CO变换工段温度控制系统的优化研究

申晨晨 白莹莹（西安工程大学，陕西 西安 710048）

CO变换工段温度控制系统的优化研究

申晨晨 白莹莹（西安工程大学，陕西 西安 710048）

CO变换工段是一个复杂的时变动态反应过程，传统的PID控制算法很难使之达到理想的控制效果，为了进一步有效地控制变换工段的运行,提出了无模型自适应控制温度控制方法与改进策略，保证CO含量和变换炉温度在允许范围内，通过建立模型仿真，对比分析无模型自适应控制方法和传功PID控制方法在CO变换工段的优势，提出一氧化碳变换工段温度控制的可行性优化方案。

CO变换；无模型自适应控制；流程；仿真分析

煤质合成天然气中CO变换过程既可以有效的降低CO浓度，同时也可以提高H2的含量，调节生产过程中的CO与H2比，使CO变成更易于除去的CO2。近年来，CO变换过程主要向节能和高效的方向发展[1]。低投资、低能耗、节省动力、降低蒸汽消耗、“余热”能合理利用等，都是需要努力的目标，并且还要求在蒸汽消耗不增加的前提下提高变换率，降低运行费用[2]。根据煤质SNG中CO变换流程的特点，这是一个可逆、放热、反应前后体积不变的化学反应，笔者通过将无模型自适应控制方法应用于CO变换过程，通过控制变换炉的温度，来保证湿洗后的粗合成气充分反应。

1 CO变换工段控制流程

一氧化碳变换是在催化剂的作用下，在一定的温度（高于催化剂的起始活性温度）条件下，CO和水蒸汽发生反应，将CO转化为氢气和二氧化碳。其化学反应式为：

假定在反应器中只发生该反应，其他副反应不考虑。压力对反应平衡没有影响，降低温度和增大水/气比（水/气比是指进口气体水蒸汽的分子数与总干气分子数之比）会有利于反应平衡向右移动。所以在不改变水/气比的前提下，温度的控制对CO转化的效率有很大的影响。

第一变换炉进口温度由煤气换热器副线调节阀调节；第二变换炉进口温度由调节进入1#淬冷过滤器锅炉给水水量来控制；第三变换炉进口温度由调节进入2#淬冷过滤器锅炉给水水量来控制。

2 变换炉的温度控制模型分析

变换炉发生的变换反应是放热反应，随反应进行，温度不断升高。大体上，CO浓度每降低1%（干基），温度要升高9/(1+ W)～10/(1+W)℃。(W为水比气)。对于可逆放热反应而言，存在着最佳反应温度。温度升高，反应速度常数增大，对反应速度有利；但同时CO平衡含量增大，反应推动力变小，对反应速度又不利。对一定的触媒及气相组成，必将出现最大的反应速度值，其对应的温度即为最佳反应温度。随着反应在床层上的不断进行，最佳反应温度与平衡温度一样是逐渐降低的，根据最佳反应温度与CO浓度的变化关系绘制成的曲线，称为最佳反应温度线。如果反应能按最佳反应温度线进行，催化剂用量最少、变换效率最高。实际上由于绝热操作线正好相反，因此，很难完全按最佳温度线进行。

2.1 无模型自适应温度控制策略

无模型温度控制器是应用到CO变换工段的数学建模与控制思想即“建模与控制一体化的”产物。MFAC（无模型自适应控制）是通过在闭环受控的动态工作点附近用一系列的动态线性时变模型来等价替代一般离散时间非线性系统，并仅用被控对象的I/O数据来在线估计伪偏导数，进而实现无模型自适应控制。带非线性约束的MFAC对受控对象R9101变换炉运行具有一定的稳定性，其控制流程如下图2.1所示：

2.1 无模型自适应控制流程

无模型自适应控制的基本算法就是基于特征参量φ(k)的辨识算法和基本控制算法在线交互进行而组成的。当经过辨识到φ(k)后，可以应用控制算法把温度系统进行反馈控制，控制的结果将得到一组新的观测数据，在已存在的数据中添加这一组新的数据在对φ(k+1)继续辨识下去，如此进行下去，就可以实现无模型自适应控制与反应炉的温度控制系统一体化。

