浅析APC技术在气化水煤浆上的应用

金治东,杨文华

(湖北三宁化工股份有限公司, 湖北枝江 443200)

湖北三宁化工股份有限公司拥有3套气化生产装置。气化装置主要是将原料纯氧和合格的水煤浆通过多喷嘴对置式水煤浆气流床反应器,产生含有CO、CH4及水蒸气等混合物的粗合成气[1]。现有集散控制系统(DCS)虽然能满足一部分自动控制需求,但是针对水煤浆浓度的控制具有一定的局限性,单回路/复杂控制的设计效果并不理想。尤其当煤质变化时,水煤浆浓度发生变化,操作人员不能及时准确地调整,导致气化炉内温度及CH4含量均出现较大波动,无法保证合成气组分的稳定及质量要求。

笔者采用先进过程控制(APC)技术[2],通过数据采集建立水煤浆浓度控制器,对比水煤浆在线浓度与试验分析结果,并设置干扰变量,减少其对系统的干扰,以实现生产指标的“卡边”控制并降低操作人员劳动强度,提高工作效率,节省能源消耗。

1 气化水煤浆制备工艺

目前,在国内大多数气化装置中采用煤和水按照一定配比产生的水煤浆作为原料,水煤浆和纯氧通过4个对称布置在同一水平面的工艺烧嘴,同轴射流进入气化炉内进行反应。水煤浆浓度是气化炉燃烧运行状态的重要指标之一[3],也是磨煤岗位最为关注的控制点。磨煤岗位分布有磨煤机、煤浆槽、煤仓、煤浆输送泵等设备,水煤浆置于煤浆槽中维持供给。原料煤与来自磨煤水槽的磨煤水在磨煤机前端口进行混合后,一起进入磨煤机制浆。磨煤机制备的浓度合格的水煤浆进入磨煤机出料槽,在搅拌器的作用下保持水煤浆浓度稳定,通过底部煤浆输送泵送料至煤浆槽中。在煤浆输送泵进口至煤浆槽的管线上有取样点,对磨煤机出料槽中的水煤浆浓度进行分析,煤浆槽中的水煤浆通过运输送至气化喷嘴,完成整个过程。气化水煤浆制备工艺简图见图1。

图1 气化水煤浆制备工艺简图

2 过程控制现状分析

目前,水煤浆浓度(AP_S_QH_A031102B)经过实验室分析数据得出,气化车间每2 h进行1次取样,磨煤岗位操作人员通过分析数据进行调节,在调节过程中存在以下问题：

(1) 分析数据存在滞后性,不能及时指导气化对磨煤水流量的准确控制,导致气化炉控制氧煤比不能及时调节和升降负荷。

(2) 磨煤岗位操作人员调节水煤浆浓度时,通过1#磨煤机工艺水流量调节(FV_031110)控制,但加入量也是靠经验;若流量计失真或煤质中水含量偏高,则导致无法准确判断数据。

(3) 控制磨煤水流量的操作频次较多,增加了操作人员的操作强度。

3 APC技术控制策略

3.1 数据分析

首先,在气化炉水煤浆浓度取样点位置安装在线浓度分析仪,能够实时监测煤浆槽中的浓度,并对比分析数据(见图2)。由图2可以看出：2023年3月1日—3月21日,水煤浆质量分数试验数据趋势较为稳定,总体在62.07%左右波动,最大偏差为0.48%;在线浓度分析仪有波动情况,水煤浆质量分数总体在61.80%左右波动,最大偏差为0.57%。两者相差较小,趋势一致,认为在线分析仪结果可靠。

(a) 仪器值

(b) 试验值

3.2 水煤浆浓度控制

通过与工艺人员调研分析,将1号磨煤水槽中水煤浆浓度纳入APC,设定给煤量(FT_W031 101)和给水总量(FT_031101_ADD),煤水比在一定范围内控制,建立煤水比与1号煤浆在线浓度控制模型[4],通过预测模型输出煤水比至DCS,在DCS中根据煤水比自动调节废水(FT_031101)和磨煤水(FT_031110)的分配,从而稳定目标煤浆浓度。APC中水煤浆控制器变量对应关系见图3,当出现与分析数据有偏差时或者煤质水含量变化时,人为可操作更改浓度目标值,程序自动进行调节稳定煤浆浓度。

图3 水煤浆控制器变量关系

4 应用效果

气化装置水煤浆浓度控制运用APC技术后,气化炉有效运行周期变长,生产效率提高,水煤浆浓度控制更加稳定,标准差小于3%。磨煤岗位操作频次见表1。由表1可以看出：在气化装置平稳控制的基础下,降低操作频次96%,大大减轻了操作人员的劳动强度,促进了岗位融合。

表1 磨煤岗位操作频次记录表

5 结语

在气化水煤浆浓度控制上,运用APC技术,一方面是将水煤浆浓度控制稳定,避免了更多的人为操作或者不及时操作带来的安全风险[5];另一方面将模型预测和反馈校正有机结合,克服系统内变量强耦合、负荷变化等因素的影响,以及外部原料变化因素,有效解决装置运行过程中的多变量协调优化控制问题,大幅度提高装置的综合自动化水平,降低操作劳动强度。因此APC技术在气化水煤浆的运用上具有深远的推广意义。