制氢装置控制设计优化

赵宁娟

北京石油化工工程有限公司 陕西西安 710075

摘要：自为XX公司设计的两套制氢装置设计、调试、开车、投产以来，围绕如何更好的提高氢产量、氢纯度的系统整体优化一直在进行进行。在此次的装置自动控制系统的优化中，从当今制氢技术控制方案研究的主要课题出发，结合整个工程的设计施工过程和开车后的现场生产实践发现问题、提出问题、解决问题。完成了制氢装置控制系统的优化，提高了工程装置的运行稳定性，从根本上解决了联合装置的用氢量大的需求。

关键词：控制系统；水碳比；优化控制

1系统需要优化问题的提出

在公司负责设计完成的制氢装置经过现场调试、试车及投产和达产的后，由于下游联合装置生产需要，制氢装置要求能长期不间断地稳定生产，并且要求装置工艺参数控制的精准性和可靠性要高，这对控制系统就有了较高的要求，控制系统自身的逻辑严密性及高品质就很重要。为了实现此工程装置的高自动控制水平，在以前同等装置设计经验和此次控制方案初步设计的基础上分析研究，提出以下问题。

1.1网络系统的存在的问题

广泛应用于工业自动控制中以太网的稳定和可靠直接关系到控制系统的能否运行。在制氢装置控制系统中，是在工业以太网为主网络的基础上，采用光纤网络通讯媒体与制氢装置生产局域网形成光纤环网，配有以太网的通讯模块作为以太网的节点可直接链入光纤以太网。各个上位机通过网络交换机连接形成互联网。由于这次设计的制氢装置控制室与现场距离较远，在基础设计阶段中给与上位机之间只配置一根网线，工业以太网的拓扑连接和网络冗余没有真正充分的实现，以太网的可靠性没有得到保证，而且施工过程中光纤没有避开动力电缆，严重干扰了网络数据传输的真实性，现场调试初期出现网络故障，后期又进行网络的维修、改造严重影响了装置的开车生产工期。

1.2工艺流程控制系统存在的问题

1）水碳比控制系统存在的问题

众所周知，水碳比是制氢装置中一个很重要的参数，制氢控制系统水碳比调节的主要手段是调节加入原料气之中的水蒸气流量。根据装置固定负荷时的原料气流量，增加或减少蒸汽量，使二者之间有连续、规律的函数关系。在制氢装置的生产过程中，通过对两套制氢的设计及现场实际生产过程的研究、跟踪、发现生产过程中，第一套装置原料简单、组分固定，原料气的总碳含量通过人工手动取样分析后，再由操作员手动输入控制程序中装置平稳运行没有问题。但是，第二套装置原料复杂，两路进料形成混合气，气量不稳，也造成了水碳比、燃料气消耗的不稳。没有设置在线总碳分析仪，对原料进行人工取样分析，由于原料成分波动频率较大，使手动取样分析次数增加，有时手动分析结果没有及时输入，导致水碳比上下浮动过大，进而影响了催化剂质量，再加上控制回路采用单闭环比值控制，以致整个装置运行不稳，装置操作波动较大能耗较高。

2）变压吸附系统存在的问题

以前设计的装置存在氢回收率低，氢回收率是变压吸附装置的主要考核指标之一，它的定义是从变压吸附装置获得的产品中被回收氢组分绝对量占进入变压吸附装置的原料气中氢组分绝对量的百分比。经过生产实际经验和专家的分析，原制氢装置影响氢回收率的因素有进料流速、进料温度进料带水、吸附时间。吸附时间为在线自动无法很好掌控吸附时间，导致氢回收率下降。除此之外原装置不具备任意、连续、全自动切塔功能，如果每个塔系列中各有一个塔故障时，装置就需停车，因此装置的可靠性未达到目前的先进水平，控制软件已经落后。

1.3 生产装置安全联锁系统的优化

然而实际生产时，如果连锁条件或联锁值设置不当，往往会造成一些不必要的停车，这对正常生产和管理会带来很大的影响，制氢装置由于为临氢操作且操作温度很高，一旦出现事故而没有及时处理的话，后果不堪设想。

在制氢装置的正常生产过程中，鼓引风机的停运，风门挡板的开关直接影响转化炉的正常运行。初步设计阶段制氢装置设有燃烧空气压力低低联锁和转换炉炉膛压力高高联锁，在装置进行软件在线调试阶段，造成备机无法正常启动，导致装置大联锁停车。

