殼牌氣化爐長周期運行儀表測控優化

潘 陽

（岳陽長煉機電工程技術有限公司 鄂爾多斯分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

0 引言

煤制氫裝置由于工藝復雜、設備技術前沿、自動化程度高，從原始開工至今，氣化爐的長周期運行就一直是困擾生產裝置的問題。尤其是對4 條燒咀的煤線速度、密度儀表和閥門的測量，控制穩定就尤為重要。由于煤粉線的煤量是通過速度、密度的測量值運算得到的，如果測量不準將導致煤線控制不穩。而且又在氣化爐高負荷情況下，各煤線不均勻燃燒，就會出現燒咀罩“偏燒”，最終會頻繁地導致各燒咀罩在高溫高壓下磨損燒破，漏的循環水嚴重影響了氣化爐生產合成氣的能力，特別嚴重的情況下還會導致氣化爐各級換熱器表面附著一層“石灰塊化”的介質，不僅影響流通量，甚至能將氣化爐氣流通道完全堵死，而且一定程度決定了燒咀罩使用壽命，是燒咀跳車和停車搶修的主因。因此，煤線儀表的精準測量和控制優化，對氣化爐的長周期運行非常重要。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

1 工藝介紹

國內某公司的煤制氫裝置是采用殼牌煤氣化裝置，殼牌煤氣化采用干法煤粉加壓氣化技術，在高溫加壓條件下進行，屬氣流床氣化。煤粉、氧氣并流進入氣化爐內，在極短的時間內完成升溫，揮發份脫除、裂解、燃燒及轉化等一系列物理和化學過程。整個煤氣化工藝由煤加壓及給料系統、煤氣化及合成氣冷卻系統、除渣系統、除灰系統、濕洗系統、初步水處理及公用工程系統組成，如圖1 所示。

2 測控優化涉及的內容和標定方法

根據殼牌煤氣化控制原理，負荷控制是氧量定煤量，投煤量確定，氣化爐負荷就確定。此時氧煤比是一個非常關鍵的工藝控制參數。氧煤比偏低，氣化爐爐溫下降，一氧化碳含量上升；氧煤比高，氣化爐溫上升，一氧化碳含量下降。因此，合適的氧煤比是實現爐溫合理控制，合成氣產量最高的基本條件，而氧煤比的優化就是投用煤線煤流量的自動控制和煤線儀表和閥門。

2.1 速度計、密度計的標定以及優化試驗

◇ 速度計標定優化措施

1）速度測量儀表測量的是微弱電信號，必須使測量發生體遠離振動、電磁干擾，做好屏蔽。傳感器與工藝管道跨接處的有效接地，尤其是在帶介質、帶壓階段不能有干擾信號。

2）通過現場儀表的安裝發現，如果傳感器法蘭面與管道連接處不平整，很容易造成煤粉傳送時不穩定，煤粉波形紊亂，造成儀表檢測困難，傳感器表面沖刷磨損。因此，需采取儀表連接法蘭保持在同一中心線上且與相鄰管道與法蘭焊接處打磨平整。

3）因測量管道內外溫差大，必須對傳感器測量管道外部做好保溫，保證煤線的外壁溫度不得低于85℃，以消除掛料、結垢帶來的儀表測量誤差。

4）速度計在設置參數的變化時，快速響應由15%延長至45%，相關性由100μs 延長至150μs ～250μs，阻尼時間由5s 延長至10s ～15s。

◇ 密度計標定優化措施

a）安裝方面，定期檢查現場測量儀表保溫與伴熱是否符合要求。因北方地區管道內外溫度偏差較大，應提高各條煤線的電伴熱、保溫效果，達到不低于85℃的要求。

b）密度計標定方面，改進原有的單點標定，并增加模擬實物對比。

因為放射源有衰減性，會造成儀表指示不準，需要定期對密度儀表進行標定。裝置開工初期，煤粉密度測量儀表一般采用實物進行單點標定，常見3 種實物標定的辦法。第一種為向測量管道內充氮氣，到正常工況4.7Mpa 時進行標定，氮氣密度是50kg/m3。由于工藝實際生產中很難操作到此壓力點，且氮氣的密度不但與其壓力有關，還受氮氣溫度影響。因此，該方法會有一定的誤差；第二種為測量管道內常溫常壓時的空管標定，此時密度值一般定義為標準狀態下的空氣密度1.29kg/m3，正常工況下的介質密度值一般在200kg/m3～300kg/m3之間，二者之間有較大差異。后期增加第三種模擬實物對比方法，具體如下：使用厚度為1.50mm 的Q235A 普通碳素鋼板標定，換算出介質密度的方法為：

換算出的介質密度＝鋼板密度×鋼板厚度÷管道內徑+管道內氮氣密度

因此，按照此密度值進行單點標定的密度也比較接近工況密度。

c）合理調整密度計阻尼時間，保證煤線穩定性。由于放射源在放射粒子時的不確定性，因而儀表必須設定適當的阻尼時間。阻尼時間過大，造成測量反應滯后，從而調節滯后；阻尼過小，容易造成測量波動，容易誤觸發聯鎖。為確定合適的阻尼時間，采取測量不同阻尼時間下的均方根誤差的辦法。在5s、8s、10s 的阻尼時間，從DCS 歷史趨勢中，按每1s 一個數據，采集30min 以上的3 組數據，計算其標準誤差（即均方根誤差）。并在晝夜不同氣溫時，分時間按同樣的方法進行多次采集。根據相關數據統計，5s 時的標準誤差達到14kg/m3，而8s 時標準誤差約9kg/m3，10s 時約6 kg/m3，前兩個阻尼時間下的誤差較大。因此，將密度計的密度阻尼時間設定為10s。

