IGCC中氣化爐控制系統(tǒng)的研究高貴剛,等IGCC中氣化爐控制系統(tǒng)的研究Research on the Control System for Gasifier in Integrated Gas Combined Circulation高貴剛'王會芹2唐艷伶(北京康吉森自動化設(shè)備技術(shù)有限公司' ,北京100012;中國傳媒大學(xué)”,北京100024;河北 省任丘市華北石化公司,河北任丘062552)摘要:為了實現(xiàn)IGCC中氣化爐的穩(wěn)定控制, 以IGCC中氣化爐的動態(tài)特性和工藝要求為基礎(chǔ),設(shè)計了安全可靠的開停車控制系統(tǒng)，并對影響氣化爐平穩(wěn)運行的非人為因素做了適當(dāng)?shù)木_調(diào)整。系統(tǒng)選擇Tricon作為控制硬件的系統(tǒng)平臺,并將交叉限值和主導(dǎo)滯后等先進(jìn)控制理論和控制方案應(yīng)用到氣化爐的控制系統(tǒng)中,有效解決了IGCC發(fā)展的瓶頸問題。現(xiàn)場運行證明,系統(tǒng)運行穩(wěn)定操作靈活,滿足實際工藝生產(chǎn)的需要,實現(xiàn)了裝置的安全保護(hù)。關(guān)鍵詞:氣化爐Tricon 控制器開/停車系統(tǒng) 安全儀表系統(tǒng) 順序控制中圖分類號: TP273+.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A .Abstract: In order to implement stable control for the gastifer in integrated gas combined circulation (IGCC) , based on dynamic characteris-tics and requirements of technological process of the gastifier, the safety and reliable startup and shutdown control system is designed, and theinbuman factors that afcting stably operation of the gastifier are precisely adjusted. In this system, Tricon is used to be the control hardwaresystem platform, and the advanced control theory and control strategy are applied into the system,e g. , cross-limits and lead lag, which solvesthe bttleneck problem of the development of IGCC reliably. The field experience shows that the system runs stable and operates flexibly, itmeets the requirements of the actual process of production, and realizes the device security.Keywords: Gasifer Tricon controller Startup and shutdown system Safety instrument system Sequential control1.1開/停 車控制的安全可靠0引言殼牌氣化爐工藝復(fù)雜、順控邏輯大、反應(yīng)劇烈,對整體氣化燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)IGCC( integrated控制系統(tǒng)具有嚴(yán)格的要求,如可靠性高、容錯功能強、gasified combined cycle) 采用高硫瀝青或煤進(jìn)料,通過應(yīng)對突發(fā)事件速度快、功能完善等。氣化反應(yīng)是在高基于部分氧化的氣化技術(shù)產(chǎn)生合成氣。