燕巍

（安徽華東化工醫(yī)藥工程有限責(zé)任公司上海分公司，上海 201315）

1 概述

天然氣制氫裝置采用天然氣水蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝，此工藝已是國內(nèi)成熟的生產(chǎn)技術(shù)。大型合成氨廠以及煉油廠和石油化工廠的制氫裝置，其造氣工藝大多為水蒸汽轉(zhuǎn)化法。經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐，目前已積累了許多成功的工程設(shè)計(jì)與操作經(jīng)驗(yàn)。但是我國烴類制氫現(xiàn)在還存在一些問題，如基于設(shè)備質(zhì)量的事故比較多，自動(dòng)化水平較低、運(yùn)行水碳比較高等，造成制氫裝置綜合能耗比較高，與國外綜合水平相比還有差距[1]。本文就這些問題進(jìn)行了針對(duì)性的硬件選型和控制方案設(shè)計(jì)，以使裝置在運(yùn)行后達(dá)到綜合能耗較低的水平。

2 工業(yè)流程簡介

我公司設(shè)計(jì)的這套制氫裝置采用天然氣與水為原料，天然氣及副產(chǎn)解吸氣為燃料生產(chǎn)氫氣的裝置。裝置產(chǎn)氫能力為3000Nm3/h。流程為天然氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至1.6MPa(G)并預(yù)熱后進(jìn)行加氫反應(yīng)，使烯烴飽和、有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫，然后進(jìn)入氧化鋅脫硫段脫除硫化氫。脫硫后的天然氣與水蒸汽混合后在高溫（爐膛溫度約1100℃）條件下經(jīng)過催化劑在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成CO、CO2、CH4和H2。出轉(zhuǎn)化爐的高溫轉(zhuǎn)化氣(出口溫度為840℃)經(jīng)轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器降溫至340℃，進(jìn)入中溫變換反應(yīng)器將變換氣中CO 含量降至3%（干基）左右。中變氣經(jīng)過換熱降溫分液后進(jìn)入變壓吸附（PSA）單元，經(jīng)過分子篩吸附特定雜質(zhì)后產(chǎn)出純度為99.99%的氫氣出裝置。PSA 單元副產(chǎn)的解吸氣經(jīng)穩(wěn)壓后作為轉(zhuǎn)化爐的燃料氣使用。

3 制氫裝置自控設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 主要控制方案設(shè)計(jì)

本裝置業(yè)主希望擁有高度自動(dòng)化的控制系統(tǒng)以及完善的安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，減少現(xiàn)場(chǎng)操作人員，裝置高效、穩(wěn)定、安全地長周期運(yùn)行。根據(jù)業(yè)主需求，針對(duì)現(xiàn)有國內(nèi)同類型裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了梳理，發(fā)現(xiàn)多數(shù)裝置控制方案還是局限于單回路PID 控制和簡單的串級(jí)控制上，沒有對(duì)整個(gè)裝置的關(guān)鍵參數(shù)控制進(jìn)行整體考慮，也沒有裝置負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)。裝置的負(fù)荷控制是靠操作工手動(dòng)設(shè)置天然氣流量，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)燃料氣、風(fēng)機(jī)流量等參數(shù)。存在自動(dòng)化程度不高、對(duì)操作工的人數(shù)及質(zhì)量要求較高、調(diào)整負(fù)荷周期長等缺點(diǎn)。針對(duì)以上缺點(diǎn)，參考了國外已有的類似控制方案，并進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)負(fù)荷控制系統(tǒng)。

