智能控制技术在PSA制氢装置中的应用

2016-09-18刘潭

石油化工自动化 2016年4期

关键词：变压程控制氢

刘潭

(中国石油玉门油田分公司炼油化工总厂，甘肃酒泉 735200)

智能控制技术在PSA制氢装置中的应用

刘潭

(中国石油玉门油田分公司炼油化工总厂，甘肃酒泉 735200)

详细介绍了制氢工艺过程中变压吸附(PSA)技术的操作流程，采用I/A Series控制系统应用于PSA制氢装置，设计变压吸附自动控制过程方案，并阐述了该系统的功能及控制方案实现方法。实践证明，智能控制技术在PSA制氢装置中的成功投用，优化了控制过程，取得了良好收益，实现了系统安全运行。

PSA变压吸附技术DCS切塔关键仪表自动控制

中国石油玉门油田炼油化工总厂700 kt/a柴油加氢装置及配套制氢项目顺利投产，控制系统发挥了重要的作用。变压吸附(PSA)制氢装置控制的成功投用，为该厂柴油升级项目的顺利进行提供了可靠的原料来源保证。

PSA是分离气体混合物的一项技术，即在较高压力下进行吸附，在较低压力(甚至真空状态)下使吸附的组分解吸出来，使吸附剂再生出来得以循环使用。由于变压吸附循环周期一般较短，吸附热来不及散失，可供解吸用，吸附热和解吸热引起的床层温度变化很小，可以近似看作等温过程。变压吸附过程是利用吸附剂特性来实现吸附与解吸的，吸附剂在高杂质压下大量吸附原料气中需脱除的某些杂质组分，然后降低杂质的分压使杂质得以解吸，即变压吸附工作状态是在一条吸附等温线上变化。

1　控制过程

该厂制氢装置采用PSA制氢法，控制过程涉及的控制阀门较多，操作时间连续，控制方案复杂，工艺控制过程主要包括吸附、均降、顺放、逆放、冲洗、均升、终升。只有准确控制每个点，才能在安全、平稳的前提下提高氢气的收率，满足生产要求。控制过程如图1所示。

2　控制系统

该厂PSA制氢控制系统采用Foxboro公司I/A Series控制系统，该系统最大特点是软件、硬件和通信系统都广泛采用开放型标准设计，硬件品种少，可靠性高，组态灵活。硬件主要包括：工程站(AW站)、操作员站(WP站)、控制站(CP站)。主要软件包括：

1) IACC系统数据库组态软件，完成控制系统数据库组态(回路定义、控制方案生成)，回路下载与上载管理，在线数据管理等。

2) 系统定义软件，完成控制系统监视硬件组态生成，主要应用于工程师站、操作站的安装。

3) 系统硬件管理软件，主要用于监视系统硬件运行情况，对控制系统网络状况及硬件进行软监视和操作管理，完成故障定位，硬件的更换和复位工作。

4) 流程图组态软件。

5) 历史数据组态与管理软件。

2.1系统功能

依据变压吸附氢提纯单元的控制要求，该单元控制系统采用1套控制系统，并以此为核心构成全部控制与管理功能。

1) 先进的PSA专用软件在某个吸附塔出现故障时，可自动、无扰动地将故障塔切除，转入10塔、9塔、8塔、7塔、6塔运行操作，从而实现装置的在线检修。操作人员可以根据系统提示随时确认切换切塔操作，完成设备应急检修任务，大幅提高了装置运行的可靠性。

2) 关键的升压过程和逆放过程采用了智能的自适应调节控制模式，可保证吸附塔的压力变化过程自动接近于理想压力曲线，该功能可保证吸附、解吸过程的平稳，降低管道气流噪音。

3) 控制软件包可自动实现吸附时间的优化，自动在保证产品合格的情况下提高氢气回收率。

4) 控制系统对所有动力设备和工艺设备进行统一监控，操作简便，并具有完善的产品质量联锁和安全联锁功能。

图1　PSA制氢装置控制过程示意

2.2控制方案实现方法

1) 基本控制功能和原理。该装置的吸附与分离过程均依赖于程控阀门的开关实现切换，因而程控阀门的开关控制是该装置最重要的控制部分，控制过程示意如图2所示。

图2　程控阀开关控制过程示意

2) 控制基本要求。DCS根据工艺要求制订出顺控程序，按一定的时间顺序将24 V(DC)开关信号送至电磁换向阀，电磁换向阀将该开关电信号转换成程控阀的气压信号，驱动程控阀门按程序开、关。同时，程控阀门将其开、关状态通过位置传感器反馈给DCS，用于状态显示和监控，并通过与输出信号的对比实现阀门故障的判断与报警。对于正常运行的吸附塔，程控阀门是禁止手动操作的，即此时手动操作功能无效;在某个吸附塔被切除后，可以手动操作开关该吸附塔的程控阀;公共程控阀只有在PSA运行程序处于停止状态时，才能进行手动操作;在手动操作子窗口下，手动操作该阀门，经过确认后即可打开该阀门。