IGCC 不僅可溫、高壓和有毒有害的環(huán)境下進(jìn)行的,所以開/停車控利用合成氣通過燃?xì)廨啓C(jī)-蒸汽透平發(fā)電和產(chǎn)汽,而制系統(tǒng)的安全可靠尤為重要。且能通過變換吸附等裝置從合成氣中提取純度達(dá)到1.2氣化爐的物料平衡控制99. 99%的氫氣。發(fā)電負(fù)荷的變化或氣化爐合成氣組合成氣熱值是合成氣品質(zhì)的-一個 衡量標(biāo)準(zhǔn)，它是分的變化都會對IGCC的平穩(wěn)運行造成大的影響。氣由合成氣的成分所決定的。影響合成氣熱值的一一 個重化爐是IGCC系統(tǒng)的源頭和核心,因此,實現(xiàn)氣化爐平要因素是氣化爐三大物料(原料、氧氣和水蒸氣)的進(jìn)穩(wěn)運行是整個IGCC的關(guān)鍵。料平衡。IGCC系統(tǒng)的輸出隨外界負(fù)荷需求的影響而改變。1氣化爐控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)當(dāng)外界電網(wǎng)的負(fù)荷發(fā)生變化時,可通過調(diào)節(jié)氣化爐的任何控制系統(tǒng)在設(shè)計前都要對受控對象進(jìn)行控制進(jìn)料來控制燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)荷輸出。從能源利用率方面參數(shù)的分析,即對控制目標(biāo)進(jìn)行研究2。氣化爐控制考慮,保證氣化爐的合成氣產(chǎn)出等于燃?xì)廨啓C(jī)的需求系統(tǒng)也不例外,對于氣化爐本身而言,它有三個主要控量是氣化爐負(fù)荷控制的根本要求。因此,氣化爐的輸制目標(biāo)，即開/停車的安全可靠、氣化爐物料輸人輸出人輸出平衡控制要綜合整個IGCC系統(tǒng)進(jìn)行考慮。平衡和氣化爐溫度穩(wěn)定。1.3氣化爐的溫度控制在氣化爐中,原料的氣化反應(yīng)過程十分復(fù)雜,氧化修改稿收到日期:2010 -01 -07。第一作者高貴剛,男,1982年生,2008年畢業(yè)于天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械電.劑為純氧中國煤化工圣歷很多復(fù)雜的化子工程專業(yè),獲碩士學(xué)位，工程師;主要從事石油化工自動化控制系統(tǒng)設(shè)學(xué)反應(yīng)“iYHCNMHG定的化學(xué)反應(yīng)溫計工作。度。氣化爐主要的反應(yīng)公式如下:30PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 31 No. 9 September 2010IGCC中氣化爐控制系統(tǒng)的研究高貴剛,等 .停車和自動安全保護(hù)程序組成,用于確保氣化爐以安C,Hm +”02∈nC0+ "H2全的方式進(jìn)行開車、運行和停車。在安全運行的狀況C,H +nH20∈nCO+ ( . +n)H2(2)下，如果某--工藝參數(shù)超過安全設(shè)定值,停車系統(tǒng)將自氣化爐的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)會導(dǎo)致氣化爐溫度在動啟動5。在氣化爐的開車或停車過程中，如果出現(xiàn)1300~1400C之間變化,溫度變化會嚴(yán)重影響合成如缺少高壓蒸汽或鍋爐給水等異常工況時,氣化爐的氣組分。如果氣化爐的溫度過高,意味著原料的合成開車或停車程序就不能按照正常的順序完成,程序需氣產(chǎn)量損失,這是因為反應(yīng)過程中熱量平衡使更多的要自動選擇緊急事故處理程序并執(zhí)行。因此，氣化爐碳被轉(zhuǎn)化成二氧化碳,而煙灰產(chǎn)量下降可能導(dǎo)致粘稠開/停車控制系統(tǒng)除了具有正常的開車、停車和運行功的煙灰顆粒在下游裝置上結(jié)垢,甚至破壞氣化反應(yīng)爐能外,還具有執(zhí)行特定工況的能力,如氣化爐的維護(hù)、本身;如果氣化爐的溫度過低,合成氣的產(chǎn)量也會下燒嘴的測試、隔離氣化反應(yīng)器以允許安裝輔助燒嘴、更降,而煙灰的產(chǎn)量增高又會造成能源的浪費。