基于DCS顺控实现PSA单元吸附塔无扰切换

刘 伟，韩丛杰，田多明，郭江明

（独山子石化公司 乙烯仪表车间，新疆维吾尔自治区 独山子 833600）

0 引言

此聚合装置使用的高纯氢气是由PSA单元利用变压吸附方法，从界区来的粗气（氢气）中提纯所得。PSA单元有6个吸附塔组和42台程控阀等设备组成。PSA即变压吸附（Pressure Swing Adsorption）气体分离与提纯技术，利用变压吸附原理，不同气体组份相同压力下在吸附剂上的吸附能力不同，和同一气体组份不同压力下在吸附剂上的吸附容量有差异的特性，来实现对混合气中某一组份的分离提纯。PSA单元变压吸附法依靠压力变化，实现吸附与再生，因再生速度块、能耗低，属于节能型气体分离技术，被广泛用于各厂的制氢装置中。

原料气中氢气（H2）是吸附能力最弱的组份，吸附压力下原料气中的其它强吸附组份被吸附在固体相吸附剂中，在吸附塔出口端获得弱吸附组份产品氢气。通过降压、逆放和冲洗方式，使强吸附组份从吸附剂上脱附出来。吸附剂得到再生，用于下一个吸附分离过程。6个吸附塔交替循环操作，达到连续制取氢气的目的。

PSA单元自2009年开工以来，采用6-1-5/P工艺。在变压吸附系统中，任一时刻总有1台吸附器处于吸附步骤，原料由入口端进入，在出口端获得产品高纯氢气。每台吸附器在不同时间依次经历吸附（A）→压力均衡降（EiD）→顺放（PP）→逆放（D）→冲洗（P）→压力均衡升（EiR）→最终升压（FR）。逆放步骤排出了吸附塔中吸附的部分杂质组份，剩余的杂质通过冲洗步骤进一步完全解吸。解吸气经进入解吸气缓冲罐稳压后，送至火炬系统，见表1，图1。

表1 工艺时序表Table 1 Process timing table

图1 流程图Fig.1 Flowchart

1 PSA系统运行中存在的问题

随着石化公司提质增效的开展，各装置增加产能，提高负荷，要求大平稳就是大效益。如何保证PSA单元连续平稳运行，保证后续聚合装置长周期运行，是工艺和仪表人员要解决的问题。由于PSA单元工艺设备原因，如吸附塔中的吸附材料损坏，且吸附材料是不可逆的，只能停产更换吸附塔中的吸附材料，或仪表程控阀故障，阀门需要检修。这些都需要停产来检修，将大大影响到下游装置的长周期运行。如果某台吸附塔或程控阀需要进行检修，如何利用顺控程序将运行模式从6个塔切换到5个塔运行，如果有更危险的或临时故障发生还可以切换到4个塔运行。故障处理后，依次返回上一运行方式。

1.1 现运行模式介绍（6-1-5/P）

PSA单元自2009年开工以来采用6-1-5/P工艺，即6个塔中1个塔进原料经过5次均压冲洗解吸过程后产出氢气。在变压吸附中进行均压过程的目的实际上是回收吸附床死空间内的产品气，提高PSA单元的氢气收率。因为在吸附过程结束时，床层内有大量的高压产品气，如果不均压回收过程，将导致产品收率很低。而均压次数的多少主要取决于原料气的压力、原料气的组成和是否采用抽真空再生等因素。一般而言，原料气压力越高则均压次数应越多；原料气中的杂质越容易吸附，均压次数可以越多。本PSA单元在充分考虑了原料气压力、组成、再生方式和产品要求等因素后，确定PSA单元采用5次均压加顺放冲洗是最适宜的，既可保证氢气的回收率，又可保证良好的吸附剂再生效果，同时保证产品氢气的组分，满足工艺要求。

1.2 故障运行模式（5-1-3/P；4-1-3/P）

随着装置运行，设备出现不同程度的机械疲劳，特别是工艺设备或者仪表程控阀门需要维修时间。此时不能保证6塔同时运行，需要切出故障塔或者与程控阀有关联的塔，需要5塔运行。即5个塔中1个塔进原料，经3次均压冲洗解吸过程后，产生产品氢气。如果出现特殊情况，还需要切换至4个塔运行。当某一台吸附器上的程控阀因外部元件故障导致程控阀不能开关时，程序可手动由运行方式6-1-5/P切换为5-1-3/P，即切掉有故障的一个塔。切换后原料气的处理量不变，产品气的回收率有所降低。切换过程中可调时间fx所处部位根据具体切换部位需进行一定的调整。故障处理完毕后，再手动恢复为6-1-5/P工艺运行方式。当某一台吸附塔上的程控阀需进行在线检修时，程序可手动根据需要从六塔依次切换到五塔、四塔运行方式，并可以依次返回上一运行方式，4-1-3/P切换模式和上面类似。

