基于DCS順控實(shí)現(xiàn)PSA單元吸附塔無(wú)擾切換

劉 偉，韓叢杰，田多明，郭江明

（獨(dú)山子石化公司 乙烯儀表車間，新疆維吾爾自治區(qū) 獨(dú)山子 833600）

0 引言

此聚合裝置使用的高純氫氣是由PSA單元利用變壓吸附方法，從界區(qū)來(lái)的粗氣（氫氣）中提純所得。PSA單元有6個(gè)吸附塔組和42臺(tái)程控閥等設(shè)備組成。PSA即變壓吸附（Pressure Swing Adsorption）氣體分離與提純技術(shù)，利用變壓吸附原理，不同氣體組份相同壓力下在吸附劑上的吸附能力不同，和同一氣體組份不同壓力下在吸附劑上的吸附容量有差異的特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)混合氣中某一組份的分離提純。PSA單元變壓吸附法依靠壓力變化，實(shí)現(xiàn)吸附與再生，因再生速度塊、能耗低，屬于節(jié)能型氣體分離技術(shù)，被廣泛用于各廠的制氫裝置中。

原料氣中氫氣（H2）是吸附能力最弱的組份，吸附壓力下原料氣中的其它強(qiáng)吸附組份被吸附在固體相吸附劑中，在吸附塔出口端獲得弱吸附組份產(chǎn)品氫氣。通過降壓、逆放和沖洗方式，使強(qiáng)吸附組份從吸附劑上脫附出來(lái)。吸附劑得到再生，用于下一個(gè)吸附分離過程。6個(gè)吸附塔交替循環(huán)操作，達(dá)到連續(xù)制取氫氣的目的。

PSA單元自2009年開工以來(lái)，采用6-1-5/P工藝。在變壓吸附系統(tǒng)中，任一時(shí)刻總有1臺(tái)吸附器處于吸附步驟，原料由入口端進(jìn)入，在出口端獲得產(chǎn)品高純氫氣。每臺(tái)吸附器在不同時(shí)間依次經(jīng)歷吸附（A）→壓力均衡降（EiD）→順放（PP）→逆放（D）→沖洗（P）→壓力均衡升（EiR）→最終升壓（FR）。逆放步驟排出了吸附塔中吸附的部分雜質(zhì)組份，剩余的雜質(zhì)通過沖洗步驟進(jìn)一步完全解吸。解吸氣經(jīng)進(jìn)入解吸氣緩沖罐穩(wěn)壓后，送至火炬系統(tǒng)，見表1，圖1。

表1 工藝時(shí)序表Table 1 Process timing table

圖1 流程圖Fig.1 Flowchart

1 PSA系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題

隨著石化公司提質(zhì)增效的開展，各裝置增加產(chǎn)能，提高負(fù)荷，要求大平穩(wěn)就是大效益。如何保證PSA單元連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行，保證后續(xù)聚合裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行，是工藝和儀表人員要解決的問題。由于PSA單元工藝設(shè)備原因，如吸附塔中的吸附材料損壞，且吸附材料是不可逆的，只能停產(chǎn)更換吸附塔中的吸附材料，或儀表程控閥故障，閥門需要檢修。這些都需要停產(chǎn)來(lái)檢修，將大大影響到下游裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。如果某臺(tái)吸附塔或程控閥需要進(jìn)行檢修，如何利用順控程序?qū)⑦\(yùn)行模式從6個(gè)塔切換到5個(gè)塔運(yùn)行，如果有更危險(xiǎn)的或臨時(shí)故障發(fā)生還可以切換到4個(gè)塔運(yùn)行。故障處理后，依次返回上一運(yùn)行方式。

