制氢的控制算法

焦炉煤气制氢的控制算法（）摘要：焦炉煤气制氢是钢铁企业中常见的设施，京唐公司利用了先进的PSA工艺，其控制系统采用西门子公司414H冗余系统，和SCL语言，其控制算法的探讨有益于我们深入了解制氢系统，且其算法的通用性很强，适合于同类的多阀门的控制系统。ABSTRACT:Cokeovengasishydrogeninironandsteelenterprisescommonfacilities,JingtangcompaniesuseadvancedPSAprocess,thecontrolsystemusesSiemens414Hredundantsystem,andSCLlanguage,thecontrolalgorithmsbenefitourunderstandingofhydrogensystem,anditsalgorithmisveryversatile,suitableforasimilarmulti-valvecontrolsystem.关键词：变压吸附,变温吸附解析,再生,，制氢KEY:PressureSwingAdsorption，TemperatureSwingAdsorption,Resolve,Regeneration,Hydrogen0引言焦炉煤气制氢，在钢铁企业及化工行业中应用广泛，由于焦炉煤气中氢含量占到58%，是氢气提取的主要来源，京唐公司焦炉煤气制氢系统利用先进PSA（PressureSwingAdsorption）变压吸附技术，从焦炉煤气中把氢气分离出来，送往冷轧的加热炉，与氮气一起作为保护气使用，防止钢坯的氧化。1正文1PSA简介PSA变压吸附，变压吸附法，利用不同气体在吸附剂上吸附性能的差异，以及同种气体在吸附剂上的吸附性能随压力的变化而变化的特殊性来实现混合气体的分离。如下图所示，是变压吸附的理论依据。在加压下进行吸附，减压下进行解吸，由于吸附循环周期短，吸附热来不及散失，可供解吸之用，可近似看做等温过程，从下图中可以看出，变压吸附，是在一条等温吸附线上变化的。2PSA制氢的工艺简介PSA是利用高压吸附，常压解析。在进入PSA之前通过压缩机，对煤气加压，经过PSA的吸附塔之后，得到纯氢气。单台吸附塔，吸附杂质的容量是有限的，和吸附剂的材质和堆填方式有关，所以常见的是2台、5台、10台联用，其中一塔或多塔吸附，剩余的塔降压反向吹扫，然后升压备用，称为再生。PSA再生的步骤分为均压降、冲洗、均压升终充等步骤，其中均压升、均压降是利用塔之间的压力不同，两两对应的。下表是常见的5塔吸附的PSA步序。分周期12345步位12341234123412341234时间303030120303030120303030120303030120303030120压力1.71.240.940.480.180.020.7841AAAA1D2D3DPPPPDDPPIS3R2R1RFRFRFR21RFRFRFRAAAA1D2D3DPPPPDDPPIS3R2R3PIS3R2R1RFRFRFRAAAA1D2D3DPPPPDDP4PPDDPPIS3R2R1RFRFRFRAAAA1D2D3DPP51D2D3DPPPPDDPPIS3R2R1RFRFRFRAAAAEnR/D其中n是代表的均压次数，R代表升压，D代表降压。A表示吸附，PP表示冲洗，FR是终充，IS是隔离。上表中可以看出，在第二周期时，1塔进行一均降的同时，3塔利用1塔的气进行1均升。下图是5塔循环的工艺流程图。3控制算法从上图中可以看出，每个塔有7个阀门，5个塔共计35个阀门。5个塔即是5个周期，每个塔要经历吸附和再生两步，再生又分为均压降，均压升，冲洗，顺放，终充等步骤，根据不同的步序开启不同塔的不同阀门，完成相应的工序，使两塔均压，完成再生。为了实现以上的功能提出了如下的几种控制方法：1）方法1，按照周期，步序，两部分编写程序。循环开始1周期=1步，相应的阀门动作。1周期=2步，相应的阀门动作。……1周期=n步，相应的阀门动作。1周期结束，进入2周期。2周期=1步，相应的阀门动作。2周期=2步，相应的阀门动作。……2周期=n步，相应的阀门动作。……n周期=n步，相应的阀门动作。跳到1周期继续执行。2）方法2，通过计算求出当前周期的当前塔，完成相应的动作。下图显示了其运算规律。周期塔12345…n11nn-1n=2n-3…n-(1-n+1)221nn-1n-2…n-(2-n+1)3321nn-1……44321n……554321…………………………nnn-1n-2n-3n-4…1总结：当周期=塔号时当前周期的当前塔=周期-塔号+1当周期塔号时当前周期的当前塔=总周期数-（周期-塔号+1）通过上述的计算可以确定当前周期的当前塔，根据需要开启相应的阀门，完成工艺要求。3）方法3，建立二维数组，完成所有的开启关闭的要求，建立二维数组，行坐标为步序号，列坐标为所有的阀门相应步序的开关要求。周期循环读出相应的步序，输出数组中阀门的动作要求。周期循环。4控制算法比较上述列出的三种编程方法是制氢系统中常见的，但都有利弊，应用于不同的环境。第一种算法，适合周期少或者步序少的系统，如果PSA系统有5个塔，35个阀，程序将有大量的冗余，不便书写，但编程程序简单明了。第二种算法，适合周期多步序多的系统，其通用性很强，根据周期和塔号的关系确定当前周期的当前塔，精确确定到每个阀，减少了代码冗余和访问数组的次数。下图是5周期循环的典型例图。第三种算法，适合周期和步序适中的系统，其每个步序所有的阀门都要输出，对数组都要访问，执行速度较慢，但是其精确到每个阀门的动作要求，使步序动作修改方便，有益于故障处理。5算法应用首钢京唐公司的焦炉煤气制氢控制系统应用了上述的第一种和第二种算法，在制氢的预处理系统TSA（TemperatureSwingAdsorption）变温吸附中，只有两个塔，每个塔4个阀，共8个阀，所以采用第一种算法，较为简单方便。而在PSA变压吸附分离氢气中，有5个塔，35个阀，所以采用了第二种方法，先算出塔，然后根据工艺，综合在一周期内所有步序要同时开的阀门和需要单独开启的阀门，比较步序，使相应的阀门在相应的步序开启，不是其所规定的步序则关闭。6结束语通过实际的应用，以上算法实现了制氢系统按周期、步序轮换的自动控制，快速准确的开启和关闭阀门，使制氢系统生产连续，提高了生产效率和稳定性，满足了工艺要求。其控制算法的可以应用到类似的控制系统中，如加热炉的煤气换向阀控制等阀门较多且按时序要求的控制系统中。为制氢系统的进一步改进打下了基础。[参考文献][1]王树青，乐嘉谦。自动化仪表与工程师手册。化学工业出版社。2010-1。[2]乐嘉谦.仪表工手册。化学工业出版社。2000-5。[3]吕佐周，王光辉等。燃气工程。冶金工业出版社。2008-1。[4]施引萱，王丹均，刘源泉。仪表维修工.化学工业出版社。2001-1。[5]蔡增基，流体力学泵与风机。中国建筑工业出版社。1999-12。