基于专家系统的天然气改质优化控制系统设计.pdf

第 5 O卷第 2期 2 0 1 4年 4月 石油化工自动化 AUT M AT1 0N I N PETR _ CH E M I CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 5 O，No ． 2 Ap r i 1 ，2 0 1 4 基于专家系统的天然气改质 优化控制系统设计 张剑 上海化工研究院 ， 上海 2 0 0 0 6 2 摘要 以天然气循环催化裂解工艺为研究对象， 针对当前天然气改质生产过程中遇到的天然气转化率不高、 蒸汽浪费较多等 问题 ， 结合专业理论知识与实际操作经验 ， 从催 化剂温度控制 、 烟气残氧控制 、 催化剂活性控制 、 改质水蒸气 控制等多角度 出发 ， 设计 了专家知识库规则 ， 并以工业化在线应用为出发点， 利用 C语言 与 P c通信技术 实现 了专家优化 控制系 统的开发 。经 过现场实施验证该系统有效降低了生产装置的综合能耗， 为天然气改质当前存在的问题提出了可行的解决方案及实施案例， 同 时提 出的设计方法对专家系统在工业场合的实际应用也具有一定 的参考价值 。 关键词 天然气改质节能降耗专家系统c 语言O P C通信 中图分类号 T P 2 7 3 文献标 志码 B 文章 编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 4 0 2 0 0 0 6 0 4 De s i g n o f Na t ur a l Ga s M o d i f i c a t i o n Opt i mi z a t i o n Co nt r o l S y s t e m Bas e d o n Ex p e r t S y s t e m Zh a n g J i a n S h a n g h a i Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Ch e mi c a l I n d u s t r y ，S h a n g h a i ，2 0 0 0 6 2，Ch i n a Ab s t r a c t Wi t h n a t u r a l g a s c y c l i c c a t a l y t i c r e f o r mi n g C C Rp r o c e s s a s o b j e e t ，a i mi n g t o t h e p r o b l e m o f l O W n a t u r a l g a s c o n v e r s i o n r a t e a n d t O O mu c h s t e a m wa s t e e t c ．f o r c u r r e n t n a t u r a l g a s p r o d u c t i o n p r o c e s s mo d i f i c a t i o n， c o mb i n i n g p r o f e s s i o n a l t h e o r e t i c a l k n o wl e d g e a n d p r a c t i c a l o p e r a t i o n e x p e r i e n c e ， t h e e x p e r t k n o wl e d g e r u l e s a r e d e s i g n e d f r o m t h e p o i n t o f c a t a l y s t t e mp e r a t u r e c o n t r o l ， f l u e g a s r e s i d u a l o x y g e n c o n t r o l ， c a t a l y s t a c t i v i t y c o n t r o l ， mo d i f i e d s t e a m c o n t r o l a n d o t h e r c o n t r o l p e r s p e c t i v e s ． S t a r t i n g f r o m i n d u s t r i a l i z a t i o n o n - l i n e a p p l i c a t i o n，t h e d e v e l o p me n t o f e x p e r t o p t i mi z e d c o n t r o l s y s t e m i s r e a l i z e d t h r o u g h u s i n g C s h a r p l a n g u a g e a n d OP C c o mmu n i c a t i o n t e c h n o l o g y ．