氣化爐是煤制天然氣工藝中的關(guān)鍵設(shè)備。目前，碎煤加壓氣化爐應(yīng)用廣泛。其優(yōu)點(diǎn)是：自熱工藝，所需熱量由煤部分燃燒提供；加壓有利于提高氣化爐的反應(yīng)效率。廢熱鍋爐是氣化爐不可缺少的一部分。氣化爐產(chǎn)生的粗氣體含有大量的煤、灰、焦油等雜質(zhì)。離開(kāi)氣化爐后，進(jìn)入洗滌冷卻器，然后進(jìn)入廢熱鍋爐進(jìn)行廢熱利用和進(jìn)一步清洗。洗滌中使用的介質(zhì)為氣水，通過(guò)廢熱鍋爐底部與洗滌冷卻器之間的循環(huán)泵循環(huán)，通過(guò)廢熱鍋爐底部的管道排出含有灰塵和冷凝焦油的氣水。因此，需要不斷補(bǔ)充洗滌中使用的高壓氣水，以保持廢熱鍋爐底部的液位。洗滌后的粗氣從頂部離開(kāi)廢熱鍋爐，然后通過(guò)氣液分離器分離，進(jìn)入下一個(gè)邊界區(qū)域。氣液分離器產(chǎn)生的氣水回收廢熱鍋爐。

1 工藝介紹

圖1顯示了煤制天然氣工程氣化爐廢熱鍋爐的工藝流程圖。氣化爐正常運(yùn)行時(shí)，廢熱鍋爐底部的液位應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。當(dāng)液位過(guò)高時(shí)，粗氣進(jìn)入廢熱鍋爐的阻力增加，粗氣中含有大量水蒸氣；當(dāng)液位過(guò)低時(shí)，進(jìn)入廢熱鍋爐的粗氣溫為181℃廢熱鍋爐的正常運(yùn)行溫度約為161~175℃之間，液位過(guò)低將會(huì)使廢熱鍋爐運(yùn)行于較高溫度下，對(duì)設(shè)備造成損壞。因此，在廢熱鍋爐下部設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)閥，以實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)控制。

氣化爐廢熱鍋爐工藝流程圖1

在氣化爐運(yùn)行過(guò)程中，煤粉、灰、焦油積聚在廢熱鍋爐中，會(huì)造成廢熱鍋爐底部堵塞，導(dǎo)致廢熱鍋爐底部液位增加，當(dāng)超過(guò)粗氣孔時(shí)，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣阻力顯著增加，導(dǎo)致洗滌冷卻器出口溫度升高，影響粗氣和氣水的正常運(yùn)行，為防止上述情況，需要設(shè)置自動(dòng)反沖洗裝置，定期反沖洗，反沖洗將沉積在廢熱鍋爐中的雜質(zhì)與氣水充分混合，通過(guò)底部管道排出廢熱鍋爐。工藝控制的困難包括：

a.反沖洗順序控制和液位自動(dòng)控制兩種策略作用時(shí)間的分配，相互切換時(shí)干擾設(shè)計(jì)。根據(jù)上述工藝要求，反沖洗順序控制為周期循環(huán)控制，防止閥門和管道堵塞，但氣化爐處于正常狀態(tài)，始終投入廢熱鍋爐液位的自動(dòng)控制。

b.反沖洗順序控制是一個(gè)自動(dòng)、無(wú)人工操作的過(guò)程，必須嚴(yán)格按照工藝要求和反沖洗步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮順序控制過(guò)程中的各種事故。

c.反沖洗順序控制時(shí)，廢熱鍋爐只有進(jìn)水，無(wú)排水，液位變化明顯，調(diào)節(jié)閥液位自動(dòng)控制必須具有較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量。

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2 解決方案

針對(duì)上述的某煤制天然氣項(xiàng)目廢熱鍋爐底部液位自動(dòng)控制由PID通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)雙法蘭差壓液位計(jì)檢測(cè)液位，然后根據(jù)調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)設(shè)置合理的液位PID參數(shù)，以獲得最佳的調(diào)。反沖洗順序由程序控制，具體程序流程如圖2所示。

圖2

當(dāng)廢熱鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，CH038閥門和底部調(diào)節(jié)閥打開(kāi)，排出含雜質(zhì)的廢熱鍋爐。當(dāng)粗氣出洗滌冷卻器溫度超過(guò)一定值時(shí)，不允許投入反沖洗程序控制，但可手動(dòng)反沖洗。如果廢熱鍋爐堵塞，需要到現(xiàn)場(chǎng)疏浚。只有當(dāng)粗氣出洗滌冷卻器溫度低于一定值時(shí)，才允許投入反沖洗程序控制。具體操作如下：首先單擊A點(diǎn)擊S程序控制開(kāi)始，自動(dòng)關(guān)閉CH038閥門，打開(kāi)CH039閥，使高壓氣水反沖廢熱鍋爐底部，操作人員可根據(jù)工況變化手動(dòng)設(shè)置底部調(diào)節(jié)閥的峰值、谷值、長(zhǎng)度和周期，使高壓氣水具有一定的沖擊力，將沉積的雜質(zhì)與氣水混合，達(dá)到反沖洗的目的。反沖洗后，關(guān)閉CH039閥門，打開(kāi)CH038閥門，底部調(diào)節(jié)閥恢復(fù)到程序控制投入前的狀態(tài)。程序控制反沖洗間隔計(jì)時(shí)。在達(dá)到間隔計(jì)時(shí)的設(shè)定值后，反沖洗程序控制將自動(dòng)投入。如果程序控制執(zhí)行時(shí)閥門未打開(kāi)或關(guān)閉，程序控制將自動(dòng)退出，以確保設(shè)備處于安全狀態(tài)，并發(fā)送報(bào)警信息。反沖洗屏幕的下部是底部調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的實(shí)時(shí)趨勢(shì)，方便操作人員觀察程序控制的狀態(tài)。此外，根據(jù)實(shí)際情況，操作人員可以隨時(shí)點(diǎn)擊M程序控制可以切除。