3.1.1 裝置負(fù)荷控制、水碳比控制

天然氣的蒸汽轉(zhuǎn)化是以水蒸汽為氧化劑，在鎳催化劑的作用下發(fā)生如下主要反應(yīng)，生成富氫的混合氣體：

以上反應(yīng)溫度在800℃以上，兩個(gè)反應(yīng)的總熱效率是強(qiáng)吸熱，熱量通過燃燒燃料氣提供。進(jìn)轉(zhuǎn)化爐蒸汽和脫硫后原料氣流量比值控制簡稱為水碳比控制，正常比值大約為3：1。在正常生產(chǎn)情況下，控制好水碳比是轉(zhuǎn)化操作的關(guān)鍵。水碳比過高增加轉(zhuǎn)化爐的熱負(fù)荷，且浪費(fèi)蒸汽；水碳比過低，引起催化劑積碳，使之失活，甚至造成生產(chǎn)事故。從節(jié)能與安全兩方面綜合考慮，生產(chǎn)過程穩(wěn)定時(shí)，要求水碳比操作在低限。原料氣提量時(shí)，先提蒸汽量后提原料氣量；減量時(shí)，先減原料氣量后減蒸汽量。要達(dá)到自動(dòng)負(fù)荷控制，原料氣和蒸汽流量的設(shè)定值就要有先后順序進(jìn)行調(diào)整。為此，我做了一個(gè)延時(shí)設(shè)定值控制，并且增加了負(fù)荷變化速率的限定。具體框圖如下：

圖1 裝置負(fù)荷控制、水碳比控制

圖2 轉(zhuǎn)化爐配入蒸汽流量控制

3.1.2 燃料氣控制

燃料氣控制一般為爐出口轉(zhuǎn)化氣溫度或爐膛溫度串級(jí)控制燃料氣壓力或流量，轉(zhuǎn)化氣溫度和爐膛溫度由操作工根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)設(shè)定。隨著負(fù)荷的不同，溫度控制器設(shè)定值會(huì)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整?？紤]到爐子的熱負(fù)荷會(huì)隨著裝置原料氣量和水碳比的變化而變化，而且二者是有一定的函數(shù)關(guān)系的，因此本裝置采用了根據(jù)負(fù)荷估算轉(zhuǎn)化需求熱量進(jìn)而調(diào)整燃料氣量的方案。計(jì)算出的熱量會(huì)有偏差，需要利用轉(zhuǎn)化氣出口溫度串級(jí)控制爐膛溫度，然后爐膛溫度串級(jí)控制燃料氣流量的方法進(jìn)行反饋控制。簡要控制方案如下：

圖3 燃料氣控制

轉(zhuǎn)化爐燃燒空氣常規(guī)控制為根據(jù)煙氣氧含量控制鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率，氧含量設(shè)定值由操作工手動(dòng)輸入。這種控制方案無法根據(jù)燃料氣量的多少進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，在裝置負(fù)荷變化時(shí)存在較大的滯后，需要人工干預(yù)才行。因此本裝置采用了燃料氣需氧量前饋控制，使燃燒空氣能夠根據(jù)燃料氣量及時(shí)自動(dòng)調(diào)整。簡要控制方案如下：

圖4 轉(zhuǎn)化爐燃燒空氣控制

3.2 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

制氫裝置的工藝介質(zhì)主要為氫氣、天然氣等易燃易爆氣體，中間產(chǎn)品還含有CO 有毒氣體。如泄漏有發(fā)生火災(zāi)和爆炸的危險(xiǎn)，也有發(fā)生操作人員中毒的風(fēng)險(xiǎn)。因此，制氫裝置需要設(shè)置獨(dú)立的SIS[3]，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常時(shí)采取安全可靠的措施，使生產(chǎn)過程保持在安全狀態(tài)，以免造成人員傷亡或設(shè)備損壞等重大損失。

制氫裝置SIS 設(shè)置有轉(zhuǎn)化爐聯(lián)鎖、變壓吸附單元（以下簡稱PSA）外部聯(lián)鎖、燃料氣聯(lián)鎖、解吸氣聯(lián)鎖等，聯(lián)鎖邏輯簡圖如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)化爐聯(lián)鎖邏輯

3.3 硬件選型

制氫裝置工藝介質(zhì)易燃易爆有毒，部分工段工藝介質(zhì)溫度很高，達(dá)到840℃，工藝介質(zhì)泄漏后會(huì)產(chǎn)生火災(zāi)或爆炸事故?，F(xiàn)場(chǎng)儀表的選型或維護(hù)不當(dāng)有可能會(huì)引起裝置操作異常，造成重大事故發(fā)生[3]，因此儀表的選型必須安全可靠。下面就關(guān)鍵現(xiàn)場(chǎng)儀表的選型進(jìn)行簡要說明。

