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)。離開氣化爐后，進入洗滌冷卻器，然后進入廢熱鍋爐進行廢熱利用和進一步清洗。洗滌中使用的介質(zhì)為氣水，通過廢熱鍋爐底部與洗滌冷卻器之間的循環(huán)泵循環(huán)，通過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廢熱鍋爐，然后通過氣液分離器分離，進入下一個邊界區(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。氣化爐正常運行時，廢熱鍋爐底部的液位應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。當(dāng)液位過高時，粗氣進入廢熱鍋爐的阻力增加，粗氣中含有大量水蒸氣；當(dāng)液位過低時，進入廢熱鍋爐的粗氣溫為181℃廢熱鍋爐的正常運行溫度約為161~175℃之間，液位過低將會使廢熱鍋爐運行于較高溫度下，對設(shè)備造成損壞。因此，在廢熱鍋爐下部設(shè)計了調(diào)節(jié)閥，以實現(xiàn)液位的自動控制。

氣化爐廢熱鍋爐工藝流程圖1

在氣化爐運行過程中，煤粉、灰、焦油積聚在廢熱鍋爐中，會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)超過粗氣孔時，會導(dǎo)致進氣阻力顯著增加，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行，為防止上述情況，需要設(shè)置自動反沖洗裝置，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控制兩種策略作用時間的分配，相互切換時干擾設(shè)計。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控制。

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

c.反沖洗順序控制時，廢熱鍋爐只有進水，無排水，液位變化明顯，調(diào)節(jié)閥液位自動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

針對上述的某煤制天然氣項目廢熱鍋爐底部液位自動控制由PID通過現(xiàn)場雙法蘭差壓液位計檢測液位，然后根據(jù)調(diào)節(jié)閥的特點設(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)廢熱鍋爐正常運行時，CH038閥門和底部調(diào)節(jié)閥打開，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一定值時，不允許投入反沖洗程序控制，但可手動反沖洗。如果廢熱鍋爐堵塞，需要到現(xiàn)場疏浚。只有當(dāng)粗氣出洗滌冷卻器溫度低于一定值時，才允許投入反沖洗程序控制。具體操作如下：首先單擊A點擊S程序控制開始，自動關(guān)閉CH038閥門，打開CH039閥，使高壓氣水反沖廢熱鍋爐底部，操作人員可根據(jù)工況變化手動設(shè)置底部調(diào)節(jié)閥的峰值、谷值、長度和周期，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時。在達(dá)到間隔計時的設(shè)定值后，反沖洗程序控制將自動投入。如果程序控制執(zhí)行時閥門未打開或關(guān)閉，程序控制將自動退出，以確保設(shè)備處于安全狀態(tài)，并發(fā)送報警信息。反沖洗屏幕的下部是底部調(diào)節(jié)閥開度的實時趨勢，方便操作人員觀察程序控制的狀態(tài)。此外，根據(jù)實際情況，操作人員可以隨時點擊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)運行。除反沖洗運行時間外，其他時間均為液位自動控制。作者設(shè)計的解決方案如圖3所示。

圖3底部調(diào)節(jié)閥控制方案

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當(dāng)液位自動控制切換到反沖洗程序控制時，控制程序發(fā)出指令，使程序控制開始工作，調(diào)整閥接收程序控制指令并改變開度。此時，液位PID控制仍處于自動狀態(tài)，但不影響閥門，PID當(dāng)反沖洗程序控制切換到液位自動控制時，控制程序發(fā)出另一個指令，閥門開度立即返回PID保持的開度值、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，進入反沖洗間隔計時，等待下一個程序控制的執(zhí)行，但在間隔計時過程中，反沖洗程序控制始終跟蹤液位PID控制輸出。

通過上述方案設(shè)計，實現(xiàn)兩種控制策略的時間分配和無干擾切換。由于反沖洗程序控制的作用，高壓噴射氣水只進入廢熱鍋爐，但無出口排放，程序控制后液位將大幅上升，因此根據(jù)調(diào)節(jié)閥的特點設(shè)置最佳液位自動控制PID實現(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)計的控制方案投入實際工程，需要逐步投入調(diào)試控制方案，實現(xiàn)液位PID最優(yōu)化控制參數(shù)，完善程序控制，最終在實際工程中得到有效應(yīng)用。

3.自動控制1 液位

為了實現(xiàn)底部調(diào)節(jié)閥對液位的自動控制，需要對液位進行控制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，控制的超調(diào)量為2.78%，穩(wěn)定時間為300s，如圖4所示a所示；當(dāng)時液位設(shè)定值由55%降至50%，控制的超調(diào)量為3%，穩(wěn)定時間為147s，如圖4所示b所示。

圖4液位控制效果

通過對上述兩種不同參數(shù)下的控制效果圖的比較，當(dāng)參數(shù)為第二種情況時，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投入使用時，程序控制屏幕中的所有參數(shù)都由操作人員根據(jù)實際情況設(shè)置。反沖洗程序控制涉及三個閥門的狀態(tài)：CH038閥、CH039閥按程序打開和關(guān)閉；底部調(diào)節(jié)閥按設(shè)定的參數(shù)脈動。反沖洗程序控制完全滿足了反沖洗控制過程的要求。

3.3 液位自動控制與反沖程序控制的聯(lián)合作用

經(jīng)過液位PID控制和反沖洗程序控制單獨調(diào)試后，結(jié)合兩者，共同投入現(xiàn)場設(shè)備控制，根據(jù)實際控制效果繼續(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，液位PID控制立即恢復(fù)，液位分別上升4.41%和8.54%，但通過PID分別通過49和200控制s，調(diào)整液位穩(wěn)定。因此，可以得出結(jié)論：無論廢熱鍋爐在什么工況下運行，作者設(shè)計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

根據(jù)控制方案的實際應(yīng)用效果圖，我們可以看到作者設(shè)計的控制方案：液位PID控制和反沖洗程序控制自動、無擾切換，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單，參數(shù)修改方便，完全按工藝要求控制。作者設(shè)計的控制方案不僅解決了操作控制的困難，而且實現(xiàn)了工藝要求，取得了滿意的效果。