IGCC中气化炉控制系统的研究

IGCC中气化炉控制系统的研究高贵刚,等IGCC中气化炉控制系统的研究Research on the Control System for Gasifier in Integrated Gas Combined Circulation高贵刚'王会芹2唐艳伶(北京康吉森自动化设备技术有限公司' ,北京100012;中国传媒大学”,北京100024;河北 省任丘市华北石化公司,河北任丘062552)摘要:为了实现IGCC中气化炉的稳定控制, 以IGCC中气化炉的动态特性和工艺要求为基础,设计了安全可靠的开停车控制系统，并对影响气化炉平稳运行的非人为因素做了适当的精确调整。系统选择Tricon作为控制硬件的系统平台,并将交叉限值和主导滞后等先进控制理论和控制方案应用到气化炉的控制系统中,有效解决了IGCC发展的瓶颈问题。现场运行证明,系统运行稳定操作灵活,满足实际工艺生产的需要,实现了装置的安全保护。关键词:气化炉Tricon 控制器开/停车系统 安全仪表系统 顺序控制中图分类号: TP273+.1文献标志码: 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开/停 车控制的安全可靠0引言壳牌气化炉工艺复杂、顺控逻辑大、反应剧烈,对整体气化燃气-蒸汽联合循环IGCC( integrated控制系统具有严格的要求,如可靠性高、容错功能强、gasified combined cycle) 采用高硫沥青或煤进料,通过应对突发事件速度快、功能完善等。气化反应是在高基于部分氧化的气化技术产生合成气。IGCC 不仅可温、高压和有毒有害的环境下进行的,所以开/停车控利用合成气通过燃气轮机-蒸汽透平发电和产汽,而制系统的安全可靠尤为重要。且能通过变换吸附等装置从合成气中提取纯度达到1.2气化炉的物料平衡控制99. 99%的氢气。发电负荷的变化或气化炉合成气组合成气热值是合成气品质的-一个 衡量标准，它是分的变化都会对IGCC的平稳运行造成大的影响。气由合成气的成分所决定的。影响合成气热值的一一 个重化炉是IGCC系统的源头和核心,因此,实现气化炉平要因素是气化炉三大物料(原料、氧气和水蒸气)的进稳运行是整个IGCC的关键。料平衡。IGCC系统的输出随外界负荷需求的影响而改变。1气化炉控制系统的控制目标当外界电网的负荷发生变化时,可通过调节气化炉的任何控制系统在设计前都要对受控对象进行控制进料来控制燃气轮机的负荷输出。从能源利用率方面参数的分析,即对控制目标进行研究2。气化炉控制考虑,保证气化炉的合成气产出等于燃气轮机的需求系统也不例外,对于气化炉本身而言,它有三个主要控量是气化炉负荷控制的根本要求。因此,气化炉的输制目标，即开/停车的安全可靠、气化炉物料输人输出人输出平衡控制要综合整个IGCC系统进行考虑。平衡和气化炉温度稳定。1.3气化炉的温度控制在气化炉中,原料的气化反应过程十分复杂,氧化修改稿收到日期:2010 -01 -07。第一作者高贵刚,男,1982年生,2008年毕业于天津工业大学机械电.剂为纯氧中国煤化工圣历很多复杂的化子工程专业,获硕士学位，工程师;主要从事石油化工自动化控制系统设学反应“iYHCNMHG定的化学反应温计工作。度。气化炉主要的反应公式如下:30PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 31 No. 9 September 2010IGCC中气化炉控制系统的研究高贵刚,等 .停车和自动安全保护程序组成,用于确保气化炉以安C,Hm +”02∈nC0+ "H2全的方式进行开车、运行和停车。在安全运行的状况C,H +nH20∈nCO+ ( . +n)H2(2)下，如果某--工艺参数超过安全设定值,停车系统将自气化炉的复杂化学反应会导致气化炉温度在动启动5。在气化炉的开车或停车过程中，如果出现1300~1400C之间变化,温度变化会严重影响合成如缺少高压蒸汽或锅炉给水等异常工况时,气化炉的气组分。如果气化炉的温度过高,意味着原料的合成开车或停车程序就不能按照正常的顺序完成,程序需气产量损失,这是因为反应过程中热量平衡使更多的要自动选择紧急事故处理程序并执行。