先進控制技術在煤制氫裝置中的應用

江鳳月,任錦飛,朱書奔,金曉明

(1.浙江中控軟件技術有限公司，浙江 杭州 310053；2.浙江大學智能系統與控制研究所，浙江 杭州 310027)

0 引言

煤制氫裝置[1]是現階段大量獲得氫氣(H2)的主要方式。煤制氫屬于煤制氣的一種，是通過煤炭與水混合后在純氧的條件下燃燒反應最終制取氫氣。生產過程中，會產生CO和H2，也會放出CO2，目標產物是H2。隨著工業氫氣原料結構的調整，煤制氫裝置在石化煉油廠的應用越來越廣泛。某石化公司為滿足油品加氫改質的需要，設計裝置規模為10萬Nm3/h，工藝主體裝置主要由水煤漿氣化裝置和合成氣凈化裝置兩部分組成。

本文針對煤制氫裝置的生產過程特點與運行要求，提出以多變量預測控制[2-6]和專家控制策略[7]為核心的先進控制技術。該技術可以有效解決典型具有固態特性、設備靈敏度低、放熱強、主要對象為高溫高壓氣體的煤化工裝置控制問題。利用該技術設計的先進控制系統可以解決工藝流程長、不確定擾動較多、能量耦合復雜的多變量、多約束過程的多目標的控制[2-8]與優化問題，提升工藝參數平穩性和裝置產氫率，提高經濟效益。

1 工藝特點與控制需求

煤制氫裝置主要包括水煤漿氣化裝置和凈化裝置。

水煤漿氣化裝置主要包括磨煤制漿、水煤漿氣化和粗渣排放、合成氣洗滌和灰水處理三個單元。氣化裝置以煤為生產原料，與O2、水在高溫高壓下進行氣化反應生成合成氣，并送至凈化裝置處理。在凈化裝置中，氣化裝置生成的粗合成氣，先后通過CO耐硫變換、酸性氣體脫除、甲烷化單元等化學和物理方法進行凈化處理，同時回收系統熱量，并產生合格的H2送至下游用戶；酸性氣體脫除單元產生的富H2S送往硫磺回收裝置，生產出單質硫磺。

煤制氫裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 煤制氫裝置工藝流程圖

煤制氫裝置采用分布式控制系統(distributed control system,DCS)，實現了基礎自動化。根據裝置設計的要求，以及煤渣物化特性和合成氣高溫高壓等特性，生產過程控制還存在以下改進需求。

①根據裝置需氫量確定合適的進料量以及氧煤比。

本裝置的負荷主要由全廠的氫氣需求決定，并受上游的空分裝置供氧影響，負荷變化頻繁。氣化爐的燃燒效率、品質取決于進煤的質量、設備的穩定性以及氣化爐的狀況。常規控制負荷分配隨意性較大、裝置平穩性較差，會造成一定的能量浪費。先進控制系統可以合理分配氣化爐負荷，減少裝置因下游需氫量變化而導致的氫氣放空；同時，其可以通過優化氣化爐反應條件提高裝置產氫率。

②實現氣化公用系統的平穩控制。

本裝置的安全控制要求嚴格，過程控制存在閥門控制精度較差、對象復雜性和非線性以及抗擾動能力差等問題。本裝置部分設備進行較為頻繁的啟停切換，增加了操作人員的勞動強度；公用系統的水經過復雜的循環利用，水平衡的穩定控制會影響整個系統的物料平穩性，并進一步影響煤制氣的產品質量。常規控制存在自動化程度較低、穩定性差等問題。先進控制系統可以根據進煤品質、氣化爐反應狀態，對整個裝置的水平衡進行解耦控制，穩定調節水煤漿的濃度，優化水氣比，實現裝置的平穩過渡。

③實現變換反應的平穩控制。

在變換反應單元中，裝置采用三級反應器串聯，使CO、H2O生成H2、CO2。其中，主要反應發生在第一和第二反應器中。反應器的入口溫度和水氣比控制水平影響反應的深度，氣化單元的穩定性變化對入口溫度和水氣比擾動作用較強，且各變換反應器之間能量耦合較多，進一步增加了入口溫度穩定的控制難度。因此，常規控制難以在控制反應深度的基礎上保持反應系統的平穩控制和能量最大化利用的優化控制。先進控制系統可以根據進料水氣比合理分配各反應器之間的溫升，在穩定CO含量的前提下優化能量網絡，實現裝置的平穩、長周期運行。

