固定层间歇式煤气化炉优化控制系统的开发及应用

郑有生，张建勇，丁 伟

(湖北襄阳泽东化工集团有限公司 湖北襄阳 441021)

襄阳泽东化工集团有限公司(以下简称泽东公司)是一家多产品、实行循环经济的化工企业，主要产品的生产能力为硫酸650 kt/a、磷酸一铵610 kt/a、碳酸氢铵140 kt/a、硝酸钠和亚硝酸钠160 kt/a、甲醛30 kt/a、合成氨150 kt/a。泽东公司生产的合成氨大部分供内部使用，少量进入市场销售。

泽东公司的合成氨生产装置主要包括10台Ф 2 800 mm固定层间歇式煤气化炉(以下简称造气炉)、5台160 m3/min压缩机、1套Ф 1 600 mm氨合成装置，配套的变压吸附装置脱碳能力为120 kt/a，碳酸氢铵装置的脱碳能力为30 kt/a，属于中型合成氨生产规模。

1 企业合成氨生产的发展方向

与富(纯)氧连续气化工艺相比，固定层间歇式煤气化属于落后工艺，其单炉生产能力小、气化温度低、原料的气化率和利用率低、能耗高、产生的三废多，已被国家列为淘汰工艺。在低碳经济、两型社会、雾霾治理的国家大战略下，造气炉逐渐式微，行业内预计其生存期在10年左右[1]。

面对当前变化迅速的形势，泽东公司采取了两手抓的措施。一方面成立清洁煤气化技术领导小组，积极考察国内先进的富(纯)氧连续气化工艺，提前收集清洁煤气化技术，招收和培养技术人才，争取发展低碳经济、产能置换的国家政策，并多方面筹集资金，计划在条件成熟时投资兴建大型煤头合成氨装置。另一方面，作为国内128家采用造气炉生产合成氨的企业之一[2]，不仅要维持现有的生产，还要进行技术创新，以达到增产、降耗、节能、减污、增效的目标，造气炉优化控制系统的立项就是泽东公司的应对策略之一。

2 造气炉优化控制系统的攻关目标

2.1 克服造气炉的间歇干扰

造气炉采用间歇制气，间歇制气所引起的对本炉和其他炉的干扰称为间歇干扰。造气炉在1个制气循环(泽东公司为136 s)中，要轮流进行二上吹、吹净、吹回(加煤)、回收、上吹(上吹加氮)、下吹操作，其中吹净、吹回和回收阶段通空气，二上吹、上吹和下吹通蒸汽，而上吹加氮阶段既通蒸汽又加空气。

在实际生产中，一般每5台造气炉共用1台鼓风机通空气，为一个系统。在此系统内，DCS程序已解决了生产炉吹风自动排队问题，即各炉不会发生同时吹风的问题；但上吹加氮用空气存在与其他炉抢风的问题，因此上加炉与其他炉互为干扰，称为上加抢风干扰。

泽东公司有2台互为连通的蒸汽缓冲罐，配置2只调节阀控制加入缓冲罐的部分外供蒸汽以稳压，生产运行的造气炉由缓冲罐供应蒸汽。由于缓冲罐的体积有限，而同时用汽的造气炉数量是不断变化的，抢用或拒止蒸汽会造成缓冲罐压力波动，而调节阀的动作存在滞后现象，故用简单控制系统(PID)控制缓冲罐压力是难以达到理想效果的。由于造气炉间歇用汽和用汽炉数的波动引起缓冲罐压力的波动，造成各炉用汽互相干扰并波及到其他工段和发电汽轮机的背压系统，此种间歇干扰称为用汽炉数波动干扰。

由于泽东公司没有配置不停炉下渣装置，每隔1～2 h需进行停炉、下渣、开炉操作。此外，为保证造气炉安全运行，各炉安装有阀位安全联锁，安全联锁有时会动作，引起停炉和开炉。再者，造气备用炉也会经常开炉补气和停炉备用。间歇式停开炉在停炉、开炉时机不匹配时，也会引起停开炉干扰。

除以上3种间歇干扰外，还存在上吹加氮时间波动干扰、回收(含吹净)时间波动干扰、吹风时间波动干扰等。

间歇干扰是造气炉的固有缺陷，是由自身工艺产生的，对造气炉况的干扰巨大。但间歇干扰是内部产生的，是有规律的，可利用DCS系统进行检测，甚至可以提前预测，因此可以设法消除其影响。

综上所述，造气生产系统主要存在三大干扰，即外供蒸汽波动干扰、煤棒质量波动干扰和间歇干扰。目前，合成氨生产企业都有较充足的蒸汽供造气系统使用，外供蒸汽不是问题，只要克服了各造气炉抢用或拒止蒸汽的间歇干扰，就能消除蒸汽干扰。煤棒质量波动干扰最大，但可从煤炭采购、科学配方和严格管理上加以解决。因此，本文重点探讨间歇干扰的消除。

