制氢装置PSA系统工艺管理和操作规范.doc

制氢装置PSA系统工艺管理和操作规范1.1 PSA系统的任务及主要工艺指标1.1.1 PSA系统的任务PSA系统的任务是将低变气中的杂质CO2、CO、CH4等被吸附剂吸附下来而氢气未被吸附，得到氢纯度为99.99%的工业氢，供渣油加氢脱硫装置使用，多余氢气并入低压氢气管网。1.1.2 PSA系统主要工艺指标入口温度 3040入口压力 MPa（abs） 2.400.2出口压力 MPa（abs） 2.400.21.2装置概况装置规模如下： 装置公称处理低变气能力：93036 m3/h 装置公称产氢能力： 60000 m3/h 装置设计操作弹性： 30105PSA装置组成： 10台吸附塔和2台解吸气缓冲罐序号名 称位 号规格及型号操作条件填料种类操作介质数量(台)1吸附塔A1001AJ3600X12587温度：3040压力:0.032.45MPa活性氧化铝活性炭分子筛 变换气 102解吸气缓冲罐V2014A、B4200X32714温度：40压力：0.03MPa 解吸气2PSA装置是为在特定压力下从特定的组分中提取氢气而设计的。一般装置的设计允许原料气组分和压力在很宽的范围内变化，但在不同的原料气条件下吸附参数应作相应的调整以保证产品的质量。调节均可由计算机自动完成。当原料气条件变化时，物料平衡也将发生相应的变化。设计的原料气为：低变气。设计主要产品为：氢气，用作加氢装置原料；副产品为解吸气，用作燃气。在实际生产中，产品氢的纯度可通过改变PSA装置的操作条件进行调节，而解吸气的组成也会随原料气和产品气的不同而略有不同。1.3 吸附塔的工作过程(1)吸附过程 原料气经程控阀KV7701AJ，自塔底进入PSA吸附塔A200lAJ中正处于吸附状态的两台吸附塔，其中除H2以外的杂质组份被装填的多种吸附剂依次吸附，得到纯度大于99.99的产品氢气从塔顶排出，经程控阀KV7702AJ和吸附压力调节阀PV7702后送出界区。(2)均压降压过程 这是在吸附过程完成后，顺着吸附方向将塔内较高压力气体依次放入其它已完成再生的较低压力塔的过程，这一过程不仅是降压过程，而且也回收了吸附床层死空间内的氢气，该PSA装置主流程共包括四次连续均压降压过程，分别称为：一均降(ElD)、二均降(E2D)、三均降(E3D)和四均降(E4D)。一均降通过程控阀KV7706AJ和6#环管进行，二均降通过程控阀KV7704AJ和4#环管进行，三均降、四均降通过程控阀KV7703AJ和3#环管进行。(3)顺放过程 这是吸附塔在均压结束后，顺着吸附方向减压，减压出来的氢气用作其它吸附塔的冲洗再生气源。本流程包括三次顺放过程，分别用于对三个吸附塔进行冲洗，依次称为：顺放一(PP1)、顺放二(PP2)和顺放三(PP3)。顺放一通过程控阀KV7704AJ和4#环管3进行，顺放二和顺放三通过程控阀KV7705AJ和5#管进行。(4)逆放过程 这是吸附塔在完成均压降压过程后，逆着吸附方向将塔内压力降至0.03MPa的过程，此时被