Th e o n - s i t e a p p l i c a t i o n s h o ws t h e o v e r a l l e n e r g y c o n s u mp t i o n o f p r o d u c t i o n u n i t i s e f f e c t i v e l y r e d u c e d，a n d i t p r o v i d e s f e a s i b l e s o l u t i o n a n d c a s e f o r c u r r e n t e n c o u n t e r e d p r o b l e ms f o r n a t u r a l g a s mo d i f i c a t i o n ． M e a n wh i l e t h e p r o p o s e d d e s i g n a l s o c a n b e u s e d a s r e f e r e n c e f o r p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n f o r e x p e r t s y s t e m i n i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s ． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s mo d i f i c a t i o n； e n e r g y s a v i n g； e x p e r t s y s t e m ； C s h a r p l a n g u a g e ； OP C c o mml 】 n j c a t i o n 1 概述 当前中国面临的能源紧缺 与环境恶化 问题 日 益严峻 ， 迫使作为传统高能耗 、 高污染 的燃气行业 由以煤为原料的生产方式 向以天然气等清洁型能 源为原料的生产方式转变。天然气常压循环催化 裂化改质气工艺 C C R工艺 是从 国外引进 的新工 艺 ， 与传统煤制气相 比， 改质气具有清洁无 污染 的 优点。通常 1 m。 的天然气可改质成 3 m。 符合城市 管道煤气燃烧特性 的人工煤气 ， 大幅节约了天然气 能源的消耗。 C C R工艺的原理是天然气与水蒸气在催化剂 的作用下， 进行转化反应， 生成 H ， C O。主要反应 集合为 H2 2 mH2 O 催化剂 mCO 2 m 1 H2 稿件收到 日期 2 0 1 3 一l O l l 。 基金项 目上海市科 委“ 科 技创新行动计 划” 2 0 1 0年度制造业 信息 化专项 ， 课题名称 天然气 制城市煤气过程控制节能降耗关键技术 开发与示范应用 项 目编号 1 0 d z l 1 2 2 3 0 0 。 作者简介 张剑 1 9 7 9 一 ， 男 ， 硕士 ， 现就职于上海化工研究院 自动 化仪表所 ， 从事化 工 自动化控制系统 、 仪器仪表及设备 的科研与开 发工作 ， 任副总工程师 、 自动化专题组长 、 工程 师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 张剑．基于专家系统的天然气改质优化控制系统设计 7 Cm H H。 O CO 2 m q -n H 2 1 式 1 的特点是反应过程为吸热反应 ， 热量通 过天然气燃烧产生的高温烟气提供 。整个制气生 产过程由加热阶段 和制气 阶段循环交替进行。一 个完整的循环周期时间为 2 mi n 。C C R的生产流 程如图 1所示 。 广 雹 蠹 增 热 I--用 天 然 气 垫 竺 厂 窒 充l l J 虱 l I 棚． 