2.2 稱重儀的灌水標定與煤粉循環質量流量的對比

賽多利斯粉煤儲存倉稱重儀的“灌水”法標定。

平衡4 個傳感器后，注水前后對比效果見表1、表2。

通過灌水標定，比較質量流量計、標準噸水箱、遇水變色重錘檢尺計算水重，按照實際高負荷所需儲存煤量的80t 位標定標準，修改線性誤差值，控制誤差在2t 以內。

表1 密度計半小時的標定數據Table 1 Calibration data for half hour of density meter

圖2 稱重儀標定采用“灌水法”標定的流程原理圖Fig.2 Schematic diagram of the calibration of the weighing instrument using the "watering method" calibration

圖3 安裝簡圖及稱重傳感器排干擾處理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the installation diagram and the interference sensor row interference processing

表2 注水前對比效果Table 2 Comparison effect before water injection

表3 注水后對比效果Table 3 Comparison effect after water injection

2.3 負荷控制的局部優化

1）按照殼牌設計采用高硫、高熔點、低灰分的原煤作為唯一的煤種，從開工初期生產實踐數據與基于該煤種的各設計數據相差較大。主要體現在爐溫不高、碳轉化率低、渣流動性差，或者沒有形成高溫下的氣化爐掛渣、渣樣含碳量高、合成氣含碳量高、換熱器換熱效率低，大部分換熱器被未完全反應的原煤、煤灰所附著，極大地影響了設備壽命、換熱效率以及轉化率，也是導致氣化爐出口溫度一直偏高。必須對復雜控制回路的投用從源頭和控制上考慮改變，首先根據原煤數據進行煤配比，同時要將氧煤比范圍從“-0.1 ～0.1”擴至“-0.3 ～0.3”，以擴大了調整寬度、煤種適應度及操作空間。設計的4 種控制方式，實際應用了兩種，比單一的氧煤比控制有明顯得優化，工藝實際上是在蒸汽控制和氧煤比控制之間切換來適應生產需要。

2）在實際生產中，因為各種“故障”和煤線不穩等因素，煤燒咀跳車比較頻繁，這樣造成至少1/4 的負荷波動。原設計中，一旦某一個或者兩個燒咀跳車后，已跳車燒咀的負荷會直接分配到沒有跳車的燒咀上進行總氧負荷控制。由于原負荷分配控制沒有限幅器，會因煤線增加1/4負荷造成大幅波動。很大程度上，如果操作不及時和干預不當時，會導致剩下的燒咀跳車而裝置停工。為解決這個問題，需要通過以下兩種方式來優化復雜控制回路中的“負荷均勻緩慢分配”的問題，實現負荷的均勻分配和穩定上升。其一，需要在總氧負荷4 等分的信號輸出端設置“限幅器”，具體設定值需要與工藝進行試驗獲取；其二，在單燒咀的氧線復雜控制回路中，提前預設好增加1/4 負荷分配值，當出現跳燒咀負荷再分配時，工藝可以通過“無擾動切換”功能切換到預設值一側實現，通過預設值和限幅器兩方面優化，可以確保穩定過渡。

3）除了對U1300 單元的復雜控制進行優化外，應采取前饋控制，穩定V1205 的壓力，減少V1205 壓力波動對煤線的影響。對U1200 單元的V1205 煤粉收集器壓力控制回路優化，對煤線穩定有很重要的作用。其一，將原設計中的流量和壓差控制取小選擇控制簡單化，將一個選擇控制分別變成一個壓控和一個流控的單回路控制。改造的關鍵是穩定住泄壓閥的開關速度和試驗的安全閥位開度。這個需要在線動態進行回路功能試驗，需要調整PID 調節器在沖壓時快，泄壓時又能有相對緩慢的效果，這樣試驗出來的初始預置閥位可以在一定程度上減緩V1205 的壓力，在不斷的煤粉輸送至煤燒咀時相對穩定，從煤線煤粉的動力源上減少了煤線的波動造成的燒咀偏燒、燒咀罩損壞頻繁、煤線儀表測量不準、燒咀跳車等事故。這個優化還在運行試驗中，還要不斷優化使壓控回路的壓力波動在0.5MPa 內，需選擇特殊PID 調節器在線試驗。

4）通過多次的煤粉循環試驗的加權平均值，取得標定速度計的最佳數據投用煤線速度自動控制，確保煤線在不同負荷下的最低速度，保證煤線速度的測量及時跟進，而且穩定控制煤粉角閥。

3 結束語

儀表專業經過2 ～3 年的探索，在標定了速度、密度、稱重儀表的同時，通過投用煤粉線的速度來控制復雜控制回路以及煤粉儲煤倉的壓力控制來控制煤線的穩定，優化負荷控制器速率，同時工藝專業在煤粉原料的水份露點、煤線和相關操作上進行優化，實現測量和控制精準，減少了引起生產波動的跳燒咀頻次，燒咀罩損壞的次數和使用壽命，逐步達到和實現了殼牌氣化爐的長周期運行目的。