智能控制技術在PSA制氫裝置中的應用

劉潭

(中國石油玉門油田分公司 煉油化工總廠，甘肅 酒泉 735200)

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智能控制技術在PSA制氫裝置中的應用

劉潭

(中國石油玉門油田分公司 煉油化工總廠，甘肅 酒泉 735200)

詳細介紹了制氫工藝過程中變壓吸附(PSA)技術的操作流程，采用I/A Series控制系統應用于PSA制氫裝置，設計變壓吸附自動控制過程方案，并闡述了該系統的功能及控制方案實現方法。實踐證明，智能控制技術在PSA制氫裝置中的成功投用，優化了控制過程，取得了良好收益，實現了系統安全運行。

PSA變壓吸附技術DCS切塔關鍵儀表自動控制

中國石油玉門油田煉油化工總廠700 kt/a柴油加氫裝置及配套制氫項目順利投產，控制系統發揮了重要的作用。變壓吸附(PSA)制氫裝置控制的成功投用，為該廠柴油升級項目的順利進行提供了可靠的原料來源保證。

PSA是分離氣體混合物的一項技術，即在較高壓力下進行吸附，在較低壓力(甚至真空狀態)下使吸附的組分解吸出來，使吸附劑再生出來得以循環使用。由于變壓吸附循環周期一般較短，吸附熱來不及散失，可供解吸用，吸附熱和解吸熱引起的床層溫度變化很小，可以近似看作等溫過程。變壓吸附過程是利用吸附劑特性來實現吸附與解吸的，吸附劑在高雜質壓下大量吸附原料氣中需脫除的某些雜質組分，然后降低雜質的分壓使雜質得以解吸，即變壓吸附工作狀態是在一條吸附等溫線上變化。

1　控制過程

該廠制氫裝置采用PSA制氫法，控制過程涉及的控制閥門較多，操作時間連續，控制方案復雜，工藝控制過程主要包括吸附、均降、順放、逆放、沖洗、均升、終升。只有準確控制每個點，才能在安全、平穩的前提下提高氫氣的收率，滿足生產要求。控制過程如圖1所示。

2　控制系統

該廠PSA制氫控制系統采用Foxboro公司I/A Series控制系統，該系統最大特點是軟件、硬件和通信系統都廣泛采用開放型標準設計，硬件品種少，可靠性高，組態靈活。硬件主要包括： 工程站(AW站)、操作員站(WP站)、控制站(CP站)。主要軟件包括：

1) IACC系統數據庫組態軟件，完成控制系統數據庫組態(回路定義、控制方案生成)，回路下載與上載管理，在線數據管理等。

2) 系統定義軟件，完成控制系統監視硬件組態生成，主要應用于工程師站、操作站的安裝。

3) 系統硬件管理軟件，主要用于監視系統硬件運行情況，對控制系統網絡狀況及硬件進行軟監視和操作管理，完成故障定位，硬件的更換和復位工作。

4) 流程圖組態軟件。

5) 歷史數據組態與管理軟件。

2.1系統功能

依據變壓吸附氫提純單元的控制要求，該單元控制系統采用1套控制系統，并以此為核心構成全部控制與管理功能。

1) 先進的PSA專用軟件在某個吸附塔出現故障時，可自動、無擾動地將故障塔切除，轉入10塔、9塔、8塔、7塔、6塔運行操作，從而實現裝置的在線檢修。操作人員可以根據系統提示隨時確認切換切塔操作，完成設備應急檢修任務，大幅提高了裝置運行的可靠性。

2) 關鍵的升壓過程和逆放過程采用了智能的自適應調節控制模式，可保證吸附塔的壓力變化過程自動接近于理想壓力曲線，該功能可保證吸附、解吸過程的平穩，降低管道氣流噪音。

3) 控制軟件包可自動實現吸附時間的優化，自動在保證產品合格的情況下提高氫氣回收率。

4) 控制系統對所有動力設備和工藝設備進行統一監控，操作簡便，并具有完善的產品質量聯鎖和安全聯鎖功能。

圖1　PSA制氫裝置控制過程示意

2.2控制方案實現方法

1) 基本控制功能和原理。該裝置的吸附與分離過程均依賴于程控閥門的開關實現切換，因而程控閥門的開關控制是該裝置最重要的控制部分，控制過程示意如圖2所示。

圖2　程控閥開關控制過程示意

2) 控制基本要求。DCS根據工藝要求制訂出順控程序，按一定的時間順序將24 V(DC)開關信號送至電磁換向閥，電磁換向閥將該開關電信號轉換成程控閥的氣壓信號，驅動程控閥門按程序開、關。同時，程控閥門將其開、關狀態通過位置傳感器反饋給DCS，用于狀態顯示和監控，并通過與輸出信號的對比實現閥門故障的判斷與報警。對于正常運行的吸附塔，程控閥門是禁止手動操作的，即此時手動操作功能無效;在某個吸附塔被切除后，可以手動操作開關該吸附塔的程控閥;公共程控閥只有在PSA運行程序處于停止狀態時，才能進行手動操作;在手動操作子窗口下，手動操作該閥門，經過確認后即可打開該閥門。