2 制氢装置系统进行优化的设计方案

对于装置的初步设计中控制系统存在的以下这些问题，经过现场生产前调试的实践，通过对联锁控制方案的进一步分析研究，确定了以下优化方案，并对现运行装置进行改造，彻底地解决装置控制系统存在的隐患问题，更有效的保护设备与催化剂，尽可能地保证装置的平稳运行，确保下游用氢装置的正常生产^{[36] ,[37]}。

2.1 网络系统的优化

鉴于实际存在的问题，在原设计资料的基础上增加了两条网线，布线时按原有电缆的路径进行，但考虑到电磁兼容原理，将线缆与动力电缆分层放置，避免造成信号的干扰。另外为了实现更好的真正的网络冗余，又在网络上增加了一台网络交换机。经过以上网络系统改造优化极大程度上提高了网络的稳定性和可靠性。

2.2水碳比系统的优化控制

水碳比精确控制直接影响节能效果，降低0.1水碳比，每年节约接近一炉催化剂费用。水碳比控制系统，将自动控制在不同负荷下进入蒸汽转化炉的混合气中的水碳比为摩尔比3.5(相当于标况体积比)，增加负荷时，先增加水蒸汽流量；减少负荷时，先减少天然气流量，避免混合气中水碳比瞬时过低。混合气的水碳比通过以下公式进行计算：天然气中单组分流量为Fi，总碳FC的计算公式为：

加入的水蒸汽量为FH₂O，则：

在装置正常的生产过程中，要保证最理想真实的水碳比H/C的值，在装置运行负荷一定的情况下，计算过程如下：

装置的运行负荷及生产能力定义为：

（1）

式中分母为混合干气工况下生产35000Nm3/h的纯氢所需要的原料气量，对于别的工况可以通过选择开关，更换新的分母数值。

由上式推断可得： （2）

由式（2）计算的数值作为原料流量的设定值，因为不同工况时原料量不同，同种工况组分也有差异，导致原料用量不同，所以引入总碳分析仪在不同工况、不同原料组分下的在线检测数值，使原料能达到一个稳定有效的值，由此计算出所需要的工艺蒸汽流量如下： （3）

式中 为在线分析仪测量的烃类原料的分子量，根据新工况下的原料实际组分计算原料气进料碳数量Cz。由上式（3）计算的工艺蒸汽流量用于配汽流量的设定值，在DCS系统中，实现以上计算的情况下，就是通过汽包三冲量的控制保证装置有充足的工艺蒸汽以达到 的控制要求，实现真实理想水碳比。

如实际天然气组分与初步设计值相差加大时，需根据实际组分重新手动输入参数调整水碳比计算公式。然后进行水碳比计算（如图-1）。达到随着装置运行负荷变化、原料气组分变化及时调整水碳比的目的。

图-1水碳比系统优化控制方案图

按照制氢装置水碳比控制的要求，原料气与工艺蒸汽交叉限幅的调节比值控制系统，构建一个显示画面（如图-2所示）包括FC_CONT、FC_SEL、FH2O_SEL、FH2O_CONT、FH2O_RTIO和DEMAND模块的面板显示图。并将一些参数趋势图安装连接到顶部菜单，方便操作人员随时调出显示，如FH2O_CONT.MEAS、FC_CONT.MEAS和DEMAND.OUT。模拟控制过程观察原料气流量与工艺蒸汽流量的稳态值必须符合装置设定水碳比的要求，改变DEMAND.OUT，当原料气增加时，蒸汽流量增加；且当蒸汽流量不足时将产生原料气流量下降，以预防催化剂的损坏。增加了负荷波动反向调节控制，当负荷波动时，以蒸汽量为基准，调节天然气量。

图-2水碳比模拟优化控制组态示意框图

通过实施以上先进控制，可以改善过程控制的动态性能、实现精准控制装置的水碳比，减少变量波动幅度，减少配汽量不稳造成的中压蒸汽消耗；通过先进控制进一步平稳原料量，使装至操作更趋于稳定。水碳比控制系统改进是为了达到水碳比控制平稳目的，使制氢操作稳定。随着近年来制氢工艺技术日新月异的不断发展，将会出现更为合理先进的水碳比控制方案，以满足更高制氢工业生产自动化水平的需要。