因此，气化炉碳被转化成二氧化碳,而烟灰产量下降可能导致粘稠开/停车控制系统除了具有正常的开车、停车和运行功的烟灰颗粒在下游装置上结垢,甚至破坏气化反应炉能外,还具有执行特定工况的能力,如气化炉的维护、本身;如果气化炉的温度过低,合成气的产量也会下烧嘴的测试、隔离气化反应器以允许安装辅助烧嘴、更降,而烟灰的产量增高又会造成能源的浪费。所以,气换反应器热电偶或者用内窥镜检查主烧嘴头、气化炉的压力测试、冷却气化炉至环境温度、为气化炉维护做化炉温度的控制十分重要41。准备和异常工况处理等。2 Tricon 三重冗余系统结构根据以上控制要求,将气化炉开/停车控制系统分综合气化炉的特性和控制要求,选用Tricon三冗为三个部分,系统示意图如图2所示。余安全系统作为气化炉控制系统的软硬件开发平台。所有阀门、变送器和主设备维护Tricon控制系统采用三重模件冗余TMR(triple.准备(点火烧嘴测试module redundancy)结构，如图1所示。系统具备完善压力测试[主烧嘴、热电偶检测的容错能力,可以在线识别瞬态和稳态的故障并进行开车」「开温↑i1投料.适当的修正,提供不间断的控制。Tricon系统由三个停车完全相同的系统通道组成(电源模件除外,该模件是双重冗余的) ,每个系统通道独立地执行控制程序,并主烧曙保护4运行」t H事故紧急处理(异常工况)与其他两个通道并行工作。Tricon 系统( TMR)的每一第二部分第一部分个输人/输出模件都包含三个完全相同且相互隔离的图2气化炉开/停车控制系统支路,每-一个支路含有一个I/O微处理器,并从其他相Fig. 2 Startup and shutdown system of gasifier应主处理器_上接收输出。三个主处理器在每- -路各配安全气化炉开/停车控制系统三部分组成说明如下。有高速TRIBUS总线系统进行相互通信。第-一部分为维护、准备、开车、停车和运行,其始终控制器A处于可以操作的状态。在某些状态下操作者可通过上位机选择运行路径,如在准备阶段，操作员可以根据工O→B +控制器BB卖0央输出艺的需要,选择进人点火烧嘴测试或是压力测试阶段;与控制器C在维护阶段,气化炉开/停车控制系统为操作者调试或图1三重模块冗余(TMR)结构检修阀门设备提供便利;在准备、开车和停车阶段,则Fig. 1The triple module redundant (TMR) structure进行不同的顺序控制,并通过系统进行自动动作,以保Tricon控制系统采用TriStation 1131编程和组态软证整个系统的安全操作;在运行阶段,系统处于静止监件,实现逻辑及控制功能的编程和组态。该组态软件支控状态,若系统中任意参数超出安全值,系统将自动采持功能块图表FBD( function block diagram)语言、梯形图取保护措施,保证装置和人员的安全。LD( ladder diagram) 语言和结构化文本ST ( structure第二部分是主烧嘴保护部分。由于主烧嘴的机械text)语言。本系统采用ST语言编写逻辑功能块,并通特性,当气化炉温度高于900C时必须采取措施保护过FBD形式调用功能块,实现气化炉的顺序控制。主烧嘴,如打开蒸汽或高/低压氮气进行吹扫冷却，所以主烧嘴的保护程序始终处于监视状态。3气化炉控制 系统第三中国煤化工。紧急事故(异常3.1安全的气化炉开/停车控制系统工况)处理MYHCNMH G运行和停车过程气化炉开/停车控制系统由气化炉的开车、运行、中被激活,因为在维护和准备阶段气化炉的温度压力《自动化仪表》第31卷第9期2010 年9月31IGCC中气化炉控制系统的研究高贵刚,等都比较低,危险性低,不会对设备和操作者造成伤害。燃气轮机负荷需求气化炉跳车之后所运行的程序根据气化炉当前的状态和引起跳车的原因决定。↓负荷设定原料流量进原料量[.负荷手操器_→8→88控制器PID这三部分程序根据工艺要求确定运行的优先级,高选器进氧量/kn保证系统安全有效的运行。氧气流量进氧量尔气樊给氧设定-进原料量.k化轮3.2物料输入输出平衡控制机在IGCC系统中,所有的控制过程都以燃气轮机给蒸汽设定=进原料量.k2→8→蒸汽流量进蒸汽量的负荷调节为根本前提。因此,在进行气化炉控制系统设计时必须首先满足燃气轮机负荷控制的需要161。