航天氣化爐先進控制與優化系統的設計和實現

薛美盛 徐智康 秦宇海

（1.中國科學技術大學信息科學技術學院；2.江蘇龐景節能科技有限公司）

煤炭約占世界能源儲量的79%，煤炭利用技術的開發和研究是我國能源戰略的重要內容之一［1］。2017年，我國相繼發布了《煤炭深加工產業示范“十三五”規劃》［2］和《現代煤化工產業創新發展布局方案》。二者都不同程度地指出，目前我國煤化工行業仍處于產業化初級階段，產業發展初具規模，但尚存在一些問題亟待解決。長期以來，在煤化工行業缺乏自主知識產權的粉煤加壓氣化技術，限制了國內煤化工大規模地發展，需要引進國外先進技術。2007年，航天長征化學工程股份有限公司借鑒荷蘭Shell、美國Texaco等公司先進技術設計研發了航天氣化爐［3］。截至2019年，全國共建成航天氣化爐101臺，航天氣化爐勢必將成為煤氣化技術未來發展的重心。

由于涉及到許多復雜的化學反應過程，航天氣化爐是一個復雜的大慣性、大滯后、時變和非線性系統，相應的控制理論和應用都尚不成熟［4］。實現航天氣化爐先進控制和優化，關鍵在于穩定氣化爐氣化過程爐溫，同時在穩定工況的前提下優化氣化爐系統氧煤比。筆者以機架式服務器為硬件平臺，將選擇控制策略與廣義預測控制算法結合來穩定控制爐溫，采用神經網絡建模和遺傳算法尋優相結合優化氧煤比，設計并實現了一套航天氣化爐先進控制與優化系統，取得了良好的應用效果。

1 航天氣化爐簡介

某煤化工企業配備3臺（兩運一備）航天氣化爐。氣化爐直徑4m，高24.5m，氣化溫度1 400～1 600℃，氣化壓力4MPa，日投煤量2kt以上，有效氣（CO和H2）產量140～180Nkm3/h，年產乙二醇30萬噸?，F場采用PLC控制，在Microsoft Windows Server 2008上采用美國霍尼韋爾公司的EPKS4.0.8系統完成氣化爐的操控。

航天氣化爐工藝流程簡圖如圖1所示，主要包括原煤處理、爐內氣化、灰渣處理和合成洗滌4部分。

2 先進控制與優化系統的設計和實現

2.1 航天氣化爐控制系統結構

航天氣化爐集散控制系統（DCS）由上位機（操作員站、工程師站）、下位機（控制站）和數據通信總線構成。上位機采用兩臺基于Microsoft Windows Server 2008的工控機，都采用霍尼韋爾公司EPKS4.0.8作為操控平臺。其中一臺安裝有實時數據庫RTDB和組態數據庫ERTB，主要用于存取系統需要的各類數據，包含歷史數據、用戶數據、過程數據、報警點及系統狀態等，工控機之間通過工業以太網連接。

圖1 航天氣化爐工藝流程簡圖

為了保證先進控制系統和原DCS相互獨立，添置了一臺DELL PowerEdge R740六核六線程服務器作為先進控制操作站，在該站上布署先進控制與優化軟件。先進控制操作站負責氣化爐溫度的控制和氧煤比的自尋優，氣化爐生產系統的其他操控任務仍然由DCS完成。下位機由C300 CC-CNT01系列PLC構成。上位機和下位機間通過PROFIBUS完成通信，連接現場控制系統。整個氣化爐控制系統硬件結構如圖2所示。

圖2 氣化爐控制系統硬件結構

2.2 數據通信模塊

OPC是一個基于組件對象模型/分布式組件對象模型 （Component Object Model/Distribute Component Object Model，COM/DCOM）技術的工業自動化軟件接口國際標準［5］?；贛ATLAB平臺OPC通信函數，可查詢需建立連接的現場操作員站的IP地址，需要添加的該操作員站中OPC服務器對象、組對象和項對象的名稱。系統添加完成后，進行通信測試，包括每個項對象的讀寫測試、并發性能測試、系統長連接和斷開測試。完成測試后即表示先進控制與優化軟件數據通信模塊的開發完成。

