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1CCR工藝存在的問題

上海浦東煤氣制氣有限公司目前建成投產4條CCR生產線，為全套引進奧地利INTEGRAL公司間歇式常壓循環催化裂解制氣工藝及技術，在對改質爐進行熱平衡測試中我們發現當前CCR工藝進一步優化主要遇到了以下兩個難題：一是沒有直接針對改質氣與煙氣成分的檢測信號，缺少相關在線氣體分析設備及手段，造成操作人員在調整工藝參數時帶有很大的滯后性與盲目性；二是缺少專用的控制方法，國內外沒有相關的理論與方法能進行指導，操控缺乏嚴謹性與一貫性，結果造成波動性大，控制質量因人而異。為了徹底解決改質生產優化中暴露的問題，上海浦東煤氣制氣有限公司聯合上海化工研究院承擔了上海申能集團的科研攻關課題，本文將主要介紹課題在節能降耗專家控制系統設計與應用上的研究成果。

2專家控制系統設計

根據要求，專家控制系統的目標是降低煙氣殘氧量，提高天然氣轉化率以及降低生產過程能耗，在專家控制系統規則的設計上我們以改質氣中CH4含量為調控目標，影響CH4含量最關鍵的因素是催化劑的狀態，主要包括催化劑的反應溫度、活性、積炭程度、壽命等指標，根據反應的內在基理與操作人員的實際經驗在規則設定上做了如下設計：

2.1催化劑溫度控制規則設計

根據CCR生產工藝，催化層溫度靠加熱用天然氣燃燒來提供，風量的主要作用有兩點：一是作為天然氣的助燃劑，為反應提供熱源；二是作為催化層溫度的調節手段，控制各點溫度。風量與天然氣的比值稱為BH值。根據上述特點，專家控制系統可分兩步來實現，首先是找到能為催化層提供足夠熱量的加熱用天然氣量，然后通過風量調節使催化層各點溫度達到適合反應的溫度。下圖為加熱時改質爐內各點的溫度狀態。主要控制規則如下：(1)如果改質室溫度(TIR_1501)小于等于預設值，則加熱天然氣閥門開度調大0.5%；(2)如果改質室溫度(TIR_1501)大于預設值且該點溫度下降趨勢大于等于預設值，則加熱天然氣閥門開度調大0.5%；(3)如果改質室溫度(TIR_1501)大于預設值且該點溫度下降趨勢小于預設值，則加熱天然氣閥門開度調小0.5%。由于催化層較厚，僅依靠TIR_507、TIR_509、TIR_531、TIR_533四點溫度來衡量整個催化層的溫度分布是不夠全面的，此外催化劑的最佳溫度會隨著催化劑其他性能的改變而變化，因此我們在催化層溫度控制上采用的是連續尋優的方法，不再以確定的最佳溫度為控制目標而以改質氣中CH4含量為判斷標準，始終保證風量的變化向使CH4含量降低的方向進行，這樣可以避免進行復雜的建模與計算，簡化控制結構，適合工業化應用。主要控制規則如下：(4)將風量與天然氣比值(BH)增加0.05；(5)如果CH4含量小于前次采樣含量，則將風量與天然氣比值(BH)增加0.05；(6)如果CH4含量大于等于前次采樣含量，則將風量與天然氣比值(BH)減小0.05；(7)如果CH4含量小于等于前次采樣含量，則將風量與天然氣比值(BH)減小0.05；(8)如果CH4含量大于前次采樣含量，則退出本段程序。

2.2催化劑活性控制規則設計

根據改質工藝特點，在改質階段處于還原性氣氛條件下的催化劑會放出所吸收的氧原子，促進天然氣、水蒸汽發生改質反應，吸收大量熱量，使催化劑溫度降低。因此，在整個反應周期中催化劑會不斷經歷溫度升高與降低的過程，但是隨著催化劑使用時間的變長，活性逐漸下降，會發生還原性能不足的情況。當發生這種情況時需要通知操作人員盡快停車，進行對催化劑的整體還原操作。相關的主要控制規則如下：如果反應溫差大于預設值，則提示“催化劑活性低，請進行還原操作”。

2.3改質水蒸汽控制規則設計

對于天然氣轉化率的影響，除了催化劑的狀態之外，另一個重要因素是在改質階段的蒸汽量。蒸汽量過多對整個過程的影響有以下三點，一是降低催化層的溫度，浪費加熱階段熱量，使催化劑偏離最佳工作溫度；二是浪費蒸汽，相應的潛熱損失嚴重；三是浪費改質天然氣，過快的流速造成部分天然氣來不及反應。蒸汽量過少則會引發催化劑積炭現象，影響催化劑性能與壽命。從節能降耗的角度來看，我們的控制目標是在催化劑不發生積炭現象的前提下使蒸汽的使用量盡可能的少。在DCS系統中，蒸汽量的控制是通過蒸汽與天然氣比值RRS來實現的，在蒸汽量的控制上同樣采用連續尋優的方法。主要控制規則如下：(1)如果催化床頂部溫度(TIR_1531)與改質爐出口溫度(TIR_1511)之差小于等于預設值，則提示“催化劑積炭，請進行除炭操作”；(2)將蒸汽與天然氣比值(RRS)增加0.05；(3)如果CH4含量小于前次采樣含量，則將蒸汽與天然氣比值(RRS)增加0.05；(4)如果CH4含量大于等于前次采樣含量，則將蒸汽與天然氣比值(RRS)減小0.05；(5)如果CH4含量小于前次采樣含量，則將蒸汽與天然氣比值(RRS)減小0.05；；(6)如果CH4含量大于前次采樣含量，則退出本段程序。根據上述一系列的專家控制系統優化控制規則，在實際使用中我們采用控制結構框圖，加熱量控制模塊的程序執行周期與生產周期同步，風量控制模塊與蒸汽控制模塊的程序執行周期與取樣分析周期同步。

3專家控制系統實施效果

經過項目相關技術的應用實施，CH4含量與O2含量較之前有了明顯進步，數值的波動基本保持穩定。項目的節能降耗效果主要體現在兩個方面：一是改質爐整體熱效率的提高，通過計算可得通過熱效率提高改質爐全年情況下節約標準煤約390t；二是過剩空氣減少所帶來的鼓風量降低，通過計算可得全年減少鼓風量所帶來的能耗節約為標準煤180t。

4結語

綜上所述，通過本項目的實施，改質爐可實現能耗節約折合標準煤約570t/y，折合原煤855t/y，按市場價750元/t來計每年可節約人民幣64萬元，節能減排經濟效益可觀。

作者：蔡國光單位：上海浦東煤氣制氣有限公司