所以,氣換反應(yīng)器熱電偶或者用內(nèi)窺鏡檢查主燒嘴頭、氣化爐的壓力測試、冷卻氣化爐至環(huán)境溫度、為氣化爐維護(hù)做化爐溫度的控制十分重要41。準(zhǔn)備和異常工況處理等。2 Tricon 三重冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)以上控制要求,將氣化爐開/停車控制系統(tǒng)分綜合氣化爐的特性和控制要求,選用Tricon三冗為三個部分,系統(tǒng)示意圖如圖2所示。余安全系統(tǒng)作為氣化爐控制系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)平臺。所有閥門、變送器和主設(shè)備維護(hù)Tricon控制系統(tǒng)采用三重模件冗余TMR(triple.準(zhǔn)備(點火燒嘴測試module redundancy)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)具備完善壓力測試[主燒嘴、熱電偶檢測的容錯能力,可以在線識別瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的故障并進(jìn)行開車」「開溫↑i1投料.適當(dāng)?shù)男拚?提供不間斷的控制。Tricon系統(tǒng)由三個停車完全相同的系統(tǒng)通道組成(電源模件除外,該模件是雙重冗余的) ,每個系統(tǒng)通道獨立地執(zhí)行控制程序,并主燒曙保護(hù)4運行」t H事故緊急處理(異常工況)與其他兩個通道并行工作。Tricon 系統(tǒng)( TMR)的每一第二部分第一部分個輸人/輸出模件都包含三個完全相同且相互隔離的圖2氣化爐開/停車控制系統(tǒng)支路,每-一個支路含有一個I/O微處理器,并從其他相Fig. 2 Startup and shutdown system of gasifier應(yīng)主處理器_上接收輸出。三個主處理器在每- -路各配安全氣化爐開/停車控制系統(tǒng)三部分組成說明如下。有高速TRIBUS總線系統(tǒng)進(jìn)行相互通信。第-一部分為維護(hù)、準(zhǔn)備、開車、停車和運行,其始終控制器A處于可以操作的狀態(tài)。在某些狀態(tài)下操作者可通過上位機(jī)選擇運行路徑,如在準(zhǔn)備階段，操作員可以根據(jù)工O→B +控制器BB賣0央輸出藝的需要,選擇進(jìn)人點火燒嘴測試或是壓力測試階段;與控制器C在維護(hù)階段,氣化爐開/停車控制系統(tǒng)為操作者調(diào)試或圖1三重模塊冗余(TMR)結(jié)構(gòu)檢修閥門設(shè)備提供便利;在準(zhǔn)備、開車和停車階段,則Fig. 1The triple module redundant (TMR) structure進(jìn)行不同的順序控制,并通過系統(tǒng)進(jìn)行自動動作,以保Tricon控制系統(tǒng)采用TriStation 1131編程和組態(tài)軟證整個系統(tǒng)的安全操作;在運行階段,系統(tǒng)處于靜止監(jiān)件,實現(xiàn)邏輯及控制功能的編程和組態(tài)。該組態(tài)軟件支控狀態(tài),若系統(tǒng)中任意參數(shù)超出安全值,系統(tǒng)將自動采持功能塊圖表FBD( function block diagram)語言、梯形圖取保護(hù)措施,保證裝置和人員的安全。LD( ladder diagram) 語言和結(jié)構(gòu)化文本ST ( structure第二部分是主燒嘴保護(hù)部分。由于主燒嘴的機(jī)械text)語言。本系統(tǒng)采用ST語言編寫邏輯功能塊,并通特性,當(dāng)氣化爐溫度高于900C時必須采取措施保護(hù)過FBD形式調(diào)用功能塊,實現(xiàn)氣化爐的順序控制。主燒嘴,如打開蒸汽或高/低壓氮氣進(jìn)行吹掃冷卻，所以主燒嘴的保護(hù)程序始終處于監(jiān)視狀態(tài)。3氣化爐控制 系統(tǒng)第三中國煤化工。