2.3 用戶界面

用戶圖形界面的實現，使用戶能夠方便地發送操作指令與數據，實現人機交互；同時也可以使用戶方便地接收交互式系統的信息表示，了解反饋信息［6］。航天氣化爐先進控制與優化系統的用戶圖形界面如圖3所示，包括通信連接操作與狀態面板、報警畫面面板、氣化爐溫度控制面板、氧煤比尋優面板和系統參數監測面板。

3 先進控制與優化軟件的設計和實現

先進控制與優化軟件是先進控制與優化系統的核心?？紤]到航天氣化爐系統的復雜性，運用傳統的控制算法往往難以達到理想的控制效果。根據現場生產工況，分析了工藝原理，理論結合實際，設計并實現了一套先進控制與優化軟件，整定了相關參數，達到了穩定航天氣化爐控制和節能優化的目的。

3.1 氣化爐爐溫控制

圖3 航天氣化爐先進控制與優化系統用戶界面

原料煤經過磨碎、干燥處理后，用N2進行加壓輸送，將粉煤輸送到氣化爐燒嘴。干煤粉、純氧、過熱蒸汽一同進入氣化爐氣化室，瞬間發生升溫、揮發分裂解、燃燒及氧化還原等物理和化學過程。在氣化爐中進行的燃燒氣化反應過程中，一部分高溫熔渣掛在復合水冷壁上，形成穩定的抵抗高溫的渣層（所謂“以渣抗渣”），其余熔渣和粗合成氣進入激冷室。粗合成氣在激冷室中被激冷水激冷降溫，并蒸發水蒸氣到飽和，同時熔渣迅速固化，通過分離裝置實現合成氣、液態水、固渣的分離。合成氣通過管口輸出進入后續工段。合成氣主要成分為CO和H2，所以又稱作有效氣。固渣通過排渣口進入破渣機中，并斷續排出。含有細灰的黑水通過管口進入渣水處理系統。氣化爐在運行時，常常由于煤粉組分波動等原因，導致合成氣成分、爐膛溫度及甲烷含量等工藝參數波動劇烈，偏離最佳工作點，會降低有效氣量，增大原料消耗。

在實際生產中，應該選擇最有利于氣化反應進行的操作條件，以使煤粉和氧氣的消耗量最小，有效氣成分CO和H2含量最高。其中，給煤量是最為重要的一個工藝條件，對氣化溫度（影響合成氣中的甲烷含量）有較大影響。氣化產生的灰渣，對爐內構件沖刷磨蝕快，嚴重時會影響氣化爐的正常運行。而氣化爐采用的是水冷壁結構，“以渣抗渣”，如果掛渣量太低，又導致熱損大，不利于爐壁的抗渣保護，影響氣化爐的使用壽命。因此，需要通過穩定氣化溫度優化爐膛內的掛渣量，以實現最高效率的抗渣保護。氣化溫度的波動，還會影響到熔渣量和粘度，導致渣口壓差（反映了排渣是否順暢）的波動。排渣不暢會對生產帶來一系列負面影響?？梢?，對掛渣和排渣影響最大的因素就是氣化溫度。穩定了氣化溫度，也就同時實現了掛渣和排渣的優化，延長了爐體壽命，降低了停車維護頻率。但是由于掛渣的影響，爐溫熱電偶不能反映真實的氣化溫度，只能通過合成氣甲烷含量間接判斷氣化溫度。而在線有效氣甲烷含量，通常比給煤量變化滯后超過30min。如此大滯后的系統，只有通過預測控制算法才可以實現有效控制。同時結合現場工藝，在H2含量過高時，CO2含量比H2含量更能反映氣化溫度，同時模塊選擇器采用繼電特性，當H2含量過高時切換為CO2含量控制器。綜上，采用選擇控制策略和廣義預測控制 （Generalized Predictive Control，GPC）算法設計了如圖4所示的氣化爐爐溫控制架構。

