基于專家系統的天然氣改質優化控制系統設計

張劍

(上?；ぱ芯吭?，上海 200062)

1 概 述

當前中國面臨的能源緊缺與環境惡化問題日益嚴峻，迫使作為傳統高能耗、高污染的燃氣行業由以煤為原料的生產方式向以天然氣等清潔型能源為原料的生產方式轉變。天然氣常壓循環催化裂化改質氣工藝(CCR工藝)是從國外引進的新工藝，與傳統煤制氣相比，改質氣具有清潔無污染的優點。通常1m3的天然氣可改質成3m3符合城市管道煤氣燃燒特性的人工煤氣，大幅節約了天然氣能源的消耗。

CCR工藝的原理是天然氣與水蒸氣在催化劑的作用下，進行轉化反應，生成H2，CO。主要反應集合為

(1)

式(1)的特點是反應過程為吸熱反應，熱量通過天然氣燃燒產生的高溫煙氣提供。整個制氣生產過程由加熱階段和制氣階段循環交替進行。一個完整的循環周期時間為2min。CCR的生產流程如圖1所示。

圖1 CCR的生產流程示意

CCR工藝具有工藝流程短、采用原料廣泛、常壓操作、污染物排放少、生產資源可重復利用等優點，目前國內已有大連、南京、上海、廣州等地進行了技術引進，至今全國共投產生產線14條，年總產能約為1.5×109m3。

2 CCR生產存在的問題

上海浦東煤氣制氣有限公司目前共建成投產4條CCR生產線，根據上海市節能減排工作的要求， 2010年該公司對3號改質生產線做了全面的熱平衡測試，發現當前CCR生產主要存在以下兩個突出的問題：1)缺少適合間歇性生產工藝的在線氣體取樣分析設備，操作人員對改質氣與煙氣的組成比例不能及時掌握，造成調整工藝參數時具有很大的盲目性與滯后性；2)生產過程各類能源損耗較大，節能降耗優化控制方法缺失，針對如何提高天然氣轉化率、降低改質用蒸汽及加熱用空氣使用量，國內外都沒有系統的控制方法能借鑒，操作人員操控缺乏嚴謹性與一致性，生產質量因人而異。

3 在線專家控制系統設計

在線專家控制系統設計開發的目的是為了解決CCR生產中暴露的節能降耗優化控制方法缺失的問題。專家系統軟件采用C#語言進行編寫，包括專家優化子系統、人機界面子系統和OPC客戶端三個部分，軟件通過OPC技術與原有DCS及新增改質氣/煙氣采樣分析系統進行數據交換，在線專家控制系統結構如圖2所示。

其中專家優化子系統由知識庫、數據庫、推理機模塊三部分組成，其中最核心的是知識庫模塊。根據要求專家系統的目標是提高天然氣轉化率，減少未分解水蒸氣潛熱損失以及降低煙氣殘氧量，其中最核心的目標是提高天然氣轉化率。因此，在專家規則的設計上筆者以改質氣中CH4體積分數為調控目標，CH4體積分數越低表示天然氣的轉化率越高，影響CH4體積分數最關鍵的因素是催化劑的狀態，主要包括催化劑的反應溫度、活性、積炭程度、壽命等指標，筆者根據反應的內在基理與操作人員的實際經驗在規則設定上做了如下的設計。

圖2 在線專家控制系統結構示意

3.1 催化劑溫度控制規則

根據CCR生產工藝，加熱階段主要作用是控制改質階段催化劑的初始溫度，保證改質能夠進行充分。催化層溫度是由加熱用天然氣燃燒產生的熱量來提供的，燃燒發生在改質爐前部的燃燒室，通過風量(空氣量)的調節將熱量吹向位于改質爐后部改質室的催化層，在這里風量的主要作用有兩點：作為天然氣的助燃劑，為反應提供熱源；作為催化層溫度的調節手段，控制各點溫度。風量與天然氣的比值稱為BH值。