緊急事故(異常3.1安全的氣化爐開/停車控制系統(tǒng)工況)處理MYHCNMH G運行和停車過程氣化爐開/停車控制系統(tǒng)由氣化爐的開車、運行、中被激活,因為在維護(hù)和準(zhǔn)備階段氣化爐的溫度壓力《自動化儀表》第31卷第9期2010 年9月31IGCC中氣化爐控制系統(tǒng)的研究高貴剛,等都比較低,危險性低,不會對設(shè)備和操作者造成傷害。燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷需求氣化爐跳車之后所運行的程序根據(jù)氣化爐當(dāng)前的狀態(tài)和引起跳車的原因決定?！?fù)荷設(shè)定原料流量進(jìn)原料量[.負(fù)荷手操器_→8→88控制器PID這三部分程序根據(jù)工藝要求確定運行的優(yōu)先級,高選器進(jìn)氧量/kn保證系統(tǒng)安全有效的運行。氧氣流量進(jìn)氧量爾氣樊給氧設(shè)定-進(jìn)原料量.k化輪3.2物料輸入輸出平衡控制機(jī)在IGCC系統(tǒng)中,所有的控制過程都以燃?xì)廨啓C(jī)給蒸汽設(shè)定=進(jìn)原料量.k2→8→蒸汽流量進(jìn)蒸汽量的負(fù)荷調(diào)節(jié)為根本前提。因此,在進(jìn)行氣化爐控制系統(tǒng)設(shè)計時必須首先滿足燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷控制的需要161。圖3增加負(fù)荷時平衡控制示意圖氣化爐的負(fù)荷須根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的需要進(jìn)行實時調(diào)整,Fig. 3 Balance control when load increased同時能夠根據(jù)操作者需要做適當(dāng)調(diào)整。3.2.2減小 負(fù)荷時平衡控制氣化最重要的參數(shù)是進(jìn)人氣化爐的氧氣和原料的氣化爐減小負(fù)荷時,以進(jìn)氧量為主變量,原料流量比值,這個參數(shù)對氣化爐的溫度影響很大,其1%的變控制器和蒸汽流量控制器處于串級控制模式;進(jìn)入氣化會引起氣化爐溫度20 C的變化。氧氣和原料的比化爐的氧氣量乘以h,作為原料流量控制的給定值,進(jìn)例系數(shù)的安全限(或是有效范圍)是根據(jù)氣化爐系統(tǒng)人氣化爐的原料量乘以h2作為蒸汽流量控制器的給的機(jī)械特性和原料類型決定的,如果離開此范圍,氣化定值。實際運行中原料流量的波動也會對氣化爐的產(chǎn)爐開/停車控制系統(tǒng)將自動聯(lián)鎖停車到安全狀態(tài)[0]出產(chǎn)生影響,因此,將進(jìn)入氣化爐的原料量乘以k,后氧氣和原料比的運行值由操作員根據(jù)原料的類型手動與負(fù)荷控制器的輸出進(jìn)行低選以作為氧氣流量控制器設(shè)定。系統(tǒng)采用超前滯后控制方案使氧氣和原料以恒的輸入。減小負(fù)荷平衡控制示意圖如圖4所示。定的比例進(jìn)人氣化爐,無論氣化爐是增加負(fù)荷還是減小負(fù)荷,氣化爐瞬時溫度都是朝著溫度降低的方向,而不是溫度升高的方向,即在氣化爐增減負(fù)荷時系統(tǒng)選用不同的參數(shù)作為主變量。氣化爐的第三反應(yīng)物是高負(fù)荷手操器]→8→8→8-氧氣流量 t進(jìn)氧量、[l控制器PIDi 高選器壓蒸汽,高壓蒸汽的需求量取決于進(jìn)人氣化爐的原料進(jìn)原料量.K量,并成固定的比例關(guān)系。高壓蒸汽對合成氣產(chǎn)率、煙給氧設(shè)定=選原料量.K「原科沈量進(jìn)原料筑盛您]→8+化灰產(chǎn)量及合成氣中甲烷的含量都有影響。爐為保證氣化爐安全平穩(wěn)運行,需要實現(xiàn)氣化爐的給蒸汽設(shè)定一進(jìn)原料量.局→_控制器PID I負(fù)荷控制和物料平衡控制的耦合。增減負(fù)荷控制采用交叉限值控制原理'] ,氧氣原料比和蒸汽原料比控制圖4減小負(fù) 荷平衡控制示意圖采用主導(dǎo)/滯后和精確比例控制原理。