④實現甲醇洗單元的平穩控制。

甲醇洗單元主要是對氫氣中的少量硫化物以及CO2進行分離。其中，進料的穩定性、甲醇的品質、醇氣比等因素會影響分離品質，裝置的質量控制要求嚴格。常規控制自動化程度較低，且進料波動時操作人員勞動強度顯著增加，裝置的質量控制也無法精細化，影響了裝置性能的提升。先進控制可以通過穩定進料，提前過濾部分擾動，并根據裝置的負荷進行最優化甲醇溫度、醇氣比控制；同時，利用工藝計算結合在線儀進行精確的質量控制，可提高裝置的自動化程度和平穩性。

2 先進控制技術

2.1 多變量預測控制技術

本裝置的先進控制系統采用浙江中控自主研發的、以模型預測控制算法為核心的APC-Suite軟件，并結合多重控制約束條件的先進控制技術進行實施。多變量預測控制算法利用歷史數據和預測模型預測系統未來的輸出，并按照設定的性能指標函數滾動優化，計算出一系列的控制輸出軌跡，可對具有大時滯、強耦合等控制特點的被控對象進行有效控制。該算法利用當前實際值與模型計算值的比較偏差來修正預測值，能克服擾動和模型失配引起的偏差；在約束范圍內通過對預定的性能指標進行滾動優化，可計算出系統將來的控制作用。以下對預測控制算法作簡要介紹。

預測控制通常采用由過程測試建模得到的階躍響應序列或脈沖響應序列模型[8]，其輸入輸出關系如下：

(1)

式中：ym(k+j)為(k+j)時刻的系統預測輸出,下標m表示模型輸出；u(k+j-i)為(k+j-i)時刻的系統輸入；hi為預測模型脈沖響應序列值，也稱內部模型；N為脈沖響應序列長度；HP為多步輸出預測時域長度。

為克服擾動和模型失配引起的偏差，可采用當前實測值與模型預測值的偏差來修正未來的預測值：

yp(k+j)=ym(k+j)+βj[yk(k)-ym(k)]

(2)

式中：yp(k+j)為校正后的(k+j)時刻的系統預測輸出；ym(k)為k時刻的系統實際輸出；βj為誤差修正系數。

滾動優化的目標函數通常取未來預測值與目標值的二次函數與控制輸入變化量的二次函數之和：

(3)

式中：ySP(k+j) 為(k+j)時刻參考軌跡設定值；Q、R為加權系數，分別表示對跟蹤誤差和控制增量變化的抑制；HC為控制時域長度。

通過在約束條件下求解上述目標函數，可計算出一系列未來的控制輸入，但只實現當前時刻的控制作用；下一控制周期重復上述計算過程。

2.2 專家控制策略

煤制氫裝置不同于常規的精餾裝置，很多被控對象無法確定精確的數學模型，受控對象具有復雜性、非線性和不確定性，難以建立精確的數學模型。應用于流程工業控制的專家控制系統[9]可以引入專家系統的思想、體現先進控制系統的主要特性，能把數學算法和控制工程師的操作經驗融合，最大限度地利用已有知識，達到傳統控制方式難以取得的控制效果。專家控制系統是基于知識的智能控制系統，往往帶有模糊性、不確定性和不完全性。與傳統控制相比，專家控制可以更多地利用先驗知識和在線信息、更注重實時推理和決策能力，能夠取代熟練操作工人完成程序性任務，響應時間足夠快，滿足系統控制的實時需要，運行方便可靠。專家控制系統特別適合操作環境頻繁或劇烈變化、在有限時間間隔內必須作出決策、需要專家經驗或采用符號邏輯解決問題的場合，尤其是典型的煤化工裝置。

APC-Suite軟件自帶數據庫、圖形化控制器設計、腳本編程功能，內置工藝計算方程式、大量的數學公式，可以把優秀的工程師控制經驗和大量的控制決策約束轉化為自動程序控制，更便捷地實現專家控制系統在裝置生產中的應用。

