結(jié)構(gòu)上分為加熱量控制模塊、風(fēng)量控制模塊及蒸汽量控制模塊三個(gè)部分,在運(yùn)行中依次循環(huán)執(zhí)行、滾動(dòng)優(yōu)化。其中加熱量控制模塊的程序執(zhí)行周期與生產(chǎn)周期同步,為2min;風(fēng)量控制模塊與蒸汽控制模塊的程序執(zhí)行周期與在線氣體取樣分析系統(tǒng)周期同步,為4min。
圖4 改質(zhì)水蒸氣控制規(guī)則示意
經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用,筆者得到專家系統(tǒng)投運(yùn)后相關(guān)生產(chǎn)狀況數(shù)據(jù)與之前主要數(shù)據(jù)的對(duì)比,見(jiàn)表1所列。
表1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)比較
續(xù)表1
通過(guò)比較后發(fā)現(xiàn)在項(xiàng)目實(shí)施后3號(hào)改質(zhì)爐幾乎各項(xiàng)指標(biāo)均比之前有了提高,節(jié)能降耗效果比較明顯。項(xiàng)目的節(jié)能降耗主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:改質(zhì)爐整體熱效率的提高,通過(guò)計(jì)算改質(zhì)爐可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約390t/a;過(guò)??諝鉁p少所帶來(lái)的鼓風(fēng)量降低,所帶來(lái)的能耗節(jié)約為標(biāo)準(zhǔn)煤180t/a。(以上數(shù)據(jù)按每條改質(zhì)生產(chǎn)線年平均投產(chǎn)率58%計(jì)算)。
綜上所述,通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施,改質(zhì)爐可實(shí)現(xiàn)裝置能耗節(jié)約折合標(biāo)準(zhǔn)煤約570t/a,折合原煤855t/a,按目前市場(chǎng)價(jià)可節(jié)約約50萬(wàn)元/a,節(jié)能減排經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
在基于對(duì)天然氣改質(zhì)反應(yīng)原理以及豐富現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)與維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)了天然氣改質(zhì)節(jié)能降耗在線專家控制系統(tǒng),能夠有效控制天然氣改質(zhì)生產(chǎn)工藝綜合能耗,滿足情況多變的控制要求,為天然氣改質(zhì)生產(chǎn)工藝提供了一套創(chuàng)新、自動(dòng)化程度高的優(yōu)化控制方案,對(duì)同類生產(chǎn)裝置提升節(jié)能降耗水平具有示范與指導(dǎo)意義。
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