图3增加负荷时平衡控制示意图气化炉的负荷须根据燃气轮机的需要进行实时调整,Fig. 3 Balance control when load increased同时能够根据操作者需要做适当调整。3.2.2减小 负荷时平衡控制气化最重要的参数是进人气化炉的氧气和原料的气化炉减小负荷时,以进氧量为主变量,原料流量比值,这个参数对气化炉的温度影响很大,其1%的变控制器和蒸汽流量控制器处于串级控制模式;进入气化会引起气化炉温度20 C的变化。氧气和原料的比化炉的氧气量乘以h,作为原料流量控制的给定值,进例系数的安全限(或是有效范围)是根据气化炉系统人气化炉的原料量乘以h2作为蒸汽流量控制器的给的机械特性和原料类型决定的,如果离开此范围,气化定值。实际运行中原料流量的波动也会对气化炉的产炉开/停车控制系统将自动联锁停车到安全状态[0]出产生影响,因此,将进入气化炉的原料量乘以k,后氧气和原料比的运行值由操作员根据原料的类型手动与负荷控制器的输出进行低选以作为氧气流量控制器设定。系统采用超前滯后控制方案使氧气和原料以恒的输入。减小负荷平衡控制示意图如图4所示。定的比例进人气化炉,无论气化炉是增加负荷还是减小负荷,气化炉瞬时温度都是朝着温度降低的方向,而不是温度升高的方向,即在气化炉增减负荷时系统选用不同的参数作为主变量。气化炉的第三反应物是高负荷手操器]→8→8→8-氧气流量 t进氧量、[l控制器PIDi 高选器压蒸汽,高压蒸汽的需求量取决于进人气化炉的原料进原料量.K量,并成固定的比例关系。高压蒸汽对合成气产率、烟给氧设定=选原料量.K「原科沈量进原料筑盛您]→8+化灰产量及合成气中甲烷的含量都有影响。炉为保证气化炉安全平稳运行,需要实现气化炉的给蒸汽设定一进原料量.局→_控制器PID I负荷控制和物料平衡控制的耦合。增减负荷控制采用交叉限值控制原理'] ,氧气原料比和蒸汽原料比控制图4减小负 荷平衡控制示意图采用主导/滞后和精确比例控制原理。气化炉负荷由Fig.4 Balance control when load decreased燃气轮机负荷和气化炉的手操负荷给定值决定,两者3.3气化炉温度修正进行高选以作为气化炉负荷控制器的输出并调节氧气反应炉内的恶劣环境(高温、高压、结垢、氢分压原料比的主参数。下面分别以气化炉增减负荷为例阐高)使任何温度测量值都十分不可靠,因为热电偶的述输人输出平衡控制的原理,设定氧气和原料比的系典型使用寿命最长为六个月[5]。另外,温度的测量精数为h.,高压蒸汽与进原料量的比例系数为k2。度还与热电偶及耐火材料之间的相对位置(精度到毫3.2.1增加负荷时平衡控制米)有关,因此,气化炉的温度测量未必精确。氧气原气化炉增加负荷时,以进原料量为主变量,氧气流.料比与原料和高压蒸汽的比例都是由操作员根据需要量控制器和蒸汽流量控制器处于串级控制模式;采用手动进行设定的,原料的成分不是一成不变的 ,它通过主导滞后和精确比例控制方案,以进人气化炉的原料合成气中甲烷的含量来微调氧气原料比的设定值。量乘以固定的比例系数作为氧气流量和高压蒸汽流量温度修正方案是利用合成气中的甲烷含量作为温控制的给定值。实际运行中氧气流量波动也会对气化度的替代值。通常合成气中甲烷的含量为0.3% (体炉的产出产生影响,因此,将进人气化炉的氧气量除以积),合成中国煤化工仪控制器的输出.h,后与负荷控制器的输出进行高选作为原料流量控制成比例关YHCNMHG器的输人。增加负荷时平衡控制示意图如图3所示。(下转第36页)32PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 31 No. 9 September 2010双蓄热式加热炉燃烧系统控制策略的研究申江,等进气量(段总管空气或煤气)小开度切换等现象。最后引人小流量时用阀门的流量-开度比例| 速率限制流量反馈、曲线进行控制,并对控制器的输出采用速率限制等方烟气温度补偿信号"流量因盟炉压补偿信号为是终排烟系数8>日. PID法加以优化,最终达到了较好的控制效果。HMI拌烟系数(65)排烟量限制4结束语图5排烟温度控制流程图双蓄热式加热炉采用优化控制策略以后,投用至今Fig. 5 Flowchart of temperature control of smoke exhausting已近1年。