3.3.1 流量儀表

根據(jù)業(yè)主全廠設(shè)置要求，本裝置無用于貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量儀表。裝置外來的天然氣流量根據(jù)規(guī)范要求精度等級(jí)不低于2 級(jí)[4]，國內(nèi)天然氣以差壓式孔板流量計(jì)計(jì)量的應(yīng)用很廣泛，綜合精度可以達(dá)到1.5 級(jí)[5]，因此本裝置選擇標(biāo)準(zhǔn)銳角孔板流量計(jì)計(jì)量天然氣，并配備有在線溫壓補(bǔ)償。飽和蒸汽與鍋爐給水流量采用渦街流量計(jì)測(cè)量，不采用差壓式流量計(jì)，可以避免對(duì)引壓管伴熱保溫、減少儀表維護(hù)工作量。轉(zhuǎn)化爐助燃空氣流量計(jì)因?yàn)橹惫芏味?，壓力低，要求允許壓損小、精度要求高等特點(diǎn)，選用錐形流量計(jì)。

3.3.2 分析儀表

產(chǎn)品氫中設(shè)置有CO 含量在線分析儀。因CO 含量正常操作小于1ppm，故可采用在線FID 色譜分析儀和在線激光分析儀進(jìn)行檢測(cè)。在線FID 色譜分析儀檢測(cè)周期長（2～3 分鐘）、后續(xù)使用成本高、一次投入高（需要防爆分析小屋）。激光分析儀對(duì)于CO 的檢測(cè)限可以達(dá)到20ppb，一次投入低（無需防爆分析小屋）、響應(yīng)快（小于20 秒）、后續(xù)使用成本低（無需載氣、助燃空氣）。綜合考慮最終采用防爆在線激光分析儀。

3.3.3 控制閥

PSA 程控閥應(yīng)選用PSA 專用的高性能氣動(dòng)截止閥。此閥具有開關(guān)迅速、動(dòng)作靈活可靠，閥芯抗高速氣流沖刷、嚴(yán)密封（達(dá)到ANSIFCI70-2VI 級(jí)）、長壽命，填料函能夠自緊補(bǔ)償，密封持久等特點(diǎn)。閥門能夠在年開關(guān)20 萬次以上的狀態(tài)下保持高密封性能，并且易損件的壽命達(dá)到開關(guān)動(dòng)作100 萬次以上。

4 裝置試車驗(yàn)證

本裝置于2021 年5 月一次性開車成功，順利產(chǎn)出合格的產(chǎn)品氫氣。自動(dòng)負(fù)荷控制系統(tǒng)由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，未能及時(shí)投用。在裝置正常運(yùn)行一個(gè)月后曾發(fā)生過一次蒸汽流量低低聯(lián)鎖停爐事故。事后進(jìn)行事故原因分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)際蒸汽流量并未發(fā)生顯著變化，是流量計(jì)出現(xiàn)假數(shù)值導(dǎo)致。事故流量計(jì)是渦街流量計(jì)，采用某進(jìn)口品牌產(chǎn)品，渦街發(fā)生體與檢測(cè)元件非一體式結(jié)構(gòu)。事故發(fā)生前測(cè)量準(zhǔn)確，運(yùn)行穩(wěn)定。拆除流量計(jì)發(fā)現(xiàn)測(cè)量元件被雜物卡滯，清理并重新安裝后流量計(jì)恢復(fù)正常。通過此案例可以得出一個(gè)選型建議，渦街流量計(jì)如果作為聯(lián)鎖用途最好是采用渦街發(fā)生體與檢測(cè)元件一體式結(jié)構(gòu)，以免開工初期介質(zhì)不太干凈時(shí)造成誤聯(lián)鎖。

5 結(jié)論

本文基于制氫裝置的自動(dòng)負(fù)荷控制問題，就主要控制方案、聯(lián)鎖邏輯以及關(guān)鍵現(xiàn)場(chǎng)儀表選型展開了分析。最終經(jīng)過對(duì)控制方案的優(yōu)化、安全聯(lián)鎖邏輯的完善、現(xiàn)場(chǎng)儀表的針對(duì)性選型，裝置一次開車成功，證明了控制方案設(shè)計(jì)合理，儀表選型可靠。基于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，提出了渦街流量計(jì)選型時(shí)采用渦街發(fā)生體與檢測(cè)元件一體式結(jié)構(gòu)的建議。綜上所述，本文闡述了自動(dòng)負(fù)荷控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及天然氣制氫裝置的設(shè)計(jì)，對(duì)于同類型的裝置設(shè)計(jì)有一定參考意義。