復雜控制策略在二氧化碳生產過程中的應用

徐 賀

(浙江晉巨化工有限公司,浙江 衢州 324004)

浙江晉巨化工有限公司(以下簡稱晉巨化工)二氧化碳裝置承擔著回收合成氨生產過程中二氧化碳排放氣的功能,將合成氨系統的尾氣轉化為高附加值的液體二氧化碳。裝置設計總產能45 kt/a,工業級設計產能30 kt/a,食品級設計產能15 kt/a,經過近幾年的改造,裝置總產能達到80 kt/a。來自合成裝置含雜質的二氧化碳尾氣經過脫硫、加氧燃燒脫烴、脫水工序去除雜質,經氨冷器冷卻轉化為液體后,利用提純精餾塔在塔內實現氣液兩相多次熱量、質量交換,去除輕組分,實現產品精制[1]。此工藝流程存在加氧燃燒過程大滯后、非線性、強耦合等復雜特性,加氧控制無法實現自調、脫烴熱點溫度波動大、氨冷器液位波動大、提純塔塔頂放空量不穩定等問題,致使常規PID單輸入、單輸出控制系統的單變量反饋已難以解決這種過程的整體控制問題[2]。

為克服現有二氧化碳裝置生產控制過程中存在的擾動多、大滯后的缺陷,充分提高裝置自動化水平、工藝參數平穩性和抗干擾能力,晉巨化工決定對二氧化碳裝置DCS控制系統進行優化改造,成立“零手動”推進小組,采用復雜控制策略[2],實現裝置的精細化控制。改造工作于2022年5月完成并投用,經過3個月的運行發現,二氧化碳裝置實現精細化控制,大幅度提高了液體二氧化碳生產過程中主要工藝參數的平穩性,實現“零手動”,同時達到節能降耗的目的。

1 改造前工藝狀況

1.1 工藝流程

晉巨化工45 kt/a二氧化碳生產裝置采用以廢氣二氧化碳為原料、液氨為冷媒進行液化。二氧化碳氣經壓縮機提壓至2.8 MPa,在脫硫工序利用干法脫硫去除有機硫和無機硫,通過加氧在脫烴催化劑的作用下,由電爐控制反應溫度,發生燃燒反應,將烴類物質轉化為二氧化碳和水,進而去除原料氣中的烴類雜質;再經過3A分子篩干燥脫除氣體中的飽和水。

凈化后的二氧化碳氣經氨冷器冷卻液化后進入提純精餾塔,在塔內實現氣液兩相傳質傳熱,塔頂脫除輕組分,塔底產品采出。

1.2 存在的問題

(1)由于二氧化碳排放氣來自合成氨前系統多個生產裝置,負荷變化大,雜質成分復雜,烴類雜質需要加氧燃燒去除,燃燒過程具有大滯后、非線性、強耦合等復雜特性。以脫烴塔后氧含量為脫烴主要控制指標,氧含量控制需要人工手動頻繁干預。

(2)脫烴塔溫度由電爐進行控制,隨著催化劑使用年限的增長,熱點溫度逐步下移,脫烴塔溫度要人工選擇第一、第二點、第三點溫度,根據溫度手動調節電爐閥位開度,熱點溫度波動大,催化劑使用效率下降。

(3)提純精餾塔通過控制塔頂壓力來控制輕組分排放量,塔頂壓力受塔頂氨冷器冷卻效果影響,氨冷器液位波動大,塔壓難控制,放空量不穩定,產品損失大。

2 技術改進

結合二氧化碳裝置的實際運行情況,測試控制回路、整定PID參數、組建新的復雜控制回路,利用復雜控制策略代替人工操作。統一操作模式,將操作經驗轉換到自動控制中,通過知識型工作自動化有效克服操作人員操作水平參差不齊的問題[3]。

2.1 氧含量比值+串級控制策略

塔脫烴加氧量控制回路改為比值—串級控制回路,該回路包括2個控制回路,即氧含量主控制回路和氧氣比副控制回路[4]。氧含量主控制回路ZC-1003根據SV設定值與PV測量值偏差輸出MV,主控制回路的MV作為氧比值副控制回路FICV-1003 SV的設定值,副控制回路根據設定值SV與測量值PV的偏差輸出MV,進行調節閥控制。該控制策略首先解決負荷及原料氣成分變化時及時按比例調節氧氣,這是最重要的控制策略。

