全流程仿真培训系统在SE水煤浆气化制氢装置中的应用

洪波

(中国石化股份有限公司 镇海炼化分公司，浙江 宁波 315200)

全流程仿真培训系统(OTS)即操作员培训仿真系统[1]，可逼真地模拟工厂的开车、停车、正常运行和各种事故过程的现象和操作，是生产装置培训和工艺方案研究的高效手段[2]。同时，OTS还可以检验设计的合理性，复核控制系统的组态，优化工艺方案和控制系统[3]。

SE水煤浆气化制氢装置具有流程长、控制复杂、操作自动化程度高、安全联锁等级要求高等特点[4]。根据水煤浆制氢装置和其他同类装置的对比[5-6]，要顺利、安全地实现SE水煤浆气化制氢装置的开停车和平稳运行，除了仔细地调试控制系统组态，操作人员对气化及配套技术反应机理的理解、对全流程操作过程的熟练程度等均对全装置的安全平稳开车起着关键的作用，进而影响到装置的长周期运行。因此，开发1套SE水煤浆气化制氢装置OTS，对于该气化技术及配套的净化技术的推广和应用具有重要的指导意义。

1 技术方案

1.1 OTS系统架构

SE水煤浆气化制氢OTS采用与实际装置一致的分散控制系统(DCS)操作站作为教员站、学员站和工程师站[7-9]。在同一个局域网上，可以同时运行1台教员站和多台学员操作站，教员站和学员站是采用Windows操作系统，应用TCP/IP协议、以太网连接的多用户、多任务可远程访问的系统。该OTS主要配置了虚拟控制器软件、Dynsim仿真软件以及DCS-OTS接口软件[10-11]，利用虚拟DPU技术，把DCS组态下载到虚拟控制器中，虚拟控制器中的参数点与模型的关键参数点，通过OPC接口进行数据的交互，完成整个系统的构建。OTS软件数据流如图1所示。

1.2 SE水煤浆气化制氢工艺全流程

该系统中采用Dynsim软件模拟已经投产的某SE水煤浆气化制氢装置的工艺流程，根据实际装置的工艺及仪表流程图(P&ID)，工艺流程图(PFD)，热量及物料平衡图(HMB)，煤质分析结果以及设备数据表等资料，对整个装置进行动态模型开发，形成1套SE水煤浆气化制氢OTS。整个装置主要包含气化和净化两部分，并将气化与净化装置的动态模型进行串联。

气化装置工艺流程如图2所示，主要包括： 煤浆输送单元、气化及洗涤单元、除渣单元、灰水处理单元以及公用工程。由于煤质的复杂性和多变性，以及气化炉本身结构及内部反应的复杂性，决定了煤质计算及气化炉反应仿真模拟模块是该模型的核心及实施难点。

净化装置工艺流程如图3所示，主要包括： 一氧化碳变换及酸性气体脱除单元。对于变换单元的模拟，主要涵盖了变换炉、余热回收、凝液汽提、锅炉水制备及开工硫化系统等模型，其中变换炉是核心部分，变换炉部分应用了转化率模型。对于酸性气体脱除单元的模拟，采用了配套的热力学模型，其主要涵盖原料气冷却、酸性气体脱除、中压闪蒸回收有效气、低压闪蒸副产CO2和H2S浓缩、富硫甲醇热再生和尾气洗涤等几大块，各块内容大多以塔器为载体，块与块之间存在频繁热交换，因此本单元的塔、换热器的类型和数量较多，塔和换热器的搭建是仿真模拟的一大难点。

2 OTS应用实例

OTS是基于严格计算的、成熟的动态模拟，有着较高的拟合度，能够较大程度地模拟出实际装置的真实生产过程和生产结果，并能体现工艺控制方案的优劣性，对工艺控制方案的验证和优化有着较大的指导作用。以下详细介绍气化和净化装置中的OTS应用实例。

2.1 气化炉停车过程中黑水温度的变化对黑水角阀选型的影响

2.1.1问题说明

气化炉停车过程中，为保护气化炉激冷环，黑水闪蒸系统须一直运行至气化炉温度降低至安全值。由于正常运行过程中，虽然气化炉内黑水温度高，但是该系统压力也比较高，因此角阀前黑水的汽化率较低。在停车泄压过程中，该系统的压力变化较快，而黑水的温度变化较慢，因此角阀前的汽化率会高于正常工况，而阀前汽化率的大小，直接影响到黑水角阀的选型和使用寿命。