根據現場歷史數據，分別建立了H2和CO2含量的CARIMA模型，構建了廣義預測器（GPC控制器）。經過仔細整定，選取控制周期為5s，預測步長80步，控制步長20步，柔化因子取0.985，控制量權重因子取0.8［7］。同時，仔細整定了內回路PID控制器的參數。

3.2 氧煤比尋優

氣化爐中氣化反應是劇烈的氧化還原反應，既有煤和氣化劑之間的反應，也有氣化劑與生成物之間的反應，其中主要包括煤的燃燒反應、碳和水蒸氣的反應等［4］，具體見表1。

圖4 氣化爐爐溫控制架構

表1 氣化爐氣化反應方程式及燃燒熱

由表1中的式（1）、（2）、（4）可知，碳與氧的反應是一個不可逆放熱反應。氧、碳原子比與氣化指標的關系如圖5所示。可以看出：隨著氧、碳原子比的增加，碳轉化率升高；當氧、碳原子比接近1.00時，碳轉化率將達到98%～99%；其后再隨著氧、碳原子比的增加，碳轉化率漲幅不大，基本保持在99%左右。隨著氧、碳原子比的變化，冷煤氣效率存在極大值，即在氧、碳原子比約為1.00時，冷煤氣效率達到最優。這主要是在低氧、碳原子比時，由于碳的轉化率降低而影響氣化效率；在高氧、碳原子比時，由于過量的氧與有效成分CO和H2反應生成了CO2和H2O，使氣化效率降低［8］。

圖5 氧、碳原子比與氣化指標的關系

在氣化爐實際操作中，一般以氧煤比作為氧化氣化爐調節的重要參數，氧煤比是指入爐氧氣流量與煤粉流量的質量比?？紤]到經濟效率，筆者采用單位時間有效氣含量與總給煤的比值作為產率。針對氣化爐慣性大、滯后時間長、時變和非線性的復雜特性，筆者將氧煤比尋優問題轉變為氧煤比與產率之間數學模型的極值尋優問題。

首先通過BP網絡建立產率與氧煤比、水蒸氣等變量的數學模型，為了避免陷入局部極小值，訓練函數選擇L-M算法進行優化。再使用全局優化算法-遺傳算法進行極值尋優，采用浮點數編碼的方式，目標函數選取產率預測值的倒數，并且作為適應度函數，選擇操作使用適應度比例方法，交叉運算選擇算術交叉法，變異運算選擇實值變異。根據現場實際情況：平均灰熔點為1 300℃，固定碳質量分數為60%，綜合分析選定氧煤比控制在0.75～0.80之間，尋找氣化爐氣化過程的最佳氧煤比。氣化爐氧煤比尋優算法流程如圖6所示。

3.3 先進控制與優化系統投運效果

該航天氣化爐先進控制與優化系統已經成功應用于貴州市某煤化工企業，其中重要工藝參數的投運效果對比如圖7、8所示。

圖6 氣化爐氧煤比尋優算法流程

在手動投運的5 000s數據中CO2含量波動范圍10%～14%，方差為0.969 1；H2含量波動范圍22%～30%，方差為2.490 2；產率波動范圍1.4～1.8，方差為0.009 7，均值為1.576 8。自動投運的5 000s數據中CO2含量波動范圍10%～13%，方差為0.355 4；H2含量波動范圍25.5%～28.0%，方差為0.303 5；產率波動范圍1.56～1.75，方差為0.001 2，均值為1.646 7，標準立方米每小時有效氣的標煤單耗降低4.4%。系統優化效果較明顯，節能效果顯著。

圖7 氫氣、二氧化碳含量控制效果對比

圖8 產率尋優效果對比

4 結束語

針對目前航天氣化爐操作不規范、自動化程度低、控制效果差的問題，筆者在原有集散控制系統的基礎上，設計并開發了一套航天氣化爐先進控制與優化系統。實際投運結果表明，該系統可以規范現場工作人員的操作，穩定現場工況，延長設備壽命，并達到節能優化的效果。