HC900混合控制系统在固定床煤气化工艺中的应用

前言

        我国大部分氮肥厂都以煤为原料，采用固定床间歇转化制取水煤气。从80 年代末开始，造气炉基本上都采用PLC作为控制器，由于PLC 简单易用且稳定可靠，因此受到厂家的普遍青睐，但随着技术的进步，造气炉的控制及造气工段的管理由粗放型逐步变为系统型、专家型。因此PLC的局限性就暴露出来，由PLC的设计和结构的特点使其处理数字量的能力非常强，但处理模拟量的能力很弱，计算能力很差。当需要对造气炉进行优化控制、整个工段甚至整个工厂实现系统化管理时，就有必要改变目前这种控制模式。

        针对造气炉控制的深层次要求：造气工序是合成氨生产工艺的龙头，制气的数量和质量直接和氮肥产量相关，而其消耗也占各工序中的大头，因此造气炉的节能降耗意义重大。如果说保证造气炉的安全、稳定运转是其对控制的基本要求的话，那么如何提高产气量、降低两煤耗并使半水煤气成份符合合成氨的需要就成了造气炉控制的深层次要求。

        为了达到这一要求，首先应对造气炉实施全面监控，除制气程控外，有关工艺参数如蒸气总管压力、入炉蒸气流量、上、下行煤气温度夹套水位、气柜高度、炉条机转速、氢氮比乃至鼓风机、废锅等，均应纳入监控范围，使操作人员在控制室内即可对整个生产情况一目了然解，心中有数。为此，我们采用美国Honeywell公司的HC900混合控制系统，在稳定工艺、 安全生产、节能降耗等方面取得了显著的效果。

系统简介：

        Experion Vista/HC900混合控制系统是Honeywell公司最新推出的面向混合过程应用和设备集成控制的开放型控制系统。该系统具备简单方便的组态及控制软件，丰富多彩的画面显示，高度的系统可靠性，方便实用的操作特点，使其推广的速度非常快由精炼设计的先进控制器HC900和采用独立的或与开放的以太网络互联的高性能工作站，组成一套完整的、并能真正满足工业行业从简单到复杂的各种控制应用要求的集散控制系统（DCS）。

        其特性充分体现了高度分散的控制理念，是基于过程数据采集、混合控制（其特殊的设计可同时处理模拟量和逻辑量等混合数据）、批量控制、顺序控制于一体的新一代控制系统，采用积木式结构，面向向对象的图形化工具和完整的运算控制功能库，集成了广泛应用于工业控制现场的过程调节控制、对本地预言的支持和面向用户的接口，极大地方便了用户应用，缩短了产品的二次开发周期。

        其网络结构图为：

在造气炉上的应用：造气炉控制的完整解决方案

         山东某化工厂共有造气炉台数12台（二期），采用一套DCS，以利于综合实施较理想的控制方案。

        造气炉控制是一个以制气循环程控为核心的大系统: 一台Honeywell公司的 HC900混合控制器控制4台造气炉，三台HC900混合控制器控制12台造气炉，风险分散，杜绝因故障全部停炉的麻烦。以27ms的快速逻辑扫描刷新，时间分辨率极高，煤层厚度控制，加热、气化（分为上吹、下吹、二次上吹）、吹净三个阶段的时间控制极为精确，而且时间增减快捷方便，维持了造气炉吹风阶段燃煤层蓄热量与制气阶段吸热量相平衡的滚动优化控制，从而提高了热效率和产气量。

         操作界面：

        细目流程图：

上、下行煤气温度自动调节

         目前炉内温度尚无很好的检测手段进行检测，上、下行煤气温度在一定程度上代表着炉况。此系统能将上、下行煤气温度控制在一定范围内，这样改变入炉蒸汽流量或调整制气循环时间分配才有意义。上、下行煤气温度如下图：

         造气炉的制气循环程控是生产控制的核心，但绝非全部。Honeywell的Experion Vista/HC900混合控制系统的模拟量自动调节能力对造气炉的下列功能控制性能尤为突出。

1、蒸汽总管压力自动调节回路

        对于蒸汽总管供应炉数较多的情况，蒸汽总管压力基本稳定，不会受一两台炉子的影响。但如果供应炉数较少，则在不同时刻需要蒸汽的造气炉台数不同会产生很大干扰，为此我们作了一个回路调节，直接改变调节阀开度，控制蒸汽总管压力在一个很小的范围内波动，将干扰的影响大幅度减小。

2、入炉蒸汽流量自动调节回路

         此系统我们用闭环回路调节系统，充分发挥HC900的模拟量自动调节功能，真正确定入炉蒸汽的量。无论上吹或下吹，都能使入炉蒸汽流量稳定在谋一数值范围内。（数值） 3、造气炉制气循环程控排序控制

 

       为避免造气炉之间争风抢汽发生，必须将各炉吹风开始时刻均匀分配，这里涉及开、停炉的处理、投运的炉数改变及长吹风等问题，本系统有一套完善的顺序控制（SEQUENCE）程序予以解决。

4、氢氮比自动调节

        氢氮比是合成氨的一项重要参数，也是一个著名的控制难题，本文不拟对此展开讨论。当造气工序有了DCS，氢氮比自动调节应在这套DCS上完成。此系统的基本结构与串级调节系统类似，主环是合成塔进口处的氢阀，起调节作用的是造气炉回收时氮比，副环是变换出口处的氢氮比（或氢含量）。此系统不设调节间和加氮时间的调整。

         由于气柜高度对容量滞后影响很大，而半水煤气流量则直接与纯滞后时间有关，因此须将气柜高度和半水煤气流量引进系统，作为自适应控制的依据。

         氢氮比除定值控制外，当其给定值改变后系统最好能较好地跟踪（随动）。这是因为如果合成氨实施全流程优化控制，则须调整氢氮比等重要参数的给定值。

        其他常规PID控制诸如稳定夹套水位、废锅液位、鼓风机转速等在此不作赘述。

结束语

        该厂二期工程投产以来，在工艺的稳定程度的方面：生产稳定，产量稳定，达到并超过原设计生产能力，产生了很好的经济效益；在安全生产方面：生产稳定，降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。