2.2 完善造气炉外部和内部工艺参数的检测

生产实践表明，对造气炉的有效检测不仅少，而且有些检测到的工艺参数不具有生产指导意义。特别是炉内情况，除了近年来试验成功并投入使用的炭层高度检测外，其他包括最重要的气化层温度和高度只能凭经验保守操作。

本次攻关不准备投入较大的资金，要求采用现有的仪表和DCS系统明确进出造气炉的物料、炉内的温度和高度等工艺参数。

2.3 解决造气炉的稳定和优化问题

解决造气炉的稳定和优化问题的思路：完善检测，了解炉况；克服间歇干扰，稳定炉况；在稳定炉况的基础上，提高气化反应温度，优化炉况。

3 造气炉优化控制系统取得的成果

3.1 进出炉物料检测

3.1.1 检测参数的选择、仪表安装及检测信号的处理

固定层造气系统气化炉数量多、设备大、管道粗，现场比较拥挤，有时连安装仪表的合适直管道都没有。为此，在有合适直管道处安装上吹加氮入炉空气流量计(10台)、风机出口总管空气流量计(2台)和入炉蒸汽流量计(10台)，以达到检测各炉入炉气化剂量的目的。

由于间歇制气的缘故，上述22台流量计检测到的信号不断变化，上下大幅波动，对操作人员而言几乎毫无指导意义。此时就需要采用电脑进行处理，不仅要校准各表的检测值，而且要能够很好地指导操作人员进行生产操作和控制。

有的仪表无法安装(如吹风入炉空气流量计)，但可以利用风机出口总管流量计和其他上吹加氮入炉空气流量计的检测结果通过电脑计算获得，从而生成“入炉空气流量计”。此外，还可以根据加煤时间、炉条机转速，通过电脑计算出入炉煤棒流量和出炉煤渣流量的参考值。

依据上述检测到的参数，可以通过电脑衍生出许多参数和变量以指导生产和控制。

3.1.2 实现检测和计算的参数

目前，已经实现检测和计算的参数包括上吹加氮入炉空气流量(10个)、吹风入炉空气流量(10个)、上吹入炉蒸汽流量(10个)、下吹入炉蒸汽流量(10个)、入炉煤棒流量(10个)、出炉煤渣流量(10个)、入炉空气流量(生成，10个)、入炉蒸汽流量(生成，10个)、入炉上行气流量(生成，10个)和入炉下行气流量(生成，10个)。

3.1.3 衍生参数用于指导生产控制

根据以上检测和计算的参数，还衍生了许多重要的参数，如各炉风汽比、上下气(汽)比、风煤比等，都是炉况和生产控制的重要参数。

3.2 气化层温度和气化层高度的检测

造气炉的一个严重缺陷就是炉内5层工况无法测量，特别是对气化反应最重要的气化层温度和高度无法测量。几十年来，尽管尝试了各种方法(如穿过夹套安装热电偶测试、用红外线技术测试等)，但均未达到长期实用的效果。

立足现有的仪表和DCS系统，尝试利用上行气温度和下行气温度，通过数学模型计算出气化层温度(相对)和气化层高度(相对)，但由于上行气温度和下行气温度只在5层工况稳定以及没有风洞、结疤、垮塌等异常情况下才比较可信，故计算得到的气化层温度和高度也只有在5层工况稳定的情况下才具有比较大的可信度。总的来说，通过数学模型计算得到的气化层高度(相对)比较可信，气化层温度(相对)具有一定的参考性，可以与炉渣成色比对参考。

3.3 控制可以单项控制的工艺参数

可单项控制的工艺参数应先予以控制，包括造气炉夹套汽包液位控制(5套)、显热回收汽包液位控制(2套)、自产蒸汽压力控制(2套)和汽轮机流量控制(2套)。稳定控制这些参数，既可保证安全生产，又可减轻操作人员的劳动强度。

3.4 克服间歇干扰，实现蒸汽缓冲罐压力的优控

如前所述，泽东公司的2台蒸汽缓冲罐是连通的，生产运行中的造气炉会抢用蒸汽或拒止蒸汽，进而产生用汽炉数波动干扰。针对此问题，可采用并级控制系统代替原先的简单控制系统(PID)，即在PID计算的基础上，增加了用汽炉数补偿和外供蒸汽压力补偿，使蒸汽缓冲罐压力达到优控。经优控后，蒸汽缓冲罐压力稳定、毛刺小(毛刺幅度缩小70%左右)，提高了控制质量。只要外供蒸汽压力不低于0.2 MPa，缓冲罐压力在任何时刻都是稳定的，绝不会因入炉蒸汽压力波动而影响炉况，为造气炉运行的稳定和优化创造了条件。