少未分解水蒸气潜热损失以及降低烟气残氧量， 其 中最核心的目标是提高天然气转化率 。因此， 在专 家规则的设计上笔者以改质气中C H 体积分数为 调控 目标， C H4 体积分数越低表示天然气的转化率 越高， 影响 C H 体积分数最关键 的因素是催化剂的 状态， 主要包括催化剂的反应温度 、 活性、 积炭程度 、 寿命等指标 ， 笔者根据反应的内在基理与操作人员 的实际经验在规则设定上做了如下的设计 。 萋 H 囊 H 囊 E { _ 2 O MPa l l 1 6 0 MP a 蒸汽缓冲r_ _ 1 蒸汽缓冲 外来蒸汽补充 图 1 C C R的 生产流 程 示意 C C R工艺具有工艺流程短 、 采用原料广泛 、 常 压操作、 污染物排放少、 生产资源可重复利用 等优 点 ， 目前 国内已有大连、 南京、 上海 、 广州等地进行 了技术引进 ， 至今全 国共投产生产线 1 4条， 年总产 能约为 1 ． 5 1 0 m 。 2 C O R生产存在的问题 上海浦东煤气制气有限公司 目前共建成投产 4条 C C R生产线 ， 根据上海市节能减排工作 的要 求 ， 2 0 1 0年该公司对 3号改质生产线做了全 面的 热平衡测试 ， 发现当前 C C R生产主要存在以下两 个突出的问题 1 缺少适合 间歇性生产工艺的在 线气体取样分析设备， 操作人员对改质气与烟气的 组成比例不能及时掌握 ， 造成调整工艺参数时具有 很大的盲目性与滞后性 ； 2 生产过程各类能源损耗 较大 ， 节能降耗优化控制方法缺失 ， 针对如何提高天 然气转化率 、 降低改质用蒸汽及加热用空气使用量 ， 国内外都没有系统的控制方法能借鉴， 操作人员操 控缺乏严谨性与一致性 ， 生产质量因人而异。 3 在线专家控制系统设计 在线专家控制 系统设计开发的 目的是为了解 决 C C R生产中暴露的节能降耗优化控制方法缺失 的问题。专家系统软件采用 C语言进行编写 ， 包 括专家优化 子系统、 人机界面子系统和 O P C客户 端三个部分 ， 软件通过 O P C技术与原有 D C S及新 增改质气／ 烟气采样分析系统进行数据交换 ， 在线 专家控制系统结构如图 2 所示 。 其中专家优化子系统由知识库 、 数据库、 推理 机模块三部分组成 ， 其 中最核心 的是知识库模块 。 根据要求专家系统的目标是提高天然气转化率， 减 通 信层 设 备层 图 2 在线专家控制 系统结构示意 3 ． 1 催化剂温度控制规则 根据 C C R生产工艺 ， 加热阶段 主要作用是控 制改质 阶段催化剂的初始温度 ， 保证改质能够进行 充分 。催化层温度是 由加热用天然气燃烧产 生的 热量来提供的 ， 燃烧发生在改质炉前部 的燃烧室 ， 通过风量 空气量 的调节将热量吹 向位于改质炉 后部改质室 的催化层 ， 在这里风量的主要作用有两 点作为天然气 的助燃剂 ， 为反应提供热源 ； 作为 催化层温度 的调节手段 ， 控制各点温度。风量与天 然气的比值称为B H值。 根据上述特点 ， 笔者设计 控制规则分 两步实 现 ， 首先找到能为催化层提供足够热量的加热用天 然气量 ， 然后通过风量的调节使催化层各点温度达 到适合反应 的温度 。图 3为加热 时改质炉内各点 温度状态的监控截图。 图 3 加热阶段炉 内温度分布 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 石油化工自动化 第 5 0卷 根据操作人员经验 ， 5 0 1温度是衡量加热量是 否足够的重要标准， 由于温度与热量的差异， 看加 热量是否满足除 了要看 5 0 1温度之外还要看增加 风量后该点温度的下降趋势 ， 若下降缓慢则说明加 热量足够 ， 可支撑通过风量调节催化层各点温度 ， 反之则说 明加热量还须增加 。 1 加热天然气部分的主要控制规则如下 a I f 5 0 1温度≤预设值 Th e n加热天然气 阀 门开度 0 ． 5 。 b I f 5 0 1温度预设值 a n d温度下降趋势≥ 预设值 Th e n加热天然气阀门开度0 ． 5 。 c I f 5 0 1温度预设值 a n d温度下降趋势 预设值 Th e n加热天然气阀门开度一0 ． 5 。 根据技术数据， 改质使用的氧化镍催化剂最佳 工作温度 区间为 7 0 0 ～ 1 0 0 0℃。