氣化爐負(fù)荷由Fig.4 Balance control when load decreased燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷和氣化爐的手操負(fù)荷給定值決定,兩者3.3氣化爐溫度修正進(jìn)行高選以作為氣化爐負(fù)荷控制器的輸出并調(diào)節(jié)氧氣反應(yīng)爐內(nèi)的惡劣環(huán)境(高溫、高壓、結(jié)垢、氫分壓原料比的主參數(shù)。下面分別以氣化爐增減負(fù)荷為例闡高)使任何溫度測量值都十分不可靠,因為熱電偶的述輸人輸出平衡控制的原理,設(shè)定氧氣和原料比的系典型使用壽命最長為六個月[5]。另外,溫度的測量精數(shù)為h.,高壓蒸汽與進(jìn)原料量的比例系數(shù)為k2。度還與熱電偶及耐火材料之間的相對位置(精度到毫3.2.1增加負(fù)荷時平衡控制米)有關(guān),因此,氣化爐的溫度測量未必精確。氧氣原氣化爐增加負(fù)荷時,以進(jìn)原料量為主變量,氧氣流.料比與原料和高壓蒸汽的比例都是由操作員根據(jù)需要量控制器和蒸汽流量控制器處于串級控制模式;采用手動進(jìn)行設(shè)定的,原料的成分不是一成不變的 ,它通過主導(dǎo)滯后和精確比例控制方案,以進(jìn)人氣化爐的原料合成氣中甲烷的含量來微調(diào)氧氣原料比的設(shè)定值。量乘以固定的比例系數(shù)作為氧氣流量和高壓蒸汽流量溫度修正方案是利用合成氣中的甲烷含量作為溫控制的給定值。實際運行中氧氣流量波動也會對氣化度的替代值。通常合成氣中甲烷的含量為0.3% (體爐的產(chǎn)出產(chǎn)生影響,因此,將進(jìn)人氣化爐的氧氣量除以積),合成中國煤化工儀控制器的輸出.h,后與負(fù)荷控制器的輸出進(jìn)行高選作為原料流量控制成比例關(guān)YHCNMHG器的輸人。增加負(fù)荷時平衡控制示意圖如圖3所示。(下轉(zhuǎn)第36頁)32PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 31 No. 9 September 2010雙蓄熱式加熱爐燃燒系統(tǒng)控制策略的研究申江,等進(jìn)氣量(段總管空氣或煤氣)小開度切換等現(xiàn)象。最后引人小流量時用閥門的流量-開度比例| 速率限制流量反饋、曲線進(jìn)行控制,并對控制器的輸出采用速率限制等方煙氣溫度補償信號"流量因盟爐壓補償信號為是終排煙系數(shù)8>日. PID法加以優(yōu)化,最終達(dá)到了較好的控制效果。HMI拌煙系數(shù)(65)排煙量限制4結(jié)束語圖5排煙溫度控制流程圖雙蓄熱式加熱爐采用優(yōu)化控制策略以后,投用至今Fig. 5 Flowchart of temperature control of smoke exhausting已近1年?，F(xiàn)場運行情況表明,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,控制效果理想,爐膛溫度穩(wěn)態(tài)誤差在+5 C以內(nèi),爐膛壓力在3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)10~35 Pa之間,排煙溫度在140~ 180 °C之間。該策略燃燒系統(tǒng)單獨選用-套S7-400系統(tǒng)進(jìn)行控制,主解決了雙蓄熱式加熱爐爐壓高、排煙溫度難以控制的通控單元選用CPU416-2DP,爐區(qū)檢測控制點附近設(shè)置病,減小了氧化燒損率,提高了鋼坯的加熱質(zhì)量,達(dá)到了了14個ET20OM遠(yuǎn)程I/0站,通過Profibus總線與主節(jié)能的目的,值得推廣應(yīng)用?？貑卧M(jìn)行通信。爐區(qū)燃燒系統(tǒng)的所有檢測控制信號參考文獻(xiàn)均通過遠(yuǎn)程I/0站進(jìn)入PLC主機(jī)。[1]蔡喬方.加熱爐[ M].北京:冶金工業(yè)出版社,1983.操作室設(shè)置了2臺燃燒系統(tǒng),采用HMI監(jiān)控主[2]李公達(dá),孫穎軍,陳建磊,等.蓄熱式燃燒技術(shù)在萊鋼加熱爐上的應(yīng)用[J]. 工業(yè)爐,2003 ,25(2):42 -44.機(jī),監(jiān)控畫面采用InTouch10.0組態(tài)軟件開發(fā),通過[3]吳青松.