APC在GE单喷嘴水煤浆气化炉控制中的首次应用

APC在GE单喷嘴水煤浆气化炉控制中的首次应用
晁澄
【期刊名称】《《化工自动化及仪表》》
【年(卷),期】2019(046)010
【总页数】5页(P785-788,805)
【关键词】先进过程控制; GE单喷嘴水煤浆; 气化炉
【作者】晁澄
【作者单位】新能能源有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TH862+.6
随着工业生产过程规模的扩大和复杂性的增加，对关键产品的质量和过程被控变量的波动范围要求越来越严格，常规的PID控制系统已远不能适应工业生产的要求。

先进过程控制(Advanced Process Control，APC)技术以工艺过程分析和数学模
型计算为核心，以工厂控制网络和管理网络为信息载体，使生产过程控制由常规PID控制过渡到多变量模型预测控制，最终实现增强装置运行平稳性和提高装置经济效益的目的[1]。

某水煤浆气化装置的3台气化炉采用的是GE单喷嘴水煤浆气化炉(2开1备)，单
炉的日处理量为2 064t，DCS控制采用YOKOGAWA CS3000系统，APC系统
软件采用YOKOGAWA SMOC软件，硬件采用戴尔服务器，实施工作由本公司
APC技术团队承担。

水煤浆装置APC项目是国内首次将APC应用在GE单喷嘴水煤浆气化炉控制中，以期取得较好的效益。

1 装置工艺说明
1.1 制浆系统和超细磨机
由原料系统送来的直径小于10mm的碎煤经煤称量给料机称量后送入磨煤机，添加剂由添加剂泵计量后送至磨煤机。

磨煤机出来的煤浆通过配浆泵输送至粗浆槽，在粗浆槽内加入界区外来的生产工艺水，粗浆槽内合格的煤浆经过粗浆泵计量后输送至细磨机。

煤浆颗粒不断被磨细，合格的细浆经细磨机上部出浆口筛网过滤后溢出自流至细浆槽，此时的煤浆已被研磨成平均粒径在15～30μm之间的细浆。

通过增加细浆来提高煤浆的堆积效率，进而提高水煤浆的浓度。

1.2 气化系统
来自煤浆槽浓度为58%～62%的煤浆，由煤浆给料泵加压后，经煤浆上游切断阀和煤浆下游切断阀送至工艺烧嘴的内环隙。

空分装置送来的纯度大于99.6%的氧气，由氧气总管放空流量调节阀控制其压力为8.0～8.3MPa。

投料之后氧气经氧气上游切断阀和氧气下游切断阀送入工艺烧嘴的中心环管和外环隙，中心环管的氧气流量由中心氧流量调节阀进行控制。

水煤浆和氧气在工艺烧嘴出口端充分混合雾化后进入气化炉的燃烧室内，在
6.45MPa、约1 250℃条件下进行气化反应。

生成以CO和H2为有效成分的粗合成气。

粗合成气与熔融态灰渣一起向下流动，经过均匀分布激冷水的下降管后进入激冷室的水浴中。

粗合成气从下降管和导气管的环隙间上升，出激冷室去洗涤塔，洗涤后的气体经洗涤塔顶部出口去变换系统。

气化炉激冷室底部黑水送入闪蒸系统处理。

2 APC结构及其实施目标
2.1 APC结构
APC结构框图如图1所示。

图1 APC结构框图
多变量模型预测控制器：以整个生产装置(或装置单元)为对象，根据各操作变量与被控变量间的线性或非线性模型关系，利用先进控制方法对装置实施多变量协调统一的控制，以提高装置运行的平稳性，并在此基础上实现优化控制。

软仪表(工艺计算)：生产过程中一些关键被控变量(特别是质量参数)无法实时在线测量，且在线分析仪价格昂贵、不易维护、存在较大的滞后，为此根据已测量的一些相关变量(如温度、压力及流量等)和工艺设备参数，通过构成某种数学关系来实时推断这些不可测量的关键变量，可以实现产品质量的闭环实时控制。

计算机集成技术包括数据通信技术、DCS监控逻辑及无扰动切换技术等。

其中数据通信技术是指先进控制系统通过专用的数据接口，与生产装置进行实时可靠的双向数据交换，通过调整常规PID控制的给定值或阀位值实现控制功能。

人机界面：先进控制系统提供友好的操作界面以及系统设计、组态、维护、管理、运行监视和调整界面(简称工程师界面)。

2.2 APC实施目标
实施先进控制能够克服扰动和多变量耦合的影响，提高装置的运行平稳性；在卡边操作和不违反约束的情况下，可以增加生产能力、增加高附加值产品收率，实现节能降耗。

稳定生产工况，提高主要工艺参数的平稳性，在保证产品质量的情况下，使关键工艺参数的标准偏差(波动幅度)降低30%以上；优化气化炉炉膛温度，卡边控制CH4产量和CO2产量，实现CO的产率最大化；实现一键自动升降负荷功能；气化炉和洗涤塔底黑水去闪蒸系统流量投用自动控制，实现一键切换和自动泄压复压功能；减轻操作人员劳动强度。

3 APC控制器架构和网络安全策略
3.1 APC控制器架构
水煤浆气化装置的APC由1个主控制器和4个子控制器组成(图2)[2]。

图2 APC控制器架构
3.2 网络安全策略
APC网络结构如图3所示。

气化装置的APC服务器通过YOKOGAWA OPC与DCS通信。

APC服务器完全按照工程师站的防病毒标准进行防护，同外界没有网络连接，杜绝了病毒的传入。

同时，在OPC服务器中设置防火墙来防范和阻止病毒的侵入[1]。

图3 APC网络结构
4 APC投用效果
4.1 自动升降负荷
气化装置根据调度要求需要经常升降负荷，采用APC调整煤浆转速流量的上限实现自动升降负荷，根据约束变量平稳调整氧气总流量和中心氧流量，使气化炉的氧煤比和炉膛温度比手动操作更加稳定。