根據上述特點，筆者設計控制規則分兩步實現，首先找到能為催化層提供足夠熱量的加熱用天然氣量，然后通過風量的調節使催化層各點溫度達到適合反應的溫度。圖3為加熱時改質爐內各點溫度狀態的監控截圖。

圖3 加熱階段爐內溫度分布

根據操作人員經驗，501溫度是衡量加熱量是否足夠的重要標準，由于溫度與熱量的差異，看加熱量是否滿足除了要看501溫度之外還要看增加風量后該點溫度的下降趨勢，若下降緩慢則說明加熱量足夠，可支撐通過風量調節催化層各點溫度，反之則說明加熱量還須增加。

1)加熱天然氣部分的主要控制規則如下：

a)If 501溫度≤預設值 Then 加熱天然氣閥門開度+0.5%。

b)If 501溫度>預設值 and 溫度下降趨勢≥預設值 Then 加熱天然氣閥門開度+0.5%。

c)If 501溫度>預設值 and 溫度下降趨勢<預設值 Then 加熱天然氣閥門開度-0.5%。

根據技術數據，改質使用的氧化鎳催化劑最佳工作溫度區間為700～1000℃。由于催化層較厚，僅依靠507，509，531，533這4點溫度來衡量整個催化層的溫度分布是不夠全面的。另外，催化劑的最佳工作溫度也會隨著催化劑性能的改變而變化，并非一個固定值，對其進行最優值控制是非常困難的，因而筆者在催化層溫度控制上采用的是連續尋優方案，利用計算機循環計算的特點以及新增氣體在線分析數據的優勢，以最終改質氣中CH4體積分數為判斷標準，始終保證使鼓風量的變化向使CH4體積分數降低的方向進行，從而避免進行復雜的建模與計算，簡化控制結構，適合工業場合應用，間接地也可使催化層的溫度向實際狀況下的最優溫度靠近，為操作人員提供參考。

2)風量部分主要控制規則如下：

a)DoBH+0.05。

b)If CH4體積分數<前次CH4體積分數ThenBH+0.05。

c)If CH4體積分數≥前次CH4體積分數ThenBH-0.05。

d)If CH4體積分數≤前次CH4體積分數ThenBH-0.05。

e)If CH4體積分數>前次CH4體積分數Then Exit。

3.2 煙氣殘氧量控制規則計

對于降低煙氣殘氧量，必須結合實際反應需要不能盲目降低，最關鍵的是找到生產所允許的殘氧量最低值。由于O2主要通過風量帶入系統，過量空氣進入系統燃燒后剩余的O2絕大部分被還原態的催化劑吸收，余下部分隨燃燒產生的煙氣排出，即殘氧量，因此風量與殘氧量存在正比關系，由此筆者可以得到使改質氣中CH4體積分數達到最低的風量時相對應系統所允許的殘氧量最低值這一論斷，若低于最低值則不但不能使催化劑性能達到最佳，而且還會出現冒黑煙等損害環境的情況。因此，殘氧量規則與風量規則是相互統一的。

3.3 催化劑活性控制規則

根據改質工藝的特點，在改質階段催化劑會放出所吸收的氧原子，促進天然氣、水蒸氣發生反應，反應吸收大量熱量使催化劑溫度降低。在整個反應周期中催化劑會不斷經歷氧化與還原的過程，即伴隨著溫度的不斷升高與降低。隨著催化劑使用時間變長，活性會逐漸下降，從而發生還原性能不足的情況，影響到天然氣的轉化率。當發生這種情況時系統需要發出警告，通知操作人員盡快停車對催化劑進行整體還原操作。衡量催化劑活性的重要指標是催化劑在加熱階段最高溫度與改質階段最低溫度的差值，差值越小表示活性越差。催化劑活性主要規則如下：