3) 切塔操作。该装置主流程由10台吸附塔组成。为提高装置运行的连续性和可靠性，控制系统编制了1套自动切塔与恢复程序。即：当某1台吸附塔出现故障时，可将其脱出工作线，让剩余的9个吸附塔转入9塔流程运行。控制程序保证切塔过程压力平稳运行，如果再有1台吸附塔出现故障则可继续切除，转入8塔流程，最多可以切除4个塔，保证6塔运行，当系统发现切除塔过多无法保证平稳运行时，系统进入手动状态，操作人员需要及时调整操作工艺过程，根据工艺要求，选择程序自动运行和手动运行，确保系统安全运行。

4) 切除塔恢复。当被切除塔故障排除后，需要将其重新投入正常运行，但如果投入的时间、状态不对，将引起较大的压力波动和产品纯度变化，甚至可能出现故障和安全事故。为此，该装置设计的自动恢复软件能够自动找出最佳状态恢复，使系统波动最小。DCS控制程序根据各塔的压力状态，自动确定恢复后应进入的最佳运行步序，然后自动等待到该步序的最佳切入时机，切入新程序。

5) 吸附时间参数设置与自动计算。

6) 关键仪表控制。

a) 产品气升压调节HC20301。HC20301调节回路由安装于吸附塔产品气总管上的压力变送器PT20501、吸附塔出口管线上的压力变送器PT20302A/C/E/G/I和PT20402B/D/F/H/J及调节阀HV20501A构成，用于调节吸附塔产品气升压的速度。该调节回路的工作状态将影响装置产品气的稳定。HC20301调节回路有随动调节模式、比例调节模式和手动调节模式，正常情况下采用随动调节模式，操作人员不需要对其进行调节。只有在某吸附塔的压力变送器故障时，才需要操作人员转到比例调节模式工作，手动模式生产中不使用，仅仅用于阀门的调校。

b) 逆放气压力调节HC20501。该调节回路由安装于每台吸附塔总管上的压力变送器PT20302A/C/E/G/I和PT20402B/D/F/H/J及调节阀HV20501构成，用于调节逆放速度，减小逆放气缓冲罐的压力波动和降低逆放过程产生的噪音。该调节回路的工作状态将影响装置解吸气的稳定和再生效果。

c) 顺放罐压力指示调节PIRC20303及PIRC20401(冲洗调节阀)。该调节回路由安装于顺放罐V202A/B出口冲洗总管上的压力变送器PT20303和PT20401及调节阀PV20303和PV20401构成，用于调节冲洗气流量以及顺放过程压力降，是影响PSA装置再生效果的关键调节回路，保证此阶段的流量等于整个冲洗过程的平均流量。

d) 切塔联锁控制。在PSA运行状态下，某吸附塔程控阀报警，同时吸附塔压力曲线异常，操作人员根据当前情况判断故障原因，确定是否切除该塔，程序根据情况作出执行切塔程序，该塔进入人工操作状态。在PSA运行状态下，某吸附塔的原料进气阀KV20301或产品出气阀KV20302与逆放气阀KV20307或冲洗阀KV20308同时开，且该塔压力报警时，则产生该塔切除信号，并立即执行切塔后程序。

7) DCS组态实现方法。按照PSA工艺操作卡片和项目要求，该控制过程主要分为以下模块：

a) PSA流程图画面。主要完成操作人员与控

制系统的交流工作，实现现场流程可视化。

b) 时间设定模块。在操作画面中完成顺放和逆放时间的设定和计时工作。

c) 联锁控制模块。当制氢相关程控阀出现故障时，发出切塔信号，切除该塔操作。

d) 状态判断模块。主要用来确定A至J塔的运行状态，如果为真，发出切除信号。

e) 状态显示模块。主要用来在操作界面告诉用户切除塔的数量及塔的运行状态。

f) 步长计算模块。该程序用于确定A至J塔运行到第几步，从而确定某塔处于什么工艺阶段。

g) 切塔与恢复模块。该程序用于执行塔的切除与恢复操作。