廢熱鍋爐底部的調(diào)節(jié)閥既要控制廢熱鍋爐底部的液位，也要對(duì)廢熱鍋爐反沖洗進(jìn)行控制，因此對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制成為工藝上的難點(diǎn)。為此，設(shè)計(jì)一套控制方案，實(shí)現(xiàn)了此調(diào)節(jié)閥兩種控制的自動(dòng)無(wú)擾切換和協(xié)調(diào)，將其應(yīng)用于某煤制天然氣項(xiàng)目的氣化爐，獲得了較好的控制效果。

　　氣化爐是煤制天然氣工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，目前應(yīng)用較多的是碎煤加壓氣化爐，其優(yōu)勢(shì)有：自熱式工藝，所需熱量由煤的部分燃燒提供;加壓有利于氣化爐中反應(yīng)效率的提高。廢熱鍋爐是氣化爐不可缺少的部分，氣化爐產(chǎn)生的粗煤氣中含有大量的煤、灰及焦油等雜質(zhì)，在離開氣化爐后進(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)一步的洗滌，洗滌所用到的介質(zhì)為煤氣水，并且在廢熱鍋爐底部和洗滌冷卻器之間通過(guò)循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)洗滌后含有煤塵和冷凝焦油的煤氣水都能通過(guò)廢熱鍋爐底部管線排出。因此，洗滌所用的高壓煤氣水需不斷地補(bǔ)入，以保持廢熱鍋爐底部的液位。洗滌后的粗煤氣從頂部離開廢熱鍋爐后，再由氣液分離器進(jìn)行分離后，進(jìn)入下一界區(qū)，氣液分離器產(chǎn)生的煤氣水再返回廢熱鍋爐進(jìn)行循環(huán)利用。

1、工藝介紹

　　圖1所示為某煤制天然氣項(xiàng)目氣化爐的廢熱鍋爐工藝流程圖。氣化爐在正常運(yùn)行時(shí)，廢熱鍋爐底部的液位要控制在合理范圍內(nèi)，液位過(guò)高時(shí)，增加了粗煤氣進(jìn)入廢熱鍋爐的阻力，且會(huì)導(dǎo)致粗煤氣中含有大量的水蒸氣;液位過(guò)低時(shí)，由于進(jìn)入廢熱鍋爐粗煤氣溫度為181℃左右，而廢熱鍋爐的正常操作溫度在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。

圖1 氣化爐廢熱鍋爐工藝流程

　　氣化爐運(yùn)行過(guò)程中，粗煤氣帶出的煤粉、灰與焦油在廢熱鍋爐中積聚，會(huì)造成廢熱鍋爐底部堵塞，造成廢鍋底部液位的升高，當(dāng)超過(guò)粗煤氣進(jìn)氣孔時(shí)，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣阻力明顯增大，導(dǎo)致洗滌冷卻器出口溫度升高，進(jìn)而影響粗煤氣和煤氣水的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，為防止上述情況的發(fā)生，需設(shè)置自動(dòng)反沖洗裝置，對(duì)廢熱鍋爐進(jìn)行定期的反沖洗，反沖洗作用將廢熱鍋爐中沉積的雜質(zhì)與煤氣水充分混合，通過(guò)底部管線排出廢熱鍋爐。工藝過(guò)程控制上的難點(diǎn)包括：

　　a.反沖洗順序控制與液位自動(dòng)控制兩種策略作用時(shí)間的分配，相互切換時(shí)的自動(dòng)、無(wú)擾動(dòng)設(shè)計(jì)。根據(jù)上述的工藝要求，反沖洗順序控制為周期循環(huán)控制，防止閥門與管線堵塞，但氣化爐處于正常工況下，要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)的、無(wú)需人工操作的過(guò)程，必須嚴(yán)格按照工藝要求、反沖洗步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，且要考慮到順序控制過(guò)程中出現(xiàn)的各種意外情況。

　　c.當(dāng)執(zhí)行反沖洗順序控制時(shí)，廢熱鍋爐中只有進(jìn)水，無(wú)排水，所以液位會(huì)有明顯變化，則要求調(diào)節(jié)閥的液位自動(dòng)控制必須有較高的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

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控制實(shí)現(xiàn)，液位由現(xiàn)場(chǎng)的雙法蘭差壓液位計(jì)檢測(cè)，再根據(jù)調(diào)節(jié)閥的特性，設(shè)定合理的PID參數(shù)，以獲得最佳的調(diào)節(jié)品。反沖洗順序控制由程序?qū)崿F(xiàn)，具體程序流程如圖2所示。

