文/晁澄 賈利功

煤氣化變換合成裝置的APC 應(yīng)用——水煤漿氣化變換、合成裝置先進控制項目，是智慧生產(chǎn)示范項目的重要組成之一，該項目旨在通過在合成裝置實施多變量預(yù)測控制技術(shù)，協(xié)調(diào)合成裝置各底層控制回路，在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，提高重要工藝參數(shù)的平穩(wěn)率，降低操作人員勞動強度，實現(xiàn)裝置運行平穩(wěn)?？ㄟ吙刂剖冀K運行在最優(yōu)工藝指標(biāo)下，最終實現(xiàn)降本增效，提高競爭力。

某公司建成投產(chǎn)的60萬t/a甲醇項目，經(jīng)過工藝設(shè)備的改造和操作人員技術(shù)的提高，整套裝置的甲醇產(chǎn)量目前已達(dá)到75萬t/a。隨著企業(yè)用人成本的逐年提高，甲醇成本也在不斷提升。如何降本增效，提升企業(yè)的市場競爭力成為管理者首要考慮的問題。2017年該公司在甲醇精餾裝置進行先進控制（Advanced Process Control，以下簡稱“APC”）試點，在取得成功后開始在變換合成裝置進行了實施。

變換、合成裝置DCS 控制采用某外資品牌系統(tǒng)，操控多為手動控制或簡單的自動控制，自控投用率不高，蒸汽壓力等參數(shù)的波動需要操作人員頻繁干預(yù)，才能保證運行的平穩(wěn)。同時，2 個裝置均有較多的反應(yīng)和換熱過程，裝置的平穩(wěn)性和工藝控制點的合理性對收率、能耗影響較大。為了提高生產(chǎn)效率和降低操作人員的勞動強度，公司開始實施變換合成裝置先進控制APC 項目，APC 系統(tǒng)軟件是Aspen 公司的DMCPlus軟件，硬件是戴爾服務(wù)器，實施工作由新奧股份化工技術(shù)服務(wù)有限公司APC 技術(shù)團隊承擔(dān)，項目的實施也取得了較好的效益。

先進控制范圍和目標(biāo)

先進控制介紹

隨著工業(yè)生產(chǎn)過程規(guī)模的擴大和復(fù)雜性的增加，對關(guān)鍵產(chǎn)品質(zhì)量和過程被控變量的波動范圍要求越來越嚴(yán)格，常規(guī)的PID 控制系統(tǒng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的要求。APC 技術(shù)采用先進的控制理論和控制方法，以工藝過程分析和數(shù)學(xué)模型計算為核心，工廠控制網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)為信息載體，使生產(chǎn)過程控制由原來常規(guī)的PID控制過渡到多變量模型預(yù)測控制，最終實現(xiàn)增強裝置運行的平穩(wěn)性并提高裝置經(jīng)濟效益的目的。

先進控制系統(tǒng)是企業(yè)實現(xiàn)管控一體化的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)信息化與自動化融合的重要手段。先進控制系統(tǒng)通過對裝置工藝操作流程的改進，可以解決常規(guī)PID 控制難以解決的控制問題，在滿足多種約束條件的情況下，保證生產(chǎn)的安全平穩(wěn)，協(xié)調(diào)優(yōu)化整個生產(chǎn)過程。

通過實施先進控制，為操作人員提供了一個方便的工具，它承擔(dān)大多數(shù)常規(guī)操作任務(wù)，可以改善過程動態(tài)控制的性能、減少過程變量的波動幅度，使之能更接近其優(yōu)化目標(biāo)值，從而實現(xiàn)生產(chǎn)裝置的卡邊控制，最終達(dá)到增強裝置運行的穩(wěn)定性、安全性、保證產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性、提高目標(biāo)產(chǎn)品收率、增加裝置處理量、降低運行成本以及減少環(huán)境污染等。

多變量模型預(yù)測控制器：以整個生產(chǎn)裝置（或裝置單元）為對象，根據(jù)各操作變量與被控變量間的線性或非線性模型關(guān)系，利用先進控制方法對裝置實施多變量協(xié)調(diào)統(tǒng)一的控制，以提高裝置運行的平穩(wěn)性，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)優(yōu)化控制。

標(biāo)準(zhǔn)方差：每一個數(shù)與這個數(shù)列的平均值的差的平方和，除以這個數(shù)列的項數(shù)再開根號。它能反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度，對于工藝參數(shù)來說，標(biāo)準(zhǔn)方差越小，工藝參數(shù)越穩(wěn)定。

