全流程仿真培訓系統在SE水煤漿氣化制氫裝置中的應用

洪波

(中國石化股份有限公司 鎮海煉化分公司，浙江 寧波 315200)

全流程仿真培訓系統(OTS)即操作員培訓仿真系統[1]，可逼真地模擬工廠的開車、停車、正常運行和各種事故過程的現象和操作，是生產裝置培訓和工藝方案研究的高效手段[2]。同時，OTS還可以檢驗設計的合理性，復核控制系統的組態，優化工藝方案和控制系統[3]。

SE水煤漿氣化制氫裝置具有流程長、控制復雜、操作自動化程度高、安全聯鎖等級要求高等特點[4]。根據水煤漿制氫裝置和其他同類裝置的對比[5-6]，要順利、安全地實現SE水煤漿氣化制氫裝置的開停車和平穩運行，除了仔細地調試控制系統組態，操作人員對氣化及配套技術反應機理的理解、對全流程操作過程的熟練程度等均對全裝置的安全平穩開車起著關鍵的作用，進而影響到裝置的長周期運行。因此，開發1套SE水煤漿氣化制氫裝置OTS，對于該氣化技術及配套的凈化技術的推廣和應用具有重要的指導意義。

1 技術方案

1.1 OTS系統架構

SE水煤漿氣化制氫OTS采用與實際裝置一致的分散控制系統(DCS)操作站作為教員站、學員站和工程師站[7-9]。在同一個局域網上，可以同時運行1臺教員站和多臺學員操作站，教員站和學員站是采用Windows操作系統，應用TCP/IP協議、以太網連接的多用戶、多任務可遠程訪問的系統。該OTS主要配置了虛擬控制器軟件、Dynsim仿真軟件以及DCS-OTS接口軟件[10-11]，利用虛擬DPU技術，把DCS組態下載到虛擬控制器中，虛擬控制器中的參數點與模型的關鍵參數點，通過OPC接口進行數據的交互，完成整個系統的構建。OTS軟件數據流如圖1所示。

1.2 SE水煤漿氣化制氫工藝全流程

該系統中采用Dynsim軟件模擬已經投產的某SE水煤漿氣化制氫裝置的工藝流程，根據實際裝置的工藝及儀表流程圖(P&ID)，工藝流程圖(PFD)，熱量及物料平衡圖(HMB)，煤質分析結果以及設備數據表等資料，對整個裝置進行動態模型開發，形成1套SE水煤漿氣化制氫OTS。整個裝置主要包含氣化和凈化兩部分，并將氣化與凈化裝置的動態模型進行串聯。

氣化裝置工藝流程如圖2所示，主要包括： 煤漿輸送單元、氣化及洗滌單元、除渣單元、灰水處理單元以及公用工程。由于煤質的復雜性和多變性，以及氣化爐本身結構及內部反應的復雜性，決定了煤質計算及氣化爐反應仿真模擬模塊是該模型的核心及實施難點。

凈化裝置工藝流程如圖3所示，主要包括： 一氧化碳變換及酸性氣體脫除單元。對于變換單元的模擬，主要涵蓋了變換爐、余熱回收、凝液汽提、鍋爐水制備及開工硫化系統等模型，其中變換爐是核心部分，變換爐部分應用了轉化率模型。對于酸性氣體脫除單元的模擬，采用了配套的熱力學模型，其主要涵蓋原料氣冷卻、酸性氣體脫除、中壓閃蒸回收有效氣、低壓閃蒸副產CO2和H2S濃縮、富硫甲醇熱再生和尾氣洗滌等幾大塊，各塊內容大多以塔器為載體，塊與塊之間存在頻繁熱交換，因此本單元的塔、換熱器的類型和數量較多，塔和換熱器的搭建是仿真模擬的一大難點。

2 OTS應用實例

OTS是基于嚴格計算的、成熟的動態模擬，有著較高的擬合度，能夠較大程度地模擬出實際裝置的真實生產過程和生產結果，并能體現工藝控制方案的優劣性，對工藝控制方案的驗證和優化有著較大的指導作用。以下詳細介紹氣化和凈化裝置中的OTS應用實例。

2.1 氣化爐停車過程中黑水溫度的變化對黑水角閥選型的影響

2.1.1問題說明

氣化爐停車過程中，為保護氣化爐激冷環，黑水閃蒸系統須一直運行至氣化爐溫度降低至安全值。由于正常運行過程中，雖然氣化爐內黑水溫度高，但是該系統壓力也比較高，因此角閥前黑水的汽化率較低。在停車泄壓過程中，該系統的壓力變化較快，而黑水的溫度變化較慢，因此角閥前的汽化率會高于正常工況，而閥前汽化率的大小，直接影響到黑水角閥的選型和使用壽命。

2.1.2原因分析

氣化爐停車過程中部分參數變化如圖4所示，0時刻為停爐命令觸發時刻，從圖4可知：

1)停爐之后，由于氧氣和煤漿管線氮氣吹掃的原因，氣化爐壓力會稍有上升，極端情況下表壓可能升至6.9 MPa左右。

2)氣化爐送至黑水閃蒸系統的黑水流量隨著氣化爐的壓力、蒸發熱水塔的壓力、黑水角閥的開度，在不同的階段有著不同的變化趨勢。

3)氣化爐壓力曲線斜率的變化要大于黑水溫度曲線斜率的變化，說明黑水壓力的變化要遠快于其溫度的變化。

圖4 氣化爐停車過程中部分參數變化曲線

氣化爐泄壓過程中高壓系統帶入蒸發熱水塔的熱量逐漸減少，停車前期泄壓階段，蒸發熱水塔的壓力基本可以保持穩定，后期階段，帶入的熱量已不能維持其壓力，壓力呈下降趨勢。泄壓過程中，當表壓降至4.0 MPa時，黑水角閥前黑水開始帶汽，說明此時溫度已達到對應壓力下的飽和溫度，隨著壓力的繼續降低，閥前汽化率在表壓為2.0 MPa時最高，說明在該壓力下，黑水溫度不僅達到該壓力下的飽和溫度，而且相對熱量較多，可以汽化更多的水，此時汽化率達到最大。停車過程中不同操作壓力下部分參數的變化見表1所列。