2 DCS控制画面及顺控程序

2.1 DCS画面，PSA单元主流程画面修改（图2）

图2 修改后主流程图Fig.2 The main flow chart after modification

2.2 切塔画面

工艺根据实际情况进行某个塔的切塔，同时注意回切塔时塔的压力需满足设定值需求，即满足被回切的塔的压力与回切塔压力设定的值在允许偏差范围（±50.0Kpa）内，如图3。

图3 切塔画面Fig.3 Cut tower screen

1）切塔模式

6P切换到5P（手动）

5P切换到4P（手动）

4P切换到5P（手动）

5P切换到6P（手动）

2）手动切除吸附塔流程（操作示例）

①点击“禁止切换”切换到“允许切换”→②请点击要切出的塔→（A～J的顺序排塔），出现“切出”文字→③点击“确认”（按钮底色为绿色）后即可，最后等待合适的步位程序自动切除。

3）手动切入吸附塔流程

①点击“禁止切换”切换到“允许切换”→②请点击要切入的塔→（A～J的顺序排塔），出现“离线切入”文字→③点击“确认”（按钮底色为绿色）后即可，最后等待合适的步位程序自动切除。

特别需要注意，回切塔的实际压力是否在回切塔压力要求±偏差值设定的范围内，否则不执行切入。在满足回切压力要求后，等待程序在合适的步位切入。下面是切入塔需要关注的几个参数值说明：

回切塔塔压力设定值：切入吸附塔的压力要求值由操作人员设定，但是其大小不能超出规定状态下的压力（常压）±0.05Mpa。

例如：如果回切B塔的压力没有满足工艺设定的要求范围，则会出现文字提示：回切压力不满足。

同时要注意按照操作箭头指向说明顺序操作切塔，否则无效。被切除塔相关联的程控阀可以单独操作的，即开或关。如果出现了切塔误操作，并且还没有切出（入）时，点击“允许切换”为“禁止切换”时，实现一键式取消切塔操作。

2.3 切塔顺控程序说明

1）塔的切入

定义X01,X02,X03,X04,X05,X06代表CUTA,CUT B,CUTC,CUTD,CUTE,CUTF，代表6个吸附塔。调用主功能块，如果操作员发出切入指令，进入程序判定，压力和其他条件满足进行切塔，操作员需要点击确认后程序有效，程序执行结束，如下指令：

INTEGER FUNCTION CUTIN(X01,X02,X03,X04,X05,X06) 定义6个吸附塔的切入功能块

BLOCK _SFCSW MAIN0 定义MAIN0功能按钮

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

BLOCK %SW CUT_EN,MAN,CUT_ACK 定义选择块切入，手动，确认功能

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

定义X01,X02,X03,X04,X05,X06代表CUTA,CUT B,CUTC,CUTD,CUTE,CUTF，同样调用主功能块，如果操作员发出切出指令，先判定吸附塔是否达到压力数值，已到达正常压力后，可进行下一步程序判定。压力和其他条件满足后进行切塔，操作员点击“确认”后程序有效，程序执行结束，如下指令：

INTEGER FUNCTION CUTOUT(X01,X02,X03,X04,X05,X06,X07,X08) 定义切出动作的整数类型

BLOCK _SFCSW MAIN0,MAIN01 定义MAIN0和MAIN1功能块

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

BLOCK %SW CUT_EN,MAN,CUT_ACK 定义选择块切入，手动，确认功能

IF (MAIN0.WANT_CUT<=0) THEN 以下是塔切出程序判定程序（此处以单塔切出为例）：

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 结语

利用DCS功能块的顺控功能优化PSA单元程控程序，实现了PSA单元切塔的无扰动操作，避免了由于工艺设备原因或仪表程控阀门故障造成整个PSA单元不必要停工，保证后续装置安全平稳运行，为此装置长周期生产保驾护航，提高企业的经济效益。