1.1 現(xiàn)運(yùn)行模式介紹（6-1-5/P）

PSA單元自2009年開工以來(lái)采用6-1-5/P工藝，即6個(gè)塔中1個(gè)塔進(jìn)原料經(jīng)過5次均壓沖洗解吸過程后產(chǎn)出氫氣。在變壓吸附中進(jìn)行均壓過程的目的實(shí)際上是回收吸附床死空間內(nèi)的產(chǎn)品氣，提高PSA單元的氫氣收率。因?yàn)樵谖竭^程結(jié)束時(shí)，床層內(nèi)有大量的高壓產(chǎn)品氣，如果不均壓回收過程，將導(dǎo)致產(chǎn)品收率很低。而均壓次數(shù)的多少主要取決于原料氣的壓力、原料氣的組成和是否采用抽真空再生等因素。一般而言，原料氣壓力越高則均壓次數(shù)應(yīng)越多；原料氣中的雜質(zhì)越容易吸附，均壓次數(shù)可以越多。本PSA單元在充分考慮了原料氣壓力、組成、再生方式和產(chǎn)品要求等因素后，確定PSA單元采用5次均壓加順放沖洗是最適宜的，既可保證氫氣的回收率，又可保證良好的吸附劑再生效果，同時(shí)保證產(chǎn)品氫氣的組分，滿足工藝要求。

1.2 故障運(yùn)行模式（5-1-3/P；4-1-3/P）

隨著裝置運(yùn)行，設(shè)備出現(xiàn)不同程度的機(jī)械疲勞，特別是工藝設(shè)備或者儀表程控閥門需要維修時(shí)間。此時(shí)不能保證6塔同時(shí)運(yùn)行，需要切出故障塔或者與程控閥有關(guān)聯(lián)的塔，需要5塔運(yùn)行。即5個(gè)塔中1個(gè)塔進(jìn)原料，經(jīng)3次均壓沖洗解吸過程后，產(chǎn)生產(chǎn)品氫氣。如果出現(xiàn)特殊情況，還需要切換至4個(gè)塔運(yùn)行。當(dāng)某一臺(tái)吸附器上的程控閥因外部元件故障導(dǎo)致程控閥不能開關(guān)時(shí)，程序可手動(dòng)由運(yùn)行方式6-1-5/P切換為5-1-3/P，即切掉有故障的一個(gè)塔。切換后原料氣的處理量不變，產(chǎn)品氣的回收率有所降低。切換過程中可調(diào)時(shí)間fx所處部位根據(jù)具體切換部位需進(jìn)行一定的調(diào)整。故障處理完畢后，再手動(dòng)恢復(fù)為6-1-5/P工藝運(yùn)行方式。當(dāng)某一臺(tái)吸附塔上的程控閥需進(jìn)行在線檢修時(shí)，程序可手動(dòng)根據(jù)需要從六塔依次切換到五塔、四塔運(yùn)行方式，并可以依次返回上一運(yùn)行方式，4-1-3/P切換模式和上面類似。

2 DCS控制畫面及順控程序

2.1 DCS畫面，PSA單元主流程畫面修改（圖2）

圖2 修改后主流程圖Fig.2 The main flow chart after modification

2.2 切塔畫面

工藝根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行某個(gè)塔的切塔，同時(shí)注意回切塔時(shí)塔的壓力需滿足設(shè)定值需求，即滿足被回切的塔的壓力與回切塔壓力設(shè)定的值在允許偏差范圍（±50.0Kpa）內(nèi)，如圖3。

圖3 切塔畫面Fig.3 Cut tower screen

1）切塔模式

6P切換到5P（手動(dòng)）

5P切換到4P（手動(dòng)）

4P切換到5P（手動(dòng)）

5P切換到6P（手動(dòng)）

2）手動(dòng)切除吸附塔流程（操作示例）

①點(diǎn)擊“禁止切換”切換到“允許切換”→②請(qǐng)點(diǎn)擊要切出的塔→（A～J的順序排塔），出現(xiàn)“切出”文字→③點(diǎn)擊“確認(rèn)”（按鈕底色為綠色）后即可，最后等待合適的步位程序自動(dòng)切除。

3）手動(dòng)切入吸附塔流程

①點(diǎn)擊“禁止切換”切換到“允許切換”→②請(qǐng)點(diǎn)擊要切入的塔→（A～J的順序排塔），出現(xiàn)“離線切入”文字→③點(diǎn)擊“確認(rèn)”（按鈕底色為綠色）后即可，最后等待合適的步位程序自動(dòng)切除。

特別需要注意，回切塔的實(shí)際壓力是否在回切塔壓力要求±偏差值設(shè)定的范圍內(nèi)，否則不執(zhí)行切入。在滿足回切壓力要求后，等待程序在合適的步位切入。下面是切入塔需要關(guān)注的幾個(gè)參數(shù)值說(shuō)明：