表1 停車過程中不同操作壓力下部分參數的變化

2.1.3小 結

綜上所述，閥前汽化率的大小，直接影響到黑水角閥的選型和使用壽命。黑水角閥的閥前汽化率根據仿真模擬結果不應低于3.66%，在閥門選型時應該考慮該汽化率對閥門通量、材質和使用壽命等的影響。

2.2 繞管換熱器出口多股管線材質選擇

2.2.1問 題

酸性氣體脫除單元變換氣進入吸收塔之前一般會設置多股流繞管換熱器，與凈化氣、二氧化碳產品氣和尾氣換熱。考慮到變換氣突然中斷，換熱器無熱源，而甲醇循環沒有中斷，富碳甲醇和富硫甲醇仍然在進一步閃蒸，閃蒸后低至-50 ℃左右的氣體進入換熱器，在無熱源的情況下換熱器二氧化碳產品氣和尾氣溫度可能會降低至-45 ℃左右，超過低溫碳鋼材質耐受極限，而粗氫氣出口管線一般也會選用低溫碳鋼。由于缺少原料氣中斷后的現場數據，利用OTS模擬原料氣中斷工況，解決換熱器出口粗氫氣、二氧化碳產品氣與尾氣管線選材問題。

2.2.2流程設計

繞管換熱器流程設計如圖5所示，吸收塔出口-51 ℃的粗氫氣經吸收塔三段送往四段的富碳甲醇加熱至-20 ℃后進入繞管換熱器；再吸收塔閃蒸出的二氧化碳產品氣溫度為-56.7 ℃直接進入繞管換熱器；再吸收塔閃蒸出的尾氣溫度為-65 ℃，經去往中壓閃蒸塔的富硫甲醇換熱后溫度升至-20 ℃后進入繞管換熱器。

圖5 繞管換熱器流程設計示意

2.2.3原因分析

裝置正常運行時粗氫氣、尾氣及二氧化碳產品氣溫度穩定在37 ℃左右，設置原料氣入口閥門誤關，閥門誤關后粗氫氣、尾氣及二氧化碳產品氣溫度變化趨勢如圖6所示。

圖6 原料氣中斷后粗氫氣、二氧化碳及尾氣溫度變化示意

2.2.4小 結

通過模擬結果可以看出，原料氣中斷后二氧化碳和尾氣溫度最低降至-26 ℃左右，粗氫氣溫度降至20 ℃左右，粗氫氣流量隨著原料氣中斷逐漸減少直至為零，粗氫氣無流量時管線相當于不流動存在死區，溫度逐漸上升并穩定至25 ℃。由此可見，換熱器出口粗氫氣管線選用碳鋼、二氧化碳管線選用低溫碳鋼即可。粗氫氣管線長度約45 m，管線質量約6 t，相比于不銹鋼材質，選用碳鋼材質，可節省投資約12萬元；二氧化碳管線長度約35 m，管線質量約2.5 t，相比于不銹鋼材質，選用低溫碳鋼材質，可節省投資約8萬元。

3 OTS技術優勢

該OTS有以下幾點技術優勢：

1)逼真性。該OTS采用的Dynsim仿真軟件基于嚴格的熱力學和流體力學模型，使動態過程模擬計算具有較好的魯棒性和準確性。Dynsim運用魯棒性的解決算法和快速的初始化功能，適應于多組分、多變化、有化學反應的復雜體系。在外界干擾或人為干擾條件下使用，參數動態響應的變化趨勢符合率達到100%，工藝參數穩態誤差不大于2%。

2)高速性。Dynsim仿真軟件有一個魯棒的壓力驅動流動算法，適用于可壓縮和不可壓縮系統。在解算引擎中，Dynsim有先進的數學算法，即基于點的篩選法(Point-based-sorting)，不像傳統的序貫法求解引擎，用戶無需考慮解算次序而使其收斂，可以實現多個模型的高速分布式計算、動態數據顯示和在線修改，滿足仿真系統的實時運行需求。

3)連續性。Dynsim仿真軟件具有完整的模型庫、傳遞函數庫、工具庫及控制模型庫，可以對裝置進行全流程動態模擬，檢查精度和收斂情況，保證動態響應時，參數的變化是連續的，沒有突變和跳躍。

4 結束語

本文在SE水煤漿氣化制氫裝置基礎上，成功開發了OTS，工藝指導意義顯著，可以提升SE水煤漿制氫的綜合競爭力，對自動化產業及相關產品也有帶動性，其社會效益顯著。同時，OTS的應用，提高了工廠運行水平，減少非正常停工次數；提高工人處理突發事故的能力，減少事故帶來的經濟損失，降低企業的能耗；降低控制系統維護、檢驗和改造費用，為企業節省大筆開支。

工程設計及標準