兩種控制策略都作用于底部調(diào)節(jié)閥。廢熱鍋爐的反沖洗程序控制為循環(huán)運(yùn)行。除反沖洗運(yùn)行時(shí)間外，其他時(shí)間均為液位自動(dòng)控制。作者設(shè)計(jì)的解決方案如圖3所示。

圖3底部調(diào)節(jié)閥控制方案

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當(dāng)液位自動(dòng)控制切換到反沖洗程序控制時(shí)，控制程序發(fā)出指令，使程序控制開(kāi)始工作，調(diào)整閥接收程序控制指令并改變開(kāi)度。此時(shí)，液位PID控制仍處于自動(dòng)狀態(tài)，但不影響閥門，PID當(dāng)反沖洗程序控制切換到液位自動(dòng)控制時(shí)，控制程序發(fā)出另一個(gè)指令，閥門開(kāi)度立即返回PID保持的開(kāi)度值、液位PID控制立即恢復(fù)，調(diào)整閥門控制液位，反沖洗程序控制不控制閥門，進(jìn)入反沖洗間隔計(jì)時(shí)，等待下一個(gè)程序控制的執(zhí)行，但在間隔計(jì)時(shí)過(guò)程中，反沖洗程序控制始終跟蹤液位PID控制輸出。

通過(guò)上述方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)兩種控制策略的時(shí)間分配和無(wú)干擾切換。由于反沖洗程序控制的作用，高壓噴射氣水只進(jìn)入廢熱鍋爐，但無(wú)出口排放，程序控制后液位將大幅上升，因此根據(jù)調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)設(shè)置最佳液位自動(dòng)控制PID實(shí)現(xiàn)液位控制的快速性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

3 應(yīng)用效果

將作者設(shè)計(jì)的控制方案投入實(shí)際工程，需要逐步投入調(diào)試控制方案，實(shí)現(xiàn)液位PID最優(yōu)化控制參數(shù)，完善程序控制，最終在實(shí)際工程中得到有效應(yīng)用。

3.自動(dòng)控制1 液位

為了實(shí)現(xiàn)底部調(diào)節(jié)閥對(duì)液位的自動(dòng)控制，需要對(duì)液位進(jìn)行控制PID調(diào)試和優(yōu)化控制器的參數(shù)，以獲得最佳的調(diào)整質(zhì)量。

當(dāng)P=2、I=60s當(dāng)液位設(shè)定值從55%下降到50%時(shí)，控制的超調(diào)量為2.78%，穩(wěn)定時(shí)間為300s，如圖4所示a所示；當(dāng)時(shí)液位設(shè)定值由55%降至50%，控制的超調(diào)量為3%，穩(wěn)定時(shí)間為147s，如圖4所示b所示。

圖4液位控制效果

通過(guò)對(duì)上述兩種不同參數(shù)下的控制效果圖的比較，當(dāng)參數(shù)為第二種情況時(shí)，液位控制的超調(diào)量變化不大，液位快速穩(wěn)定，控制質(zhì)量最好。

3.2 反沖洗程序控制

當(dāng)反沖洗程序控制單獨(dú)投入使用時(shí)，程序控制屏幕中的所有參數(shù)都由操作人員根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。反沖洗程序控制涉及三個(gè)閥門的狀態(tài)：CH038閥、CH039閥按程序打開(kāi)和關(guān)閉；底部調(diào)節(jié)閥按設(shè)定的參數(shù)脈動(dòng)。反沖洗程序控制完全滿足了反沖洗控制過(guò)程的要求。

3.3 液位自動(dòng)控制與反沖程序控制的聯(lián)合作用

經(jīng)過(guò)液位PID控制和反沖洗程序控制單獨(dú)調(diào)試后，結(jié)合兩者，共同投入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制，根據(jù)實(shí)際控制效果繼續(xù)優(yōu)化和提高調(diào)整質(zhì)量。當(dāng)反沖洗程序控制退出時(shí)，液位PID控制立即恢復(fù)，液位分別上升4.41%和8.54%，但通過(guò)PID分別通過(guò)49和200控制s，調(diào)整液位穩(wěn)定。因此，可以得出結(jié)論：無(wú)論廢熱鍋爐在什么工況下運(yùn)行，作者設(shè)計(jì)的控制方案都能成功完成反沖洗控制，快速調(diào)整穩(wěn)定液位，取得良好的控制效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)控制方案的實(shí)際應(yīng)用效果圖，我們可以看到作者設(shè)計(jì)的控制方案：液位PID控制和反沖洗程序控制自動(dòng)、無(wú)擾切換，大大降低了操作人員的工作量；液位PID控制質(zhì)量高，反沖洗程序控制操作簡(jiǎn)單，參數(shù)修改方便，完全按工藝要求控制。作者設(shè)計(jì)的控制方案不僅解決了操作控制的困難，而且實(shí)現(xiàn)了工藝要求，取得了滿意的效果。