由于催 化层较 厚 ， 仅依靠 5 0 7 ， 5 0 9 ， 5 3 1 ， 5 3 3这 4点温度 来衡 量 整个催化层 的温度分布是不 够全面 的。另外 ， 催 化剂的最佳工作 温度也 会 随着催化 剂性 能 的改 变而变化 ， 并非一个 固定 值 ， 对其 进行 最优值 控 制是非常困难 的， 因而笔者在催化层温度 控制上 采用的是连续寻优方案 ， 利用计算机循环计 算 的 特点 以及新增气体在线分析数据 的优势 ， 以最终 改质气中C H 体积分数为判断标准， 始终保证使 鼓风量 的变化 向使 C H 体积分数 降低 的方 向进 行 ， 从 而避 免进行 复杂 的建模 与计算 ， 简化控 制 结构 ， 适合工业 场合应用 ， 间接地 也可 使催 化层 的温度 向实际状况下 的最优 温度靠近 ， 为操作人 员提供参考 。 2 风量部分主要控制规则如下 a Do BH 0 ． 0 5 。 b I f C H 体积 分数 前 次 C H 体积 分数 Th e n Ex i t 。 3 ． 2烟气残氧量控制规则计 对 于降低烟气残 氧量 ， 必须结合实 际反应需 要不能盲 目降低 ， 最关键 的是找 到生产所允许 的 残氧量 最低 值 。由于 O。主要 通 过 风 量带 入 系 统， 过量空气进入系统燃烧后剩余的 2 绝大部 分被还原态的催化剂吸收， 余下部分随燃烧产生 的烟气排 出， 即残 氧量 ， 因此 风量 与残氧 量存 在 正 比关 系 ， 由此笔者可 以得 到使改质气中 CH 体 积分数达到最低 的风量 时相 对应 系统所 允许 的 残氧量最低值这一论断 ， 若低 于最低值则不但 不 能使催化剂性能达到最佳 ， 而且还会 出现 冒黑烟 等损害环境 的情况 。因此 ， 残 氧量规则 与风量规 则是相互统一 的。 3 ． 3 催化剂活性控制规则 根据改质工艺的特点 ， 在改质阶段催化剂会放 出所吸收的氧原子 ， 促进天然气 、 水蒸气发生反应 ， 反应吸收大量 热量使催化剂温度降低 。在整个反 应周期 中催化剂会不断经历氧化与还原的过程 ， 即 伴随着温度的不断升高与降低 。随着催化剂使用 时间变长 ， 活性会逐渐下 降， 从 而发生还原性能不 足的情况 ， 影响到天然气的转化率 。当发生这种情 况时系统需要发出警告 ， 通知操作人员尽快停车对 催化剂进行整体还原操作 。衡量催化剂活性的重 要指标是催化剂在加热阶段最高温度与改质阶段 最低温度的差值 ， 差值越小表示活性越差 。催化剂 活性主要规则如下 I f 催化剂反应温差预设值 Th e n提示“ 催化 剂活性低于预设值 ， 请进行还原操作” 。 3 ． 4 改质水蒸气控制规则 影响天然气转化率的因素 ， 除 了催化剂 的状态 之外 ， 另一个重要因素是改质阶段水蒸气的量。水 蒸气量过多对整个过程 的影响有 以下三点 拉低 催化层温度 ， 浪费加热阶段热量 ， 使催化剂偏离最 佳工作温度 ； 浪费水蒸气 ， 造成潜热严重损失 ； 浪费 天然气 ， 过快的流速使部分天然气来不及反应直接 被吹到后系统 。水蒸气量过少对过程也有严重影 响 ， 容易导致催化剂积炭现象 。这是由于水蒸气量 相对过少使过量部分的天然气在高温无 氧环境下 生成炭并依附在催化层的尾部 ， 主要危害在于水蒸 气与炭发生水煤气反应 ， 导致催化层尾部温度大幅 升高， 严重的会使催化剂融化 ， 直接影 响催化剂 的 性能与寿命 。 因此， 无论水蒸气量过多或过少都会对天然气 转化率产生不利影 响 ， 必 须结合实 际反应需要调 节 ， 不能盲 目降低或升 高。从 节能降耗 的角度来 看 ， 笔者的控制 目标应该是使催化剂在不发生积炭 的前提下将水蒸气 的使用量降至最低 。在方案选 择上同样采用的是连续寻优的方法 ， 始终保证使水 蒸气量 的变化 向使 CH 体积分 数降低 的方 向进 行 。根据前 面的分 析 ， C H 体积分数 的最低值对 应着水蒸气量所允许的最小值 ， 因此该过程间接地 也可使水蒸气量向实际状况下的最低值靠近， 为操 作人员提供参考。水蒸气与天然气的 比值称为 R Rs值 。主要控制规则如下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 张剑．基于专家系统的天然气改质优化控制系统设计 1 I f 5 3 1温度一5 1 1 温度≤ 预设值 Th e n提 示“ 催化剂积炭， 请进行除炭操作” 。 2 Do R RS 0 ． 