2.2 脫烴塔熱點溫度三選一控制策略

脫烴塔溫度的穩定對保證脫烴效果非常重要,此控制回路是減少操作人員干預的關鍵。該控制策略允許隨著催化劑使用年限的變化,根據實際情況選擇合理的熱點溫度進行控制。催化劑使用初期,TI2119.PV作為熱點溫度;催化劑使用中期,TI2120.PV作為熱點溫度;催化劑使用后期,TI2121.PV作為熱點溫度。脫烴塔熱點溫度控制回路見圖1。

圖1 脫烴塔熱點溫度控制回路

2.3 工業級提純塔塔頂氨冷器液位與輕組分放空閥位串級控制

工業級提純塔頂壓力放空閥位PICV_2107與塔頂氨冷器液位LIAC_2101串級控制,根據放空量,調節塔頂氨冷器負荷,防止液氨加入量過多或過少,使液氨在換熱器內始終處于泡狀沸騰,減少傳熱熱阻。工業級提純塔頂氨冷器液位控制回路見圖2。

圖2 工業級提純塔頂氨冷器液位控制回路

2.4 食品級提純塔塔頂氨冷器液位與輕組分放空閥位串級控制

食品級提純塔塔頂氨冷器加氨液位控制與塔頂放空量設置串級回路控制,放空量穩定在1.5 m3/h,防止因生產波動造成放空量減少,提升分離效率,將產品中的輕組分合理去除,提高食品級產品純度。食品級提純塔頂氨冷器液位控制回路見圖3。

圖3 食品級提純塔頂氨冷器液位控制回路

3 應用效果

3.1 指標平穩性對比

(1)脫烴塔應用情況。脫烴塔熱點溫度“三選一”控制策略實施后,脫烴塔熱點溫度波動幅度降低,溫度更平穩。

(2)工業級提純塔應用情況。工業級提純塔塔頂氨冷器液位與輕組分放空閥位實施串級控制后,根據放空量,調節塔頂氨冷器負荷,防止液氨加入量過多或過少,工業級提純塔塔頂氨冷器液位控制更加穩定,使液氨在換熱器內始終處于泡狀沸騰,減少傳熱熱阻,液化能力更強。

(3)食品級提純塔應用情況。食品級提純塔塔頂氨冷器液位與輕組分放空閥位實施串級控制后,食品級提純塔塔頂壓力更穩定,二氧化碳精餾提純過程中,壓力控制的好壞直接影響食品級產品的品質。

3.2 工藝數據對比

改造前后工藝運行數據對比見表1。

表1 改造前后工藝參數對比

經實際運行證明,二氧化碳裝置復雜控制策略投用后,提純塔放空量得到固化,噸CO2氣耗由630～690 Nm3降至580～600 Nm3,噸產品節約氣耗50～90 Nm3。放空氣減少后,同比液體CO2班產量增加10 t,日產量達到290 t。噸產品電耗由原來的約235.8 kW·h/t下降至213.3 kWh·t,噸產品電耗下降10%。

4 結語

復雜控制策略應用于二氧化碳裝置后,解決了常規單反饋控制PID 調節動作相對滯后、回路之間互相影響、控制性能相對較差等問題[5]。復雜控制策略具備預估控制功能,提前進行調節動作,充分考慮耦合變量之間的相互影響,能夠很好地抑制擾動帶來的波動,增強了裝置的抗干擾能力,提高了裝置運行的平穩性。同時規范了操作方法,大大減少人工調節的不一致和不及時,降低了操作人員勞動強度。減少了提純塔放空氣,合成氨裝置的排放尾氣二氧化碳的綜合利用率得到有效提高,實現減碳減排。符合低投入、高產出、低消耗、少排放、能循環、可持續發展的資源節約型生產裝置。目前,國內二氧化碳生產裝置勞動強度大、操作頻次高,本文為二氧化碳生產裝置實現智能化控制提供了一個較好的借鑒案例。