现场运行情况表明,系统运行稳定,控制效果理想,炉膛温度稳态误差在+5 C以内,炉膛压力在3 控制系统的实现10~35 Pa之间,排烟温度在140~ 180 °C之间。该策略燃烧系统单独选用-套S7-400系统进行控制,主解决了双蓄热式加热炉炉压高、排烟温度难以控制的通控单元选用CPU416-2DP,炉区检测控制点附近设置病,减小了氧化烧损率,提高了钢坯的加热质量,达到了了14个ET20OM远程I/0站,通过Profibus总线与主节能的目的,值得推广应用。控单元进行通信。炉区燃烧系统的所有检测控制信号参考文献均通过远程I/0站进入PLC主机。[1]蔡乔方.加热炉[ M].北京:冶金工业出版社,1983.操作室设置了2台燃烧系统,采用HMI监控主[2]李公达,孙颖军,陈建磊,等.蓄热式燃烧技术在莱钢加热炉上的应用[J]. 工业炉,2003 ,25(2):42 -44.机,监控画面采用InTouch10.0组态软件开发,通过[3]吴青松.混合煤气双预热蓄热式加热炉的技术改进[J].冶金DAServer与PLC进行通信。能源,2006 ,26(4):35 -36.在调试过程中,先后采用了以排烟温度为主、排烟[4] 张大鹏,张汉斌,杨英华.双蓄热式加热炉控制系统[J].控制量为辅和以排烟量为主、炉压为辅的控制策略进行控工程,2006,13(2):105 - 107.制,均未能达到控制要求。经过多次尝试和系统分析[5]张朝红，桂万根,李东,等.全分散换向技术在蓄热式加热炉上的应用[J].工业炉,2003 ,25(3):11-15.后,最终选择了预热段和均热段以炉压控制为主、排烟[6] 秦文,孟德鑫,崔卫国.双预热蓄热式加热炉炉压的分析和讨论[J].温度控制为辅,加热段以流量和排烟温度控制为主、炉冶金能源,2007 ,26(5):43 -47.压控制为辅的控制方式,且其中的两个“辅”非常重[7]谢国威,蔡九菊,孙文强,等,蓄热式连续加热炉炉压分析与研要,但研究发现,系统仍然会出现局部段排烟温度超温究[J].工业加热,2008(3):17-19.(上接第32页)化炉控制系统操作灵活、开/停车安全可靠,经受住了实际运行的考验。1.101.05[1]焦树建.整体煤气化燃气-燕汽联合循环( IGCC)[M].北京:中国电力出版社，1996.0.95[2]韦思亮.倪维斗,刘尚明ICCC电站中气化炉控制系统研究[J].E0.00.102030.4050.60.7热能动力工程,2002,17(6):551 -554.甲烷含量/%[3] Pike A W,Donnem S, Dixon R. Dynamic modeling and simulation of图5输出 比例示意图the air blown gasification cycle prototype integrated plant[ C] // Interma-Fig. 5 The relationship of outputtional Conference on Simlation,1998 :354 -356.[4]刘尚明,王陪勇,韦思亮,等. ICCC气化站的动态建模[J].燃气轮机技术,2001 ,14(2):27 -31.本文以气化炉为研究对象,对IGCC电站中气化[5]段立强.IGCC系统全工况特性与设计优化以及新系统开拓研究[ D].北京:中国科学院,2002.炉的控制目标和地位进行了分析,根据气化炉的动态[6] 岳伟挺.联合循环余热锅炉蒸汽参数优化与动态特性研究[D].特性和工艺原理,设计了与之相应的控制方案。同时,大连:大连理工大学,2001.充分发挥Tricon系统性能优势,通过先进的控制理论[7]迟全虎ICCC联合循环系统建模与设计优化研究[D].北京:和方案把影响气化炉平稳运行的非人为因素降为最中国科中国煤化工低,建立起一种根据合成气成分不断调节原料输人的[8] 刘红波YHCNMHG变量PID控制器的自动态平衡,实现了IGCC 装置内各单元的耦合。本气整定方法[J].自动化仪表,2003 ,24(6):10-14.36PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 31 No. 9 September 2010