圖2 反沖洗順序控制程序流程

　　廢熱鍋爐正常運(yùn)行工況時(shí)，CH038閥門、底部調(diào)節(jié)閥均打開，將含雜質(zhì)的煤氣水排出廢熱鍋爐。當(dāng)粗煤氣出洗滌冷卻器溫度超過(guò)某定值時(shí)，反沖洗程控不允許投入，但可以手動(dòng)反沖洗，若是因廢熱鍋爐堵塞導(dǎo)致，需到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行疏通處理。只有粗煤氣出洗滌冷卻器的溫度低于某定值時(shí)，反沖洗程控才允許投入。具體操作為：先點(diǎn)擊“A”，再點(diǎn)擊“S”，程序控制開始，自動(dòng)關(guān)閉CH038閥門，打開CH039閥門，使高壓煤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)定底部調(diào)節(jié)閥的開度脈動(dòng)的峰值、谷值、長(zhǎng)度和周期，使高壓煤氣水具有一定的沖擊力，將沉積下的雜質(zhì)與煤氣水混合，以達(dá)到反沖洗的目的。本次反沖洗結(jié)束后，關(guān)閉CH039閥門，打開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)。程序控制進(jìn)行反沖洗間隔計(jì)時(shí)，到達(dá)間隔計(jì)時(shí)的設(shè)定值后，反沖洗程序控制再自動(dòng)投入。若程序控制執(zhí)行時(shí)，閥門出現(xiàn)未開、關(guān)到位的情況，程序控制會(huì)自動(dòng)退出，保證設(shè)備處于安全狀態(tài)，且發(fā)出報(bào)警信息。反沖洗畫面下部為底部調(diào)節(jié)閥開度的實(shí)時(shí)趨勢(shì)，便于操作員觀察程序控制的狀態(tài)。另外，操作員根據(jù)實(shí)際工況，在任何時(shí)間都可以通過(guò)點(diǎn)擊“M”，就可將程序控制切除。

　　兩種控制策略均對(duì)底部調(diào)節(jié)閥作用，廢熱鍋爐的反沖洗程序控制為循環(huán)運(yùn)行，除了反沖洗運(yùn)行的時(shí)間以外，其他時(shí)間均為液位的自動(dòng)控制，針對(duì)兩種控制運(yùn)行時(shí)間的分配、切換，筆者所設(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

　　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，使程序控制開始作用，調(diào)節(jié)閥接收程控的指令而進(jìn)行開度的變化，此時(shí)液位PID控制仍為自動(dòng)狀態(tài)，但不對(duì)閥門作用，且PID的輸出保持在切換時(shí)的數(shù)值;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)出另一指令，閥門開度立即回到PID所保持的開度數(shù)值，液位PID控制立即恢復(fù)作用，調(diào)節(jié)閥門對(duì)液位進(jìn)行控制，此時(shí)反沖洗程控不對(duì)閥門進(jìn)行控制，進(jìn)入反沖洗間隔計(jì)時(shí)，等待下一次程控的執(zhí)行，但在間隔計(jì)時(shí)過(guò)程中，反沖洗程控時(shí)刻跟蹤液位PID控制的輸出。

　　通過(guò)上述的方案設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種控制策略的時(shí)間分配、無(wú)擾動(dòng)切換。由于反沖洗程控作用時(shí)，高壓噴射煤氣水只進(jìn)入廢熱鍋爐，但無(wú)出口排出，因此程控結(jié)束后，液位會(huì)有較大的升高，所以液位自動(dòng)控制應(yīng)根據(jù)調(diào)節(jié)閥的特性，設(shè)置最優(yōu)的PID控制參數(shù)，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

　　將筆者設(shè)計(jì)的控制方案投入到實(shí)際的工程中，需對(duì)該控制方案分步投入、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)液位PID控制參數(shù)的最優(yōu)化、程序控制的完善化，最終得以在實(shí)際工程中有效應(yīng)用。

3.1、液位自動(dòng)控制

　　為實(shí)現(xiàn)底部調(diào)節(jié)閥對(duì)液位的自動(dòng)控制，需對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試、優(yōu)化，以獲得最佳的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

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

圖4 液位控制效果

　　通過(guò)上述兩種在不同參數(shù)下的控制效果圖的對(duì)比可知：參數(shù)為第二種情況時(shí)，液位控制的超調(diào)量變化不大，且實(shí)現(xiàn)了的液位的快速穩(wěn)定，控制品質(zhì)最佳。

3.2、反沖洗程序控制

　　反沖洗程序控制單獨(dú)投入使用時(shí)，程序控制畫面中所有參數(shù)均由操作人員根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)定。反沖洗程控涉及3個(gè)閥門的狀態(tài)：CH038閥、CH039閥均按程序進(jìn)行開、關(guān)動(dòng)作;底部調(diào)節(jié)閥按所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行脈動(dòng)。反沖洗程序控制完全實(shí)現(xiàn)了工藝上對(duì)反沖洗控制的要求。

3.3、液位自動(dòng)控制與反沖洗程序控制聯(lián)合作用

　　經(jīng)過(guò)液位PID控制與反沖洗程控的單獨(dú)調(diào)試后，再將二者結(jié)合起來(lái)，共同投入到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制中，根據(jù)實(shí)際的控制效果，繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化、提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。當(dāng)反沖洗程序控制退出后，液位PID控制立即恢復(fù)作用，此時(shí)液位已分別上升4.41%和8.54%，但通過(guò)PID控制，分別經(jīng)過(guò)49、200s，便將液位調(diào)節(jié)穩(wěn)定。因此可以得出：無(wú)論廢熱鍋爐運(yùn)行于何種工況下，筆者設(shè)計(jì)的控制方案都能順利完成反沖洗控制，且能快速調(diào)節(jié)穩(wěn)定液位，獲得了較好的控制效果。

4、結(jié)束語(yǔ)

　　根據(jù)控制方案實(shí)際應(yīng)用的效果圖，可以看出筆者所設(shè)計(jì)的控制方案：液位PID控制與反沖洗程序控制自動(dòng)、無(wú)擾切換，大大減小了操作人員的工作量;液位PID控制具有較高的調(diào)節(jié)品質(zhì)，反沖洗程序控制操作簡(jiǎn)單，參數(shù)修改方便，完全按照工藝要求進(jìn)行控制。筆者設(shè)計(jì)的控制方案，不僅解決了運(yùn)行控制上的難點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)了工藝的要求，獲得了滿意的效果。