軟儀表（或工藝計算）：針對生產(chǎn)過程中一些關(guān)鍵被控變量（特別是質(zhì)量參數(shù)）無法實時在線測量，而在線分析儀價格昂貴、不易維護且分析一般存在較大的滯后的特點，根據(jù)已有測量的一些相關(guān)變量（如溫度、壓力、流量等）以及工藝設(shè)備參數(shù)，通過構(gòu)成某種數(shù)學(xué)關(guān)系來實時推斷這些不可測量的關(guān)鍵變量，比如質(zhì)量指標(biāo)，從而實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的閉環(huán)實時控制，見圖1。

數(shù)據(jù)通訊技術(shù)是先進控制系統(tǒng)通過專用的數(shù)據(jù)接口，與生產(chǎn)裝置進行實時、雙向數(shù)據(jù)交換，通過調(diào)整常規(guī)PID 控制的給定值或閥位值實現(xiàn)控制功能。而計算機集成技術(shù)包括數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、DCS 監(jiān)控邏輯以及無擾動切換技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)據(jù)通訊技術(shù)是指先進控制系統(tǒng)通過專用的數(shù)據(jù)接口，與生產(chǎn)裝置進行實時可靠的雙向數(shù)據(jù)交換，通過調(diào)整常規(guī)PID 控制的給定值或閥位值實現(xiàn)控制功能；DCS 監(jiān)控邏輯實現(xiàn)的功能有：（1）監(jiān)控先進控制系統(tǒng)與DCS 通信，一旦通信中斷時及時將各控制回路切出先進控制器，返回到常規(guī)控制狀態(tài)；（2）檢查DCS 回路當(dāng)前狀態(tài)，判斷是否具備投運條件。如具備則將回路狀態(tài)設(shè)置為正確的投運狀態(tài)；如不具備將回路返回常規(guī)狀態(tài)。此外先進控制與常規(guī)PID 控制的切換采用無擾動技術(shù)，切換過程不會對裝置正常運行帶來任何干擾。人機界面指先進控制系統(tǒng)提供友好的操作界面和系統(tǒng)設(shè)計、組態(tài)、維護、管理、運行監(jiān)視和調(diào)整界面(簡稱工程師界面)。

圖1 APC 數(shù)據(jù)控制框圖

先進控制的實施目標(biāo)

實施先進控制能夠克服擾動和多變量耦合的影響，提高裝置的運行平穩(wěn)率，在此基礎(chǔ)上再通過卡邊操作，增加生產(chǎn)能力，及節(jié)能降耗；能夠穩(wěn)定生產(chǎn)工況，提高主要工藝參數(shù)的平穩(wěn)性，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，控制關(guān)鍵工藝參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方差降低30%以上；能夠通過多變量控制器優(yōu)化操作，最大合成氣量，最小化滲透氣排放；能夠降低蒸汽消耗；能夠提高裝置自控率，降低工藝人員操作強度。

裝置工藝說明

變換單元

從煤氣化單元出來的粗煤氣要進入粗煤氣變換單元，在粗煤氣/水分離罐中脫除煤粉和少量的凝液。由于煤粉不能測量，并且對優(yōu)化結(jié)果沒有影響，模型中不對該罐進行模擬。從粗煤氣/水分離罐出來的粗煤氣進入水煤氣廢熱鍋爐，生產(chǎn)1.27 MPaG 的蒸汽，并降溫到215℃左右后，進入第一氣/水分離罐，凝液去凝液罐，其中粗煤氣變換反應(yīng)器分2 段裝填鈷鉬耐硫催化劑。

變換爐旁路的未變換粗煤氣與經(jīng)過變換爐變換后的變換氣在換熱器的下游混合，混合氣在低壓鍋爐給水加熱器預(yù)熱鍋爐給水后，進入低壓廢熱鍋爐生產(chǎn)0.3 MPaG 蒸汽，從低壓廢熱鍋爐出來的氣體進入第二水分離器，氣相在中壓鍋爐給水加熱器預(yù)熱鍋爐給水，而后進入脫鹽水加熱器對除鹽水進行預(yù)熱，最后經(jīng)變換水冷器冷卻后進入洗氨塔，脫除氣體中的氨。脫氨后的氣體進入低溫甲醇洗單元。