回切塔塔壓力設(shè)定值：切入吸附塔的壓力要求值由操作人員設(shè)定，但是其大小不能超出規(guī)定狀態(tài)下的壓力（常壓）±0.05Mpa。

例如：如果回切B塔的壓力沒有滿足工藝設(shè)定的要求范圍，則會(huì)出現(xiàn)文字提示：回切壓力不滿足。

同時(shí)要注意按照操作箭頭指向說(shuō)明順序操作切塔，否則無(wú)效。被切除塔相關(guān)聯(lián)的程控閥可以單獨(dú)操作的，即開或關(guān)。如果出現(xiàn)了切塔誤操作，并且還沒有切出（入）時(shí)，點(diǎn)擊“允許切換”為“禁止切換”時(shí)，實(shí)現(xiàn)一鍵式取消切塔操作。

2.3 切塔順控程序說(shuō)明

1）塔的切入

定義X01,X02,X03,X04,X05,X06代表CUTA,CUT B,CUTC,CUTD,CUTE,CUTF，代表6個(gè)吸附塔。調(diào)用主功能塊，如果操作員發(fā)出切入指令，進(jìn)入程序判定，壓力和其他條件滿足進(jìn)行切塔，操作員需要點(diǎn)擊確認(rèn)后程序有效，程序執(zhí)行結(jié)束，如下指令：

INTEGER FUNCTION CUTIN(X01,X02,X03,X04,X05,X06) 定義6個(gè)吸附塔的切入功能塊

BLOCK _SFCSW MAIN0 定義MAIN0功能按鈕

INTEGER X01,X02,X03,X04,X05,X06,Z01,Z02,I_FOR,I

BLOCK %SW CUT_EN,MAN,CUT_ACK 定義選擇塊切入，手動(dòng)，確認(rèn)功能

IF (MAIN0.WANT_CUT<=0) THEN 以下是塔切入判定程序：

GOTO NX

ELSE

IF (MAIN0.WANT_CUT>0) THEN

I=MAIN0.WANT_CUT

END IF

Z01=X01+MAIN0.TW_SEQ[I]-1

IF (Z01>MAIN0.STATE[2]) THEN

Z01= Z01-MAIN0.STATE[2]

END IF

END IF

2）塔的切出

定義X01,X02,X03,X04,X05,X06代表CUTA,CUT B,CUTC,CUTD,CUTE,CUTF，同樣調(diào)用主功能塊，如果操作員發(fā)出切出指令，先判定吸附塔是否達(dá)到壓力數(shù)值，已到達(dá)正常壓力后，可進(jìn)行下一步程序判定。壓力和其他條件滿足后進(jìn)行切塔，操作員點(diǎn)擊“確認(rèn)”后程序有效，程序執(zhí)行結(jié)束，如下指令：

INTEGER FUNCTION CUTOUT(X01,X02,X03,X04,X05,X06,X07,X08) 定義切出動(dòng)作的整數(shù)類型

BLOCK _SFCSW MAIN0,MAIN01 定義MAIN0和MAIN1功能塊

INTEGER X01,X02,X03,X04,X05,X06,X07,X08,Z01,Z02,I_FOR,I

BLOCK %SW CUT_EN,MAN,CUT_ACK 定義選擇塊切入，手動(dòng)，確認(rèn)功能

IF (MAIN0.WANT_CUT<=0) THEN 以下是塔切出程序判定程序（此處以單塔切出為例）：

GOTO NX

ELSE

IF (MAIN0.WANT_CUT>0) THEN

I=MAIN0.WANT_CUT

END IF

Z01=X01+MAIN0.TW_SEQ[I]-1

IF (Z01>MAIN0.STATE[2]) THEN

Z01=Z01-MAIN0.STATE[2]

END IF

MAIN01.L_DIF=Z01-MAIN0.LLOOP[2]

IF (MAIN01.L_DIF<0) THEN

MAIN01.L_DIF=MAIN01.L_DIF+MAIN0.STATE[2]

END IF

3 結(jié)語(yǔ)

利用DCS功能塊的順控功能優(yōu)化PSA單元程控程序，實(shí)現(xiàn)了PSA單元切塔的無(wú)擾動(dòng)操作，避免了由于工藝設(shè)備原因或儀表程控閥門故障造成整個(gè)PSA單元不必要停工，保證后續(xù)裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行，為此裝置長(zhǎng)周期生產(chǎn)保駕護(hù)航，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。