3.5 优化型煤制气的可编程控制程序

泽东公司采用煤棒(型煤)制气，煤棒制气与块煤制气最大的区别是煤棒中含水量和含黏结剂量大，在干燥层易结壳结块，造成通风(汽)阻力大且不均匀，常出现风洞、结疤等现象而使炉况恶化，影响正常生产。

为了解决此问题，采用型煤制气的企业大多采用全上吹技术，实践证明是非常有效的实用技术。在泽东公司的优化控制程序中，既保留了全上吹方案，又增加了比全上吹更灵活、更平衡、更有效的长上吹和上调层方案，使工艺工程师和操作人员面对不同炉况有更多选择。3套方案的多种组合，为型煤制气可编程的优化提供了手段。

3.6 用五大补偿克服间歇干扰

在造气炉间歇制气过程中，会产生许多间歇干扰，如上加抢风干扰；为保证安全生产，有时会采用抑氧操作，即取消或缩短上吹加氮、吹净和回收时间，调节氢氮比时也需要改变回收时间，结果就产生了上加波动干扰和回收(含吹净)波动干扰，这2项干扰不仅影响合成氢氮比，也直接影响气化层温度；另外，为调整炉温而改变吹风时间，但同时会干扰气化层的高度；停开炉的时机不匹配，对气化层温度和高度会产生干扰，有时甚至产生非常严重的干扰。

优化控制项目对以上5种干扰皆实行补偿，即停开炉补偿、上加抢风补偿、上加时间波动补偿、回收(含吹净)时间波动补偿和吹风时间波动补偿。通过五大补偿的作用，可及时纠正5种随机产生的间歇干扰，达到不折不扣执行操作人员设置的吹风给定时间和下吹给定时间，以保持炉况稳定。

3.7 氢氮比智能控制

在合成氨生产工艺流程中，氮气是在造气炉中加入的，而影响合成氨生产的循环气的氢氮比位于工艺流程的末端。从工艺设备上来说，氢氮比控制过程贯穿整个生产流程，任何一个工段都会影响氢氮比，加上泽东公司造气、压缩、碳酸氢铵脱碳和变压吸附脱碳能力的不足、没有备机(炉)，引起加减量和转换工艺流程的次数较多，使氢氮比更加难以控制。从时间上说，氢氮比控制存在较大的滞后问题，经实测，泽东公司纯滞后时间在40～50 min，容量滞后10～20 min。总之，多干扰、大滞后、有累积效应、无自衡性是氢氮比控制的特点和难点。

电脑(DCS控制系统)是最适宜控制氢氮比的，其可以根据开机数、原料气流量计算出原料气在流程中的位置、走向、滞后时间等，掌握整个生产流程中的造气氢(电脑生成的仪表)、变换氢、循环氢和循环甲烷以及它们的偏差，还可以判断造气炉的炉况，寻找回收时间基值和变换氢基值，根据三氢总偏差控制各炉的回收时间(含吹净和上加折回收的时间)。

造气炉优化控制项目中的氢氮比控制采用全装置氢平衡的原理，以三氢总偏差为控制对象，用串级控制系统应对大滞后，加上众多的智能检测，使整个控制系统达到优化、实用、适应性强的目的。目前，循环氢合格率由原来的80%提高至100%，优控率由原来的60%提高至90%以上，为泽东公司的增产、降耗贡献了力量。

4 尚待改进和深化的内容

(1)由于历史的原因，泽东公司的优化控制系统是在德隆公司和中控公司2个DCS控制系统的基础上开发的，2个系统之间的通讯一直未建立，只好用输出输入的方式实现2个系统之间的信息交换。由于通讯的不给力，致使目前只建成了停开炉补偿而没有建成平衡式停开炉，但平衡式停开炉明显优于停开炉补偿。另外，由于输入输出交换信息的误差，也降低了氢氮比控制的质量。

(2)继续研究计算气化层温度(相对)的数学模型，提高检测结果的准确性和代表性。

(3)目前，泽东公司已经达到操作人员手动给定合适的吹风时间和下吹时间，优化控制系统不折不扣执行以达到稳定和优化的目标。在提高气化层温度(相对)检测精度的基础上，逐渐向DCS系统自行给出合适的气化层温度(相对)和气化层高度(相对)，即自动优化炉况的方向发展。

(4)设计、调试出先进实用的控制系统，称之控制调优；在生产中，利用先进的控制系统，使化学反应和生产达到优化的状态，从而增加产量、提高质量、节约能源、减少污染、获取效益，称为工艺调优。控制调优和工艺调优互相促进、共同提高，达到提高生产能力和增加效益的目的。

(5)根据攻关调试的经验和获得的数据，下一步若对设备、工艺进行少量调整，不仅能使优化控制系统大幅提高控制水平和效益，而且能提高造气生产系统生产能力8%以上。