大型煤化工型空分设备自动控制技术

大型煤化工型空分设备自动控制技术

王景莉

内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司

内蒙古 赤峰 025300

摘要：对于大型煤化工行业，由于其生产过程的特殊性，对空分设备的运行稳定性提出了较高要求。因此，应将各种先进的自动控制技术合理应用于大型煤化工空分设备，有效控制空分设备的运行过程，能确保相关机组的稳定运行，提高生产能效及产品质量，有助于促进煤化工行业持续发展。

关键词：煤化工；空分设备；自动控制

我国大型煤化工型空分设备在不断创新，空分设备的自动化程度也在不断提高，但与国外先进技术相比仍存在较大差距。所以应密切关注大型煤化工型空分设备及其自动控制技术，加大研发经济投入，开发新技术空分设备以满足现代煤化工的生产需求，逐步完善大型煤化工型空分设备及其自动控制技术。

一、大型煤化工型空分设备流程组织形式的选择

大型煤化工空分设备有多种流程组织形式，科学合理选择适形式，能有效降低投资成本，节能减排，对投资商来说较重要。这意味着选择合理的流程组织形式应注意：①全方位考察项目用气情况，包括氧氮气之和、温度变化、比例、液体产量和参数标准等；②准确地计算不同流程组织形式，明确能耗值，确保所需单元设备的货源稳定；③要对所用流程组织于原有空分设备控制系统的兼容状况；④对生产中气体产品的总能耗进行客观估算。例如，一家大型煤化工企业在组织流程选择时，比较分析了氮气增压循环流程、空气增压循环流程整体能耗，结果发现，前者的能耗比后者高350 kw。煤化工项目核心生产流程所要求高压氮气温度不低于8l℃，若采用增压循环流程，应加热高压氮气，能耗约520 kw。因此，从整体能耗比较来看，前者较合理。

二、空分设备中的ITCC控制技术

在煤化工生产中，蒸汽常用自产方式，汽轮机能拖动空压机组、增压循环压缩机组。ITCC又称CCS压缩机组综合控制技术，是指用独立于DCS系统的CCS系统对汽轮机、空压机、增压机进行自动化控制。在此控制模式下，所有与自动控制功能相关器件经TUVAK6级安全认证，包括内部总线、I/O接口、主处理器、容错装置、系统电源等。CCS集成了自动控制和联锁保护，形成有机整体，具体控制功能包括机组负荷自动调节、防喘振控制、汽轮机调速、回路控制、程序控制等。在CCS系统操作站帮助下，能远程启机组内相关单元设备，并监控及报警。此外，工业以太网还能实现与DCS系统的数据通信，从而使整个控制过程更加有效。

三、空分设备中的自动变负荷技术

1、自动变负荷技术。该技术根据后续用氧负荷变化设定氧气量，自动调节空压机入口导叶，以达到调节空分设备回路、流量、液位的目的，使氧气产量在规定时间内满足要求。自动变工况需在预测阶段人工设置空分设备所需液氧量，并调整设备回路，如调整膨胀机膨胀量，以确保液氧量满足定量要求。自动变负荷技术和自动变工况技术都应以保证产品纯度为前提，根据液体产品的不同产量要求，设置相关变量，确定最佳控制方案，加强对设定点的有效控制，有效降低能耗。

2、应用。在自动变负荷技术中，引入多变量预测控制技术，即MPC，其基于测试模型，在工业控制现场得到广泛应用，取得良好应用效果，是一种相对先进控制技术。MPC技术可通过在预测时域内输入最佳序列来优化输出计算结果，该技术应用包括模型预测、滚动优化、反馈校正，具有良好鲁棒性技术优势，可用于大滞后强耦合情况。在自动变负荷中，需人为改变氧、液氮、液氧等主要产品产量设定值，以有效控制工艺参数设定点，为自动变负荷奠定基础。通过平稳操作变负荷过程，能有效提高产品质量，避免人工变负荷操作失误。

3、应用效果。自动变负荷技术能实现对操作流程跟踪、调节及控制，为产品质量提供强有力保证。该技术变负荷能力可达75～105%，变负荷调节速率可每分钟调节1%，调节速度快、变化时间短。与人工负荷调节相比，自动变负荷技术提高了调节速度，有效减少氧气放散量。空分设备采用自动变负荷技术，根据预设速率调整变负荷，确保空分设备生产的产品满足高质量要求，保证空分设备的稳定运行，降低故障可能性。