If 催化劑反應溫差<預設值 Then 提示“催化劑活性低于預設值，請進行還原操作”。

3.4 改質水蒸氣控制規則

影響天然氣轉化率的因素，除了催化劑的狀態之外，另一個重要因素是改質階段水蒸氣的量。水蒸氣量過多對整個過程的影響有以下三點：拉低催化層溫度，浪費加熱階段熱量，使催化劑偏離最佳工作溫度；浪費水蒸氣，造成潛熱嚴重損失；浪費天然氣，過快的流速使部分天然氣來不及反應直接被吹到后系統。水蒸氣量過少對過程也有嚴重影響，容易導致催化劑積炭現象。這是由于水蒸氣量相對過少使過量部分的天然氣在高溫無氧環境下生成炭并依附在催化層的尾部，主要危害在于水蒸氣與炭發生水煤氣反應，導致催化層尾部溫度大幅升高，嚴重的會使催化劑融化，直接影響催化劑的性能與壽命。

因此，無論水蒸氣量過多或過少都會對天然氣轉化率產生不利影響，必須結合實際反應需要調節，不能盲目降低或升高。從節能降耗的角度來看，筆者的控制目標應該是使催化劑在不發生積炭的前提下將水蒸氣的使用量降至最低。在方案選擇上同樣采用的是連續尋優的方法，始終保證使水蒸氣量的變化向使CH4體積分數降低的方向進行。根據前面的分析，CH4體積分數的最低值對應著水蒸氣量所允許的最小值，因此該過程間接地也可使水蒸氣量向實際狀況下的最低值靠近，為操作人員提供參考。水蒸氣與天然氣的比值稱為RRS值。主要控制規則如下：

1)If 531溫度-511溫度≤預設值 Then 提示“催化劑積炭，請進行除炭操作”。

2)DoRRS+0.05。

3)If CH4體積分數<前次CH4體積分數ThenRRS+0.05。

4)If CH4體積分數≥前次CH4體積分數ThenRRS-0.05。

5)If CH4體積分數≤前次CH4體積分數ThenRRS-0.05。

6)If CH4體積分數>前次CH4體積分數Then Exit。

在實際設計使用中筆者采用的控制原理如圖4所示，根據上述一系列專家優化控制規則，在線專家控制器在結構上分為加熱量控制模塊、風量控制模塊及蒸汽量控制模塊三個部分，在運行中依次循環執行、滾動優化。其中加熱量控制模塊的程序執行周期與生產周期同步，為2min；風量控制模塊與蒸汽控制模塊的程序執行周期與在線氣體取樣分析系統周期同步，為4min。

圖4 改質水蒸氣控制規則示意

4 專家系統實施效果

經過實際應用，筆者得到專家系統投運后相關生產狀況數據與之前主要數據的對比，見表1所列。

表1 技術經濟參數比較

續表1

通過比較后發現在項目實施后3號改質爐幾乎各項指標均比之前有了提高，節能降耗效果比較明顯。項目的節能降耗主要體現在兩個方面：改質爐整體熱效率的提高，通過計算改質爐可節約標準煤約390t/a；過?？諝鉁p少所帶來的鼓風量降低，所帶來的能耗節約為標準煤180t/a。(以上數據按每條改質生產線年平均投產率58%計算)。

綜上所述，通過該項目的實施，改質爐可實現裝置能耗節約折合標準煤約570t/a，折合原煤855t/a，按目前市場價可節約約50萬元/a，節能減排經濟效益十分可觀。

5 結束語

在基于對天然氣改質反應原理以及豐富現場生產與維護經驗的基礎上設計與開發了天然氣改質節能降耗在線專家控制系統，能夠有效控制天然氣改質生產工藝綜合能耗，滿足情況多變的控制要求，為天然氣改質生產工藝提供了一套創新、自動化程度高的優化控制方案，對同類生產裝置提升節能降耗水平具有示范與指導意義。

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