低洗單元

來自變換的變換氣進入低溫甲醇洗單元,變換氣經(jīng)原料氣換熱器與凈化氣/CO2產(chǎn)品氣/尾氣換熱冷卻至-15℃以下，再經(jīng)氣/水分離器分離出甲醇水溶液后，干燥的原料氣進入甲醇洗滌吸收塔，經(jīng)冷卻器冷卻，脫除H2S、COS 和CO2，將凈化后的氣送往合成單元。

合成單元

來低溫甲醇洗單元來的新鮮合成氣經(jīng)過合成氣壓縮機、保護床反應(yīng)器和進/出口換熱器進入甲醇合成塔。保護床反應(yīng)器中裝填有機硫水解催化劑，硫化物在此被脫除。合成塔進口溫度由進/出口換熱器的旁路閥控制。但當(dāng)前該旁路閥處于全關(guān)的狀態(tài)，對變換爐的入口溫度沒有控制作用。變換爐的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過換熱器后，降壓到7.83 MPa(G)進入高壓分離器，閃蒸得到的氣相大部分經(jīng)過循環(huán)氣壓縮機升壓后返回到合成塔。

APC 控制策略

APC控制策略

變換合成裝置的APC由1個主控制器和2個子控制器組成：變換合成主控制器、變換單元子控制器、合成單元子控制器，詳見圖2。

控制思路是控制關(guān)鍵工藝參數(shù)平穩(wěn)，減輕操作人員勞動強度；變換合成統(tǒng)一考慮，加入低溫甲醇洗洗滌塔塔控制，控制去合成反應(yīng)的CO2含量，最優(yōu)化合成反應(yīng)氫碳比，優(yōu)化循環(huán)氣量，減少有效氣體排放，提高粗甲醇產(chǎn)量。

圖2 控制器架構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)安全策略

裝置的APC 服務(wù)器，通過OPC 與DCS 通訊。先進控制系統(tǒng)服務(wù)器是和DCS 的工程師站并列，具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖3 所示。APC服務(wù)器完全按照工程師站的防病毒標(biāo)準(zhǔn)進行防護，同外界沒有網(wǎng)絡(luò)連接，基本杜絕了病毒的傳入。同時，在OPC 服務(wù)器中設(shè)置防火墻來防范和阻止病毒的侵入。

APC 投用取得效果

合成反應(yīng)器壓降和循環(huán)氣流量

合成反應(yīng)器壓降和循環(huán)氣流量由變換氣中CO 濃度和凈化氣中CO2濃度控制，理論上在壓縮機負(fù)荷允許的情況下，循環(huán)氣流量越高，合成氣進料量越大。由于循環(huán)氣流量和合成反應(yīng)器壓降對變換氣中CO 濃度和凈化氣中CO2濃度的響應(yīng)比氫碳比快很多。因此，循環(huán)氣流量成為變換合成單元衡量合成反應(yīng)進行是否充分的一個最重要的指標(biāo)，循環(huán)氣流量的大小受循環(huán)氣壓縮機的最大負(fù)荷約束。投用APC 后合成反應(yīng)器壓降和循環(huán)氣流量標(biāo)準(zhǔn)方差有明顯降低，循環(huán)氣流量明顯提高，具體數(shù)據(jù)見表1。

圖3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

惰性氣

惰性氣是凈化氣中氬氣和甲烷氣之和，由滲透氣排放控制，但是相對于合成反應(yīng)器壓力和低洗塔壓力而言，惰性氣的優(yōu)先級較低。在正常工況下，通過調(diào)整C O和CO2濃度，控制合成反應(yīng)氫碳比，進而平衡變換到合成系統(tǒng)壓力。只有當(dāng)系統(tǒng)壓力由惰性氣引起升高時，才通過加大滲透氣排放控制惰性氣含量。投用APC后惰性氣標(biāo)準(zhǔn)方差有所降低詳見表2。

反應(yīng)器熱點溫度

變換反應(yīng)器的關(guān)鍵控制變量為反應(yīng)床層的上部熱點溫度和下部熱點溫度，變換反應(yīng)器熱點溫度主要受 CO 濃度、反應(yīng)器入口溫度、第二床層溫度三個旁路和水汽比影響，由反應(yīng)器入口溫度第二床層溫度調(diào)節(jié)，同時根據(jù)反應(yīng)周期催化劑的活性狀況，適當(dāng)調(diào)整水汽比。在投用 APC 后反應(yīng)器熱點溫度標(biāo)準(zhǔn)方差有明顯降低，詳見表3。