四、大型煤化工型空分设备的自动控制特点

1、空压机、增压循环压缩机、汽轮机控制技术

①SIS安保联锁系统自动控制技术。SIS安保联锁系统是自动控制技术中最重要系统之一，别名为ESD紧急停机系统。内压缩机工作组安全和联锁由安保联锁系统保护，其工作原理是采用容错、冗余技术、故障安全预防设计技术，使机组能安全可靠运转，SIS系统在识别第一次事故后立即发出报警声光信号。报警联锁作用发生后，根据事故时间顺序逐一打印，便于人员有效分析事故原因。SIS安保联锁系统和DCS控制系统各司其责，相对完全独立。煤化工空分设备联锁停机的主要信号记录在安保联锁系统中，一旦煤化工空分设备发生运行故障，安保联锁系统(SIS)将立即自动启动，使整个机组处于安全运行状态。空分设备各机组显示、运行、控制等由DCS系统实现，空分设备各机组将自动联锁显示的主要信号与安保联锁系统连接，然后通过数据交流接入DCS系统；对于要接入SIS及DCS的重要信号可经信号自动分配接入到两个系统内部。

②CCS压缩机组系统自动控制技术。CCS机组系统自动控制技术也称ITCC自动控制技术，其工作原理是增压机、驱动汽轮机和空压机采用和DCS控制技术系统相对独立机组全面控制系统，以达到控制目的。所有与控制相关的部件都应以三重冗余和容错方式装置，启用系统的电源模块应供电给冗余。该技术系统集成了控制和联锁防护功能。该控制系统包括调节机组负荷，控制汽轮机调速，控制机组防喘振，控制机组内单元设备回路、联锁保护、程序执行，对机组内单元设备仪表的显示控制。CCS操作站可对机组内单元设备进行远程操作控制，也可对机组内单元设备进行综合监控和报警处理。此外，还可实现数据信息与主控制系统的交流功能。

2、大型煤化工型空分设备间相关联锁控制技术。大型煤化工型空分设备的正常运行需多种控制系统维持，且控制复杂，因此对某些细节控制不容忽视。例如，当空压机出现停机现象时，需空分设备及空气遇冷控制系统进行连锁控制，停止膨胀机，使增压压缩机进行压力回流，从而降低液氧泵承载量。可见，各设备与系统间存在紧密联系，要采取有效措施解套连环，避免设备启动后立即停机问题。若空分设备及压缩机组使用的控制系统不同，则要对连锁问题进行分析及综合考虑。

五、大型煤化工空分技术与设备的发展方向

降低设备投资与运行成本，以及设备维护成本是未来空分技术发展主要方向，所以我国的空分设备应朝着大型化、新型化方向发展，以提升经济性。目前，我国大型煤化工空分技术的革新仍存在一些困难，但设备制造可得到优化方案及改进方法，如大型设备的运输困难可经分开运输及现场组装来解决。此外，设备的运行能耗是煤化工空分技术发展的另一重要指标，降低企业设备能耗能显著提高整体运行经济性。针对降耗问题，企业可优化核心部件的设计和升级，以提高机组运行效率。同时，企业应加强自动控制研发能力，提高设备的自动控制能力，减少事故发生率，提高运行安全可靠性。为进一步降低投资成本和设备维护量，空分设备的主要方向应是逐步向大型化发展。目前，我国难以充分实现大型关键设备的设计及制造，但应积极优化设计方案，以更好地配合企业实际运行特点。对于大型设备的运输与安装困难，可采用分开运输和现场组装方式，实现工艺设备的构建。降低主控制能耗也是未来空分技术和设备发展的一大方向，所以要对设备运行效率进行分析研究，以降低运行成本，并预先准确计算出设备运行总能耗。同时，要加强煤化工空分设备自动控制系统的研发，以实现生产的自动控制，有效提高生产效率，降低事故风险，提高装置可靠性。

参考文献：

[1]马志虎.试论大型煤化工型空分设备及其自动控制技术[J].化工管理，2017(02):18.