3 先進控制系統

根據煤制氫裝置的生產特點和運行要求，先進控制系統主要實現以下控制目標：①根據裝置需氫量確定裝置負荷，平穩整個裝置的物料流，使氣化爐平穩加減負荷，提高裝置抗擾動能力和自動化程度，實現平穩控制；②穩定裝置進料，優化氣化爐反應參數，提高有效氣產率，降低裝置能耗；③合理控制水氣比，降低氣化裝置擾動傳遞，實現變換單元最優化操作，優化換熱網絡，控制CO含量；④最優化甲醇用量，克服前序工段擾動傳遞，嚴格控制尾氣H2S含量，在排放合格的前提下，降低甲醇洗單元能耗和物耗。

先進控制系統根據煤制氫裝置的工藝特點，在常規控制的基礎上，結合工程師和操作人員優秀的控制經驗，分別建立了氣化公用系統、氣化單元、變換單元、甲醇洗單元四個先進控制器，并根據各單元之間的物料流、能量流關系和各反應器、塔關鍵溫度、液位、在線儀等工藝參數，設定優化控制系統的目標。

3.1 氣化公用系統先進控制

氣化公用系統先進控制主要包含煤進料的平衡穩定控制和整個裝置的水平衡優化控制。

氣化進料系統通過兩套磨煤機磨煤后，進入兩臺煤漿槽進行攪拌，后分三股進料進入三臺氣化爐。進料系統因磨煤機使用壽命、煤漿槽的攪拌器檢修周期較短和裝置負荷變化等原因，導致進料系統設備切換頻繁、選擇多樣性，常規控制無法實現自動化。氣化系統控制過程中，需要用到大量的水參與反應和洗滌固體煤渣，并最終回收部分水進行循環利用，裝置自動化程度較低、抗擾動能力差。裝置的進水和外排水需要綜合判斷氣化單元、其他裝置的供給水、雨水之間的平衡控制。

先進控制在應用多變量模型預測控制器的基礎上，采用多約束和專家控制相結合的方式實現裝置的自動化控制，以穩定裝置進料系統、減輕操作人員勞動強度、提高裝置的平穩性。

①先進控制系統通過判斷和調節磨煤機進料量以及進水量穩定煤漿濃度，再根據裝置的運行情況自動切換磨煤機進煤漿槽的入口和判斷轉運泵的方向。

②根據各個裝置和單元的循環水和外供給水，結合裝置的水面液位平衡實現裝置的水平衡，最優化水進料分配，穩定各設備液位。

3.2 氣化爐單元先進控制

氣化爐單元主要包含三臺氣化爐和對應的三個洗滌塔，煤漿和純氧進入氣化爐進行高溫燃燒反應，生成以CO、CO2、H2為主的合成氣，并用洗滌水洗去煤渣。三臺氣化爐兩開一備。隨著反應的進行，氣化爐會產生結焦、燒穿、溫度表測量不準確、壓差過大等情況，需要進行切爐操作，不斷對燃燒狀態不夠理想的氣化爐進行降低負荷操作。每臺氣化爐的運行周期大約為1個月。氣化爐的控制安全性要求非常高，進料的穩定、氧氣的穩定、進料煤的品質等都會影響燃燒的溫度、轉化氣的有效氣含量等，控制難度非常大。裝置生產負荷需要根據全廠氫氣供給平衡變化來確定，這就帶來了如何在兩臺氣化爐之間進行負荷變化分配以達到最優化控制的難題。先進控制系統的解決方案主要通過專家控制結合工藝計算，實現常規控制中存在的控制難題。

氣化爐專家智能控制器結構如圖2所示。

圖2 氣化爐專家智能控制器結構框圖

3.3 變換單元先進控制

變換反應為放熱反應。本單元的多余能量會利用鍋爐產生的中壓蒸汽和低壓蒸汽進行外供和內耗，能量耦合較多。影響反應效率和熱量平衡的主要因素為合成氣中的水氣比、變換反應入口溫度以及三臺反應器的反應深度分配。