混合煤氣雙預(yù)熱蓄熱式加熱爐的技術(shù)改進(jìn)[J].冶金DAServer與PLC進(jìn)行通信。能源,2006 ,26(4):35 -36.在調(diào)試過程中,先后采用了以排煙溫度為主、排煙[4] 張大鵬,張漢斌,楊英華.雙蓄熱式加熱爐控制系統(tǒng)[J].控制量為輔和以排煙量為主、爐壓為輔的控制策略進(jìn)行控工程,2006,13(2):105 - 107.制,均未能達(dá)到控制要求。經(jīng)過多次嘗試和系統(tǒng)分析[5]張朝紅，桂萬根,李東,等.全分散換向技術(shù)在蓄熱式加熱爐上的應(yīng)用[J].工業(yè)爐,2003 ,25(3):11-15.后,最終選擇了預(yù)熱段和均熱段以爐壓控制為主、排煙[6] 秦文,孟德鑫,崔衛(wèi)國.雙預(yù)熱蓄熱式加熱爐爐壓的分析和討論[J].溫度控制為輔,加熱段以流量和排煙溫度控制為主、爐冶金能源,2007 ,26(5):43 -47.壓控制為輔的控制方式,且其中的兩個“輔”非常重[7]謝國威,蔡九菊,孫文強,等,蓄熱式連續(xù)加熱爐爐壓分析與研要,但研究發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)仍然會出現(xiàn)局部段排煙溫度超溫究[J].工業(yè)加熱,2008(3):17-19.(上接第32頁)化爐控制系統(tǒng)操作靈活、開/停車安全可靠,經(jīng)受住了實際運行的考驗。1.101.05[1]焦樹建.整體煤氣化燃?xì)?燕汽聯(lián)合循環(huán)( IGCC)[M].北京:中國電力出版社，1996.0.95[2]韋思亮.倪維斗,劉尚明ICCC電站中氣化爐控制系統(tǒng)研究[J].E0.00.102030.4050.60.7熱能動力工程,2002,17(6):551 -554.甲烷含量/%[3] Pike A W,Donnem S, Dixon R. Dynamic modeling and simulation of圖5輸出 比例示意圖the air blown gasification cycle prototype integrated plant[ C] // Interma-Fig. 5 The relationship of outputtional Conference on Simlation,1998 :354 -356.[4]劉尚明,王陪勇,韋思亮,等. ICCC氣化站的動態(tài)建模[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2001 ,14(2):27 -31.本文以氣化爐為研究對象,對IGCC電站中氣化[5]段立強.IGCC系統(tǒng)全工況特性與設(shè)計優(yōu)化以及新系統(tǒng)開拓研究[ D].北京:中國科學(xué)院,2002.爐的控制目標(biāo)和地位進(jìn)行了分析,根據(jù)氣化爐的動態(tài)[6] 岳偉挺.聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐蒸汽參數(shù)優(yōu)化與動態(tài)特性研究[D].特性和工藝原理,設(shè)計了與之相應(yīng)的控制方案。同時,大連:大連理工大學(xué),2001.充分發(fā)揮Tricon系統(tǒng)性能優(yōu)勢,通過先進(jìn)的控制理論[7]遲全虎ICCC聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)建模與設(shè)計優(yōu)化研究[D].北京:和方案把影響氣化爐平穩(wěn)運行的非人為因素降為最中國科中國煤化工低,建立起一種根據(jù)合成氣成分不斷調(diào)節(jié)原料輸人的[8] 劉紅波YHCNMHG變量PID控制器的自動態(tài)平衡,實現(xiàn)了IGCC 裝置內(nèi)各單元的耦合。本氣整定方法[J].自動化儀表,2003 ,24(6):10-14.36PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 31 No. 9 September 2010