0 5 。 3 I f C H 体积 分数 前次 C H 体积分数 Th e n Ex i t 。 在实际设 计使用 中笔 者采 用 的控制 原理 如 图 4所示 ， 根据上述一系列专家优化控制规则， 在 线专家控制器在结构上分为加热量控制模块、 风量 控制模块及蒸汽量控制模块三个部分 ， 在运行中依 次循环执行、 滚动优化。其 中加热量控制模块的程 序执行周 期与生产周期 同步 ， 为 2 mi n ； 风量控制 模块与蒸汽控制模块的程序执行周期与在线气体 取样分析系统周期同步 ， 为 4 mi n 。 鹄 温度传感器 N加f7 开度修正I ’ 壁 三 l水蒸 ． 堕 卜 而 图 4 改质 水蒸 气控制 规 则示 意 4 专家系统实施效果 经过实际应用 ， 笔者得到专家系统投运后相关 生产状况 数 据 与 之前 主 要 数 据 的 对 比， 见 表 1 所 列 。 表 1 技术经济参数比较 续表 1 通过 比较后发现在项 目实施后 3 号改质炉几 乎各项指标均比之前有了提高， 节能降耗效果 比 较 明显。项 目的节 能降耗主要体现在 两个方面 改质炉整体热效率的提高 ， 通 过计 算改质 炉可节 约标准煤约 3 9 0 t ／ a ； 过剩空气减少所 带来 的鼓风 量降低 ， 所 带 来 的能 耗节 约 为标 准 煤 1 8 0 t ／ a 。 以上数据按每条改质生产线年平均投产率 5 8 9 ／ 6 计算 。 综上所述 ， 通过该项 目的实施 ， 改质炉可实现装 置能 耗 节 约 折 合 标 准 煤 约 5 7 0 t ／ a ， 折 合 原 煤 8 5 5 t ／ a ， 按 目前市场价可节约约 5 0万元／ a ， 节能减 排经济效益十分可观。 5 结束语 在基于对天然气改质反应原理以及丰富现场 生产与维护经验 的基础上设计与开发了天然气改 质节能降耗在线专家控制系统 ， 能够有效控制天然 气改质生产工艺综合能耗 ， 满足情况多变的控制要 求， 为天然气改质生产工艺提供 了一套创新 、 自动 化程度高的优化控制方案 ， 对同类生产装置提升节 能降耗水平具有示范与指导意义。 参考文献 [1] 俞 金 寿． 工业 过程 先 进 控 制 E M] ． 北 京 中 国石 化 出 版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 朱红玉． C C R工艺在投产过程中的问题处理[ J ] ．燃料与化 工 ，2 0 0 3， 3 4 0 3 1 3 i一1 3 3 ． [3] 张宝 金． 天然 气 改制 技 术 的开 发 E J 3 ． 煤 气 与热 力 ， 2 0 0 5 ， 2 5 0 8 2 9 3 1 ． [4] 张贵军 ， 柴天佑．基于专 家系统 的智能控制的研究现状及发 展方 向[ J ] ． 东北大学学报 ， 1 9 9 5 ， 9 8 1 6 4 9 5 4 9 9 ． [ 5 ] 李永正． 专家控制技术和智能控制理论的发展E J ] ． 自动化 仪表 ， 1 9 9 7 ， 1 8 0 7 1 5 ． [ 6 ] 赵虹． 实时控制专家系统及其在国内的应用E J ] ． 海南大学 学报 ， 1 9 9 7 ， 0 6 5 3 1 5 7 ． [ 7 ] 韩淑慧， 钱锋． 乙烯精馏塔压差实时专家控制系统_ J ] ． 华东 理工大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 3 ， 2 9 O 3 2 9 1 2 9 4 ． [ 8 ] 黄海燕， 俞安然． 乙烯生产中精馏塔的专家控制系统[ J ] ． 华 东理工大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 7 ， 3 3 O 2 2 4 2 2 4 7 ． [9] 唐 向清 ， 魏建华． 专家系统与专家智能控制 [ J ] ．现代 制造工 程 ， 2 0 0 8 O 2 8 4 8 6 ． [ 1 O 3 蒋 国睿 ， 张俊明． OP C技术在天然气改质制气系统 中的应用 E J ] ． 自 动化与仪器仪表， 2 0 1 2 o 6 8 9 9 1 ． 一 改质气 一 度 温 ． 腿 T 上黼 勰 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m