先進控制系統在氣化單元進行降擾動和穩定水氣比的前提下，主要根據裝置的整體能量分布和供給平衡情況進行反應床層溫升和入口溫度設定控制。先進控制器變量主要有：操作變量(一變入口溫度、二變入口溫度、三變入口溫度)；被控變量(變換氣出口CO含量、一變床層溫升、二變床層溫升、三變床層溫升、第一鍋爐閥開度、中壓蒸汽壓力閥開度、低壓蒸汽壓力)；擾動變量(粗合成氣流量和合成氣水氣比計算)。為實現保證反應轉化深度，利用鍋爐產氣量和反應器溫升控制等進行能量最優分配；同時，提高裝置穩定性和降低能耗，延長反應器使用周期。

3.4 甲醇洗單元先進控制

甲醇洗單元的主要控制目的是脫除變換來的合成氣中的CO、CO2、H2S，生成合格的工業氫氣；將放空尾氣中H2S含量控制在10-6級別。該裝置對前序工段帶來的傳遞擾動克服能力較差。

先進控制系統主要根據進料變化來調節主洗和精細甲醇量，以穩定放空尾氣和H2品質，提高分離效率、降低甲醇消耗、提高裝置的平穩性。

①根據進料變化情況控制相應的醇氣比，在此基礎上穩定甲醇循環比、優化各塔吸收以及解析效果；利用物料平衡以及能量平衡，穩定控制再生甲醇濃度、解析后氣體組分以及精洗后甲醇溶劑溫度。

②控制甲醇洗出口H2中CO2等含量、放空CO2和尾氣洗滌塔中的H2S含量，合理分配各段甲醇用量，優化甲醇用量。

③穩定解析塔和再吸收塔壓力，結合工程師的經驗合理利用氮氣量解析H2S，提高各塔分離精度，特別是甲醇水分離塔，穩定甲醇的品質。

式(4)為通過試驗測試法建立的甲醇洗單元控制動態數學模型：

(4)

式中：y1為醇氣比；y2為主洗后甲醇溫度；y3為H2中CO2含量；y4為尾氣洗滌塔放空中H2S含量；y5為CO2放空中H2S含量；u1為主洗甲醇流量；u2為精細甲醇流量；u3為洗硫段甲醇流量；d1為進料量；d2為精細甲醇溫度。

本文只列出關鍵的甲醇洗單元吸收塔控制的傳遞函數模型。為實現甲醇洗單元質量控制，需要建立目標函數，并設計合適的參考軌跡、控制結構，合理選擇控制參數，以滿足多變量控制的約束要求，實現復雜過程控制的動態控制和穩態優化。

4 應用效果

煤制氫裝置先進控制系統投運后，取得了良好的控制效果，提高了裝置整體自動化程度，并極大程度地提升了裝置的經濟性。

①氣化公用系統應用效果對比。

氣化公用系統應用效果對比如圖3所示。

圖3 氣化公用系統應用效果對比

通過實施先進控制技術，氣化公用系統的進料煤漿槽液位(1120LI001A.PV)、水系統的除氧罐液位(1130LI004.PV)以及灰水凝液罐液位(1130LICA002.PV)的平穩性都有較大提升。

②氣化爐應用效果對比。

通過實施先進控制技術，氣化爐的平穩性有了較大提高，氣化爐的氧碳比(1120FFI_325R_1.PV)、CO含量(1130AI_301_1.PV)、CH4含量(1130AI_302.PV)平穩性都有較大提升。氣化爐應用效果如圖4所示。

圖4 氣化爐應用效果對比

③甲醇洗單元應用效果對比。

以甲醇洗單元吸收塔為例說明，先進控制系統投用后，主要工藝參數的平穩性得到了較大改善，標準差平均降低了30%以上。吸收塔應用效果對比如圖5所示。

圖5 吸收塔應用效果對比

圖5給出了先進控制投用前后吸收塔工藝參數的對比情況。圖5中：1220TI_013.PV、1220AI_00.PV和1220AI_007.PV分別是精洗后甲醇溫度、CO2放空中H2S含量和尾氣洗滌塔放空中H2S含量。

5 結束語

煤制氫裝置應用先進控制系統后取得了明顯的成效。先進控制有效克服了裝置負荷波動、單元間擾動傳遞等問題，提高了裝置的自動化程度，提升了裝置的控制水平。從經濟效益方面看，通過先進控制和工藝參數優化，降低了裝置煤單耗1.83%，經測算，年經濟效益可達387萬元。此外，先進控制系統還起到降低操作人員勞動強度的作用，得到了操作人員的認可和歡迎。