2.3变压吸附系统的优化控制

影响氢气回收率的因素有很多，总结前次教训经验，针对此次设计做出以下优化措施：防止进料带水、控制进料压力、手动控制调整吸附时间、提高在线分析仪的稳定性。

进料带水会对吸附剂的使用寿命产生致命危害，所以进料气要严格脱水，通常工艺上会设有进料气水分离罐，从控制系统的角度设置分离罐液位报警，此次设置了PSA外部液位联锁保护，当液位高于80%时，会自动联锁停变压吸附系统。

在原料气进入PSA之前设置压力调节控制回路，严格讲进口压力控制在变压吸附要求的2.3MPa。变压吸附是吸附量随压力的升高而增加的物理过程。在较高压力下，氢气的吸附量也增加，回收率反而下降，所以吸附压力并不是越高越好。吸附时间改为手动调整模式，一定进料下，吸附时间过长会造成杂质超载；时间太短又不能充分利用吸附剂。所以应根据实际进料流量的大小合理地调整吸附时间，如果吸附时间设定至最小产品仍然不合格，则降低进料流量，处理量减少，产品质量很快就能达到指标要求；产品纯度达标后，再慢慢调整吸附时间，最终达到提高氢回收率的目的。

2.4 鼓引风机安全联锁系统的优化方案

1. 燃烧空气压力低低联锁：调试投运时，当热空气进转换炉压力低于20Pa时启备用鼓风机，此时备用鼓风机出口阀全开，入口阀需要手动调节，来不及调节时压力就低于0Pa，此时停运引风机或全装置停车；在停运引风机时又造成转换炉炉膛压力大，全装置联锁停车。如果不投用，当发生鼓风压力低时，转换炉炉膛负压增大，此时炉膛并不灭火，适当调节鼓引风机入口阀就可以稳住炉膛负压，避免装置停车现象，所以此次改造优化时，取消空气压力低低联锁，只进行报警。且只投用启备机联锁，在装置大联锁中增设引风机延时联锁

2. 转换炉炉膛压力高高联锁：调试投运时，当转化炉炉膛压力高于0Pa时启备用引风机，此时备用引风机出口阀全开，入口阀需要手动调节，来不及调节时压力就高于50Pa，此时停运鼓风机或风门挡板动作造成全装置停车；在停运鼓风机时又造成热空气进转换炉压力低低联锁停车。如果不投用，当发生炉膛压力高时，短时间内炉膛并不灭火，适当调节鼓风机入口阀就可以稳住炉膛负压，避免装置停车现象，所以此次改造优化时，只投用启备机联锁，在装置大联锁中增设鼓风机延时联锁^[44]。

3 系统进行优化后运行情况说明

经过以上自动控制系统的优化改造，制氢装置运行至今尚未出现过设备损坏或无故停车的事故。

经过系统优化改造，制氢装置的各项工艺参数调控精准、可靠。本文对装置中水碳比控制不精确、产生延迟等原因进行分析，采用增加在线分析总碳的仪表，修改控制方法加以优化，使水碳比由原来3.7降至3.5的设计值。可以满足负荷变动后的各种调控要求，装置运行的各项指标明显好转，氢气回收率明显提高，并已见成效。

（1）本文对装置中水碳比控制不精确、产生延迟等原因进行分析，采用增加在线分析总碳的仪表，修改控制方法加以优化，使水碳比由原来3.7降至3.5的设计值。

（2）进PSA前分液罐液位，测量不可靠会造成吸附剂损坏，所以通过引入SIS系统与PSA进行联锁停车的方法加以解决，优化PSA吸附时间的调整方式，使产品氢纯度达到99.99%和氢气回收率提高到92%。

（3）本文通过优化鼓引风机联锁逻辑程序，达到装置过程联锁启备机，大联锁延时20s停机的要求.

（4）设计的改造方案对已经建成的装置进行优化后，关键工艺参数控制更加稳定，装置能耗大幅度下降能耗对比优化改造数据一个季度减少639.87 kg.oil/t。

经过生产实践证明，制氢装置控制系统的优化，提高了装置运行的稳定性，采用了严密的控制手段以达到严格的控制理论，保证制氢装置的正常生产。

4小结

本文主要说明了制氢装置控制系统的优化从提出问题到解决问题的过程，详细说明了装置进行优化改造所用的方法，通过经验总结和生产实践对装置优化改造的结果进行了说明，以上的优化改造控制方案给炼厂的生产带来了极为可观的效益。

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