合成氣氫碳比

合成反應(yīng)器入口處氫碳比是合成反應(yīng)一個重要指標(biāo)，它是保證合成反應(yīng)充分進行及最大化粗醇產(chǎn)率得一個重要優(yōu)化指標(biāo)。氫碳比HCR-7002 由變換氣中CO濃度和凈化氣中CO2濃度控制，優(yōu)化方向為氫碳比最小化。同時在滿足氫碳比優(yōu)化控制的情況下，凈化氣中 CO2濃度向控制低限優(yōu)化。但是在實際投用過程中，凈化氣中CO2濃度受貧甲醇液經(jīng)濟性的約束，無法做到實時最小化控制，氫碳比優(yōu)化完全由變換氣中CO濃度調(diào)節(jié)，而CO濃度的最大調(diào)節(jié)量最終受循環(huán)量約束，無法滿足氫碳比優(yōu)化控制目標(biāo)。投用APC后合成反應(yīng)器入口處氫碳比HCR-7002 標(biāo)準(zhǔn)方差有明顯降低，詳見表4。

合成反應(yīng)器壓力

合成反應(yīng)器壓力由滲透氣排放控制，作為滲透氣排放最優(yōu)先控制變量，優(yōu)化方向為卡高限控制，投用 APC 后合成反應(yīng)器壓力標(biāo)準(zhǔn)方差有明顯降低，詳見表5。

入膜氣量和滲透氣壓差

入膜氣量和滲透氣壓差由滲透氣排放和氫壓機入口壓力控制，保證原料氣在膜分離單元的正分離，投用APC后入膜氣量和滲透氣壓差標(biāo)準(zhǔn)方差大幅降低，詳見表6。

去蒸汽加熱爐中壓蒸汽流量

去蒸汽加熱爐中壓蒸汽流量在該控制器里屬于操作變量，以最大化控制作為優(yōu)化目標(biāo)，受蒸汽加熱爐燃料氣閥位約束，高限卡邊控制，投用APC 控制之后，去蒸汽加熱爐得中壓蒸汽流量明顯增大，詳見表7。

表1 合成反應(yīng)器壓降和循環(huán)氣流量的具體數(shù)據(jù)

表2 惰性氣的具體數(shù)據(jù)

表3 反應(yīng)器熱點溫度的具體數(shù)據(jù)

表4 合成氣氫碳比的具體數(shù)據(jù)

表5 合成反應(yīng)器壓力的具體數(shù)據(jù)

表6 入膜氣量和滲透氣壓差的具體數(shù)據(jù)

表7 去蒸汽加熱爐中壓蒸汽流量的具體數(shù)據(jù)

APC 投用效益

變換合成部分效益主要來自最大化合成循環(huán)氣流量，增大合成氣進料量， 使合成氣在反應(yīng)器中充分反應(yīng)，同時減少對有效氣的排放，以單位煤進料生成的產(chǎn)品粗甲醇作為效益評估對象。

投用APC控制之后，通過實時調(diào)整CO濃度和滲透氣排放閥，進合成反應(yīng)器總氣量明顯增加，有效氣排放減少，粗甲醇產(chǎn)量也相應(yīng)提高。其中，純煤進料量=煤漿流量*煤漿密度*煤漿濃度；單位煤生產(chǎn)粗甲醇=粗甲醇流量/（純煤進料量）=FIQ-7013.PV/（純煤進料量），變換合成APC投用后比投用前的單位煤漿提高粗甲醇產(chǎn)率為：（0.8849-0.8782）/0.8782*100%=0.76%。投用APC后，工藝生產(chǎn)運行參數(shù)更加平穩(wěn)，同時提升了裝置自控率，降低了操作人員的操作強度。

結(jié)論

APC 控制器提高了裝置運行的平穩(wěn)性，被控變量平穩(wěn)率平均提升46.6%。同時，通過實時調(diào)整CO 濃度和滲透氣排放閥，進合成反應(yīng)器總氣量明顯增加，有效氣排放減少，粗甲醇產(chǎn)量也相應(yīng)提高。

此外，合成反應(yīng)器入口處氫碳比是保證合成反應(yīng)充分進行及最大化粗醇產(chǎn)率的一個重要優(yōu)化指標(biāo)，氫碳比在一個小范圍內(nèi)波動更加穩(wěn)定。最后，通過預(yù)測控制，裝置的自控率提升，減輕了操作人員的勞動強度，實現(xiàn)生產(chǎn)自動控制安穩(wěn)長滿優(yōu)的目標(biāo)。