2.2 变换炉温度控制系统设计

本次研究的温度控制的对象是1#变换炉R9101。该温度控制系统是一个特殊的化学反应设备，考虑到在工段运行过程中变换炉内的水量调节、化学反应放热，物料的填充，催化剂的添加等，都会导致变换炉内空气温度的变化，所以在系统开始时先进行初始温度调整，从输入加热控制信号到变换炉内的空气温度升高。中间通过加热器和空气流通的通道，形成两个大的储热环节，从而构成一个二阶系统。由于随着加热时间的变化，变换炉加热器温度也在不断地变化，在加热过程中，需要构建一个具有滞后的二阶系统，当炉内的温度达到催化剂所需的最佳反应温度，并且输入输出变量稳定后，此时温度控制器开始记录整个催化反应的过程，该系统动态过程可以用式（1）表示：

其中T2是当前被加热物体附近的气体的实测温度；T1是加热器附近空气的温度；T0是加热器的温度；α1、α0是各自温度的传递系数；u是输入变量；b1是输入信号转化为温度的系数；τ是滞后时间；n(t)是电压、电流波动和其他不可测的干扰信号。

在变换炉实际加热过程中，系统反馈温度的信息在传送过程是否滞后，测量到的温度信息对控制系统的性能会有很大的影响，媒质温度信息不能及时得到反馈的问题，这在分析温度对变换炉加热过程时要考虑滞后这个重要的因素。

3 仿真研究及结果分析

本次仿真以IGCC电厂粉煤气化装置的经过湿洗后的粗合成气为原料气。使用ASPEN PLUS软件模拟CO变换工段的反应流程，通过控制温度的变化分析整个工作流程的物料消耗，对比两种温度控制方案策略，对CO变换工段进行优化。下图3.1是对整个CO变换工段的反应流程的模拟：

3.1 CO变换工段反应流程

变换炉是变换工段的关键设备。第一变换炉内装耐硫催化剂，变换气体中的CO和H2O（气态）在催化剂的作用下转化为CO2和H2。第一变换炉R9101操作压力2.8MPa，操作温度为460℃。

装置完成48h满负荷连续运行测试，记录位于CO变换工段的R9101变换炉在添加催化剂反应前后温度的变化。

对比分析PID温度和无模型自适应温度控制的仿真，对变换炉的稳定运行和安全性能设计可行性方案。

根据要求，设置仿真参数，对两种输出数据进行模型仿真比较。

（1）跟踪性能的比较

无模型自适应控制构造离散时间非线性大时滞对象参考模型：

仿真调制好较好状态时，跟踪时间200秒，在相同的输出时间内观察两种控制方法的温度变化输出u(k)：

图温度控制输出u(k)

仿真结果表明，与无模型自适应控制方法相比，PID控制方法的超调量大，跟踪性能差。PID控制复杂，参数调整需要试凑，而MFAC控制方案简单，适应能力较强参数整定相对容易。

（2）克服大时滞的能力比较

参考输入保持不变，时滞增大，跟踪时间为200秒，调整MFAC控制方法和PID控制方法的参数，使得两种控制方法一致，观察控制输出。

图温度控制输出u(k)

仿真结果表明MFAC控制方法比PID控制方法在克服大时滞的能力上较好，在输出数据的性能上更能稳定，反映出系统运行的稳定程度更高。

4 结语

本文针对CO变换工段的R9101变换炉温度系统的设计,首先，对变换炉的温度系统设计的合理性进行了深入分析，其次，提出无模型自适应温度控制流程，结合传统的PID控制方法，无模型自适应控制系统更适用于无需建模的非线性系统，最后模拟出整个变换工段的反应流程，将无模型自适应控制方案应用到变换炉R9101，并进行了温度控制输出仿真对比试验，仿真结果表明无模型控制方法在CO变换工段的温度控制、数据跟踪、适应能力和克服大时滞能力几个方面都明显优于PID控制方法，所以无模型控制方法更有利于变换炉的可靠运行和稳定传输。

[1]An experimental study on carbon monoxide conversion and hydrogen generation from water gas shift reaction[J].Wei-Hsin Chen,Tai-Ching Hsieh,Tsung Leo Jiang.Energy Conversion and Management.2008(10).

[2]钱卫，黄于益，张庆伟等.煤制天然气(SNG)技术现状.洁净煤技术,2011,7(1):27-32.