3) 切塔操作。該裝置主流程由10臺吸附塔組成。為提高裝置運行的連續性和可靠性，控制系統編制了1套自動切塔與恢復程序。即： 當某1臺吸附塔出現故障時，可將其脫出工作線，讓剩余的9個吸附塔轉入9塔流程運行。控制程序保證切塔過程壓力平穩運行，如果再有1臺吸附塔出現故障則可繼續切除，轉入8塔流程，最多可以切除4個塔，保證6塔運行，當系統發現切除塔過多無法保證平穩運行時，系統進入手動狀態，操作人員需要及時調整操作工藝過程，根據工藝要求，選擇程序自動運行和手動運行，確保系統安全運行。

4) 切除塔恢復。當被切除塔故障排除后，需要將其重新投入正常運行，但如果投入的時間、狀態不對，將引起較大的壓力波動和產品純度變化，甚至可能出現故障和安全事故。為此，該裝置設計的自動恢復軟件能夠自動找出最佳狀態恢復，使系統波動最小。DCS控制程序根據各塔的壓力狀態，自動確定恢復后應進入的最佳運行步序， 然后自動等待到該步序的最佳切入時機，切入新程序。

5) 吸附時間參數設置與自動計算。

6) 關鍵儀表控制。

a) 產品氣升壓調節HC20301。HC20301調節回路由安裝于吸附塔產品氣總管上的壓力變送器PT20501、吸附塔出口管線上的壓力變送器PT20302A/C/E/G/I和PT20402B/D/F/H/J及調節閥HV20501A構成，用于調節吸附塔產品氣升壓的速度。該調節回路的工作狀態將影響裝置產品氣的穩定。HC20301調節回路有隨動調節模式、比例調節模式和手動調節模式，正常情況下采用隨動調節模式，操作人員不需要對其進行調節。只有在某吸附塔的壓力變送器故障時，才需要操作人員轉到比例調節模式工作，手動模式生產中不使用，僅僅用于閥門的調校。

b) 逆放氣壓力調節HC20501。該調節回路由安裝于每臺吸附塔總管上的壓力變送器PT20302A/C/E/G/I和PT20402B/D/F/H/J及調節閥HV20501構成，用于調節逆放速度，減小逆放氣緩沖罐的壓力波動和降低逆放過程產生的噪音。該調節回路的工作狀態將影響裝置解吸氣的穩定和再生效果。

c) 順放罐壓力指示調節PIRC20303及PIRC20401(沖洗調節閥)。該調節回路由安裝于順放罐V202A/B出口沖洗總管上的壓力變送器PT20303和PT20401及調節閥PV20303和PV20401構成，用于調節沖洗氣流量以及順放過程壓力降，是影響PSA裝置再生效果的關鍵調節回路，保證此階段的流量等于整個沖洗過程的平均流量。

d) 切塔聯鎖控制。在PSA運行狀態下，某吸附塔程控閥報警，同時吸附塔壓力曲線異常，操作人員根據當前情況判斷故障原因，確定是否切除該塔，程序根據情況作出執行切塔程序，該塔進入人工操作狀態。在PSA運行狀態下，某吸附塔的原料進氣閥KV20301或產品出氣閥KV20302與逆放氣閥KV20307或沖洗閥KV20308同時開，且該塔壓力報警時，則產生該塔切除信號，并立即執行切塔后程序。

7) DCS組態實現方法。按照PSA工藝操作卡片和項目要求，該控制過程主要分為以下模塊：

a) PSA流程圖畫面。主要完成操作人員與控

制系統的交流工作，實現現場流程可視化。

b) 時間設定模塊。在操作畫面中完成順放和逆放時間的設定和計時工作。

c) 聯鎖控制模塊。當制氫相關程控閥出現故障時，發出切塔信號，切除該塔操作。

d) 狀態判斷模塊。主要用來確定A至J塔的運行狀態，如果為真，發出切除信號。

e) 狀態顯示模塊。主要用來在操作界面告訴用戶切除塔的數量及塔的運行狀態。

f) 步長計算模塊。該程序用于確定A至J塔運行到第幾步，從而確定某塔處于什么工藝階段。

g) 切塔與恢復模塊。該程序用于執行塔的切除與恢復操作。

3　結束語

通過深入研究PSA工藝控制過程，利用計算機自動控制原理，采用先進的DCS，設計計算機自動控制程序，優化控制制氫過程，提高產品收率，降低操作勞動強度，裝置控制系統安全平穩運行，為裝置的可持續發展提供了可靠的保證。

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劉潭(1971—)，男，甘肅鎮原人，1993年畢業于西北輕工業學院(現陜西科技大學)計算機自動化專業，獲學士學位，現就職于中國石油玉門油田分公司煉油化工總廠，從事石油化工自動化工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2016)04-0065-03

稿件收到日期： 2016-02-25，修改稿收到日期： 2016-05-17。