2.1.2原因分析

气化炉停车过程中部分参数变化如图4所示，0时刻为停炉命令触发时刻，从图4可知：

1)停炉之后，由于氧气和煤浆管线氮气吹扫的原因，气化炉压力会稍有上升，极端情况下表压可能升至6.9 MPa左右。

2)气化炉送至黑水闪蒸系统的黑水流量随着气化炉的压力、蒸发热水塔的压力、黑水角阀的开度，在不同的阶段有着不同的变化趋势。

3)气化炉压力曲线斜率的变化要大于黑水温度曲线斜率的变化，说明黑水压力的变化要远快于其温度的变化。

图4 气化炉停车过程中部分参数变化曲线

气化炉泄压过程中高压系统带入蒸发热水塔的热量逐渐减少，停车前期泄压阶段，蒸发热水塔的压力基本可以保持稳定，后期阶段，带入的热量已不能维持其压力，压力呈下降趋势。泄压过程中，当表压降至4.0 MPa时，黑水角阀前黑水开始带汽，说明此时温度已达到对应压力下的饱和温度，随着压力的继续降低，阀前汽化率在表压为2.0 MPa时最高，说明在该压力下，黑水温度不仅达到该压力下的饱和温度，而且相对热量较多，可以汽化更多的水，此时汽化率达到最大。停车过程中不同操作压力下部分参数的变化见表1所列。

表1 停车过程中不同操作压力下部分参数的变化

2.1.3小 结

综上所述，阀前汽化率的大小，直接影响到黑水角阀的选型和使用寿命。黑水角阀的阀前汽化率根据仿真模拟结果不应低于3.66%，在阀门选型时应该考虑该汽化率对阀门通量、材质和使用寿命等的影响。

2.2 绕管换热器出口多股管线材质选择

2.2.1问 题

酸性气体脱除单元变换气进入吸收塔之前一般会设置多股流绕管换热器，与净化气、二氧化碳产品气和尾气换热。考虑到变换气突然中断，换热器无热源，而甲醇循环没有中断，富碳甲醇和富硫甲醇仍然在进一步闪蒸，闪蒸后低至-50 ℃左右的气体进入换热器，在无热源的情况下换热器二氧化碳产品气和尾气温度可能会降低至-45 ℃左右，超过低温碳钢材质耐受极限，而粗氢气出口管线一般也会选用低温碳钢。由于缺少原料气中断后的现场数据，利用OTS模拟原料气中断工况，解决换热器出口粗氢气、二氧化碳产品气与尾气管线选材问题。

2.2.2流程设计

绕管换热器流程设计如图5所示，吸收塔出口-51 ℃的粗氢气经吸收塔三段送往四段的富碳甲醇加热至-20 ℃后进入绕管换热器；再吸收塔闪蒸出的二氧化碳产品气温度为-56.7 ℃直接进入绕管换热器；再吸收塔闪蒸出的尾气温度为-65 ℃，经去往中压闪蒸塔的富硫甲醇换热后温度升至-20 ℃后进入绕管换热器。

图5 绕管换热器流程设计示意

2.2.3原因分析

装置正常运行时粗氢气、尾气及二氧化碳产品气温度稳定在37 ℃左右，设置原料气入口阀门误关，阀门误关后粗氢气、尾气及二氧化碳产品气温度变化趋势如图6所示。

图6 原料气中断后粗氢气、二氧化碳及尾气温度变化示意

2.2.4小 结

通过模拟结果可以看出，原料气中断后二氧化碳和尾气温度最低降至-26 ℃左右，粗氢气温度降至20 ℃左右，粗氢气流量随着原料气中断逐渐减少直至为零，粗氢气无流量时管线相当于不流动存在死区，温度逐渐上升并稳定至25 ℃。由此可见，换热器出口粗氢气管线选用碳钢、二氧化碳管线选用低温碳钢即可。粗氢气管线长度约45 m，管线质量约6 t，相比于不锈钢材质，选用碳钢材质，可节省投资约12万元；二氧化碳管线长度约35 m，管线质量约2.5 t，相比于不锈钢材质，选用低温碳钢材质，可节省投资约8万元。

3 OTS技术优势

该OTS有以下几点技术优势：

1)逼真性。该OTS采用的Dynsim仿真软件基于严格的热力学和流体力学模型，使动态过程模拟计算具有较好的鲁棒性和准确性。Dynsim运用鲁棒性的解决算法和快速的初始化功能，适应于多组分、多变化、有化学反应的复杂体系。在外界干扰或人为干扰条件下使用，参数动态响应的变化趋势符合率达到100%，工艺参数稳态误差不大于2%。

2)高速性。Dynsim仿真软件有一个鲁棒的压力驱动流动算法，适用于可压缩和不可压缩系统。在解算引擎中，Dynsim有先进的数学算法，即基于点的筛选法(Point-based-sorting)，不像传统的序贯法求解引擎，用户无需考虑解算次序而使其收敛，可以实现多个模型的高速分布式计算、动态数据显示和在线修改，满足仿真系统的实时运行需求。

3)连续性。Dynsim仿真软件具有完整的模型库、传递函数库、工具库及控制模型库，可以对装置进行全流程动态模拟，检查精度和收敛情况，保证动态响应时，参数的变化是连续的，没有突变和跳跃。

4 结束语

本文在SE水煤浆气化制氢装置基础上，成功开发了OTS，工艺指导意义显著，可以提升SE水煤浆制氢的综合竞争力，对自动化产业及相关产品也有带动性，其社会效益显著。同时，OTS的应用，提高了工厂运行水平，减少非正常停工次数；提高工人处理突发事故的能力，减少事故带来的经济损失，降低企业的能耗；降低控制系统维护、检验和改造费用，为企业节省大笔开支。

工程设计及标准