同时，APC自动升降负荷有利于延长气化炉烧嘴寿命，提高气化炉液位控制和后续系统的稳定性[2]。

4.2 氧煤比和炉膛温度
气化炉的关键控制变量为氧煤比和炉膛温度1、2。

根据煤浆浓度的变化，氧煤比和炉膛温度应该在保证煤渣熔融度合格的情况下，在一定约束范围内根据有效气组成自由调节。

由APC投用前后氧煤比和炉膛温度的对比(表1)可见，投用APC后氧煤比和炉膛温度更加稳定。

表1 APC投用前后氧煤比和炉膛温度对比参数标准方差APC投用前APC投用后标准方差降低百分数/%氧煤比1.906 71.189 537.61炉膛温度14.088 21.645 459.75炉膛温度23.777 41.794 452.50
4.3 CH4和CO2组分
控制洗涤塔出口处合成气中CH4和CO2含量的最终目的是为了提高气化合成气
中CO和H2有效气的组分。

由表2可见，在投用APC后为了保证有效气组分最大化，CH4卡高限优化，CO2往下限优化，且CO2和CH4含量也更加稳定。

表2 APC投用前后CO2和CH4组分对比参数标准方差APC投用前APC投用后标准方差降低百分数/%CO2含量0.464 30.190 558.97CH4含量279.910 9148.658 746.89
4.4 气化炉出口合成气温度
气化炉出口合成气温度由气化炉激冷水和黑水排放循环量控制，可判断带水汽量的大小，理论上可以代替文丘里差压流量指示仪表。

由表3可见，投用APC后气化炉出口合成气温度标准方差有明显降低。

表3 APC投用前后气化炉出口合成气温度对比参数标准方差APC投用前APC投用后标准方差降低百分数/%气化炉出口合成气温度10.605 80.208 265.63气化炉出口合成气温度20.566 00.193 765.78
4.5 气化炉液位和压力
气化炉的液位由气化炉底部出口黑水排放流量和激冷水补水控制，而炉底出口黑水对气化炉带水汽量和洗涤塔的液位影响很大，不易大幅度调节，同时气化炉液位也受负荷高低影响较大，激冷水补水是最有效的控制手段。

由表4可见，投用APC后气化炉液位的控制更加稳定。

表4 APC投用前后气化炉液位对比参数标准方差APC投用前APC投用后标准方差降低百分数/%气化炉液位1.176 10.434 763.04
气化炉压力由洗涤塔出口有效气排放量控制，但是受后续变换合成操控和有效气组成影响，很难控制平稳。

由表5可见，投用APC后气化炉压力更加稳定。

表5 APC投用前后气化炉压力对比参数标准方差APC投用前APC投用后标准方差降低百分数/%气化炉压力0.023 20.014 537.50
4.6 洗涤塔出口合成气温度和洗涤塔液位
洗涤塔出口合成气温度由洗涤塔底高压闪蒸来的灰水和黑水排放循环量控制，理论上循环量低有利于卡高限控制出口合成气温度，但是循环量太低容易堵塞塔底黑水排放系统。

投用APC后洗涤塔出口合成气温度标准方差有明显降低，且平均值有明显升高。

洗涤塔液位在投用APC前由DCS投用自动控制，液位的变化完全由灰水进洗涤塔的流量进行一对一控制。

其缺点是反馈控制导致该液位的鲁棒性较差，当装置产生大干扰时，会出现调节不及时的现象，液位因此会产生一个较大波动。

改为APC 控制之后，虽然由于APC调节频率变慢，稳态状况下的波动增大，但是可以以气化炉排水、冷凝槽补水、激冷水补水及洗涤塔黑水排放等因素的实时变化量作为前馈，灰水进洗涤塔的流量可以进行预调节，避免液位出现大幅度波动，有利于洗涤塔的长期稳定运行。

5 APC效益分析
气化单元的主要效益来自于优化气化炉控制，提高有效气量，降低单位有效气量的煤耗。

具体计算公式为：
纯煤进料量=煤浆流量×煤浆密度×煤浆浓度
单位煤产气量=有效气量/纯煤进料量
有效气量增加=APC投用前后单位煤产气量差值/
APC投用前单位煤产气量×100%
经计算，APC投用后单位煤有效气量增加0.24%，每小时增加有效气量
539.3Nm3。

投用APC后，工艺生产运行参数更加平稳，动设备做功也更加平稳，同时提升了装置自控率，降低了操作人员的劳动强度。

6 结论
6.1 APC控制器提高了装置运行的平稳性，被控变量平稳率平均提升52.55%。

6.2 通过优化氧煤比和炉膛温度，并且对CH4和CO2体积浓度进行卡边控制，增加了有效气的气量。

6.3 实现了装置正常工况下的自动升降负荷，将装置的效益推向最大化。

6.4 气化炉和洗涤塔底黑水去闪蒸系统角阀能够实现一键切换和自动泄压复压功能。

6.5 通过预测控制，气化装置的自控率得到了提升，减轻了操作人员的劳动强度，同时动设备做功也更加稳定，实现了生产装置安稳长满优的目标。

参考文献
【相关文献】
[1] 祈广铎.新能能源气化装置APC项目详细功能设计报告[R].内蒙达旗：新奥股份技术服务有限公司，2018.
[2] 贾利功.新能能源气化装置先进控制项目新能考核验收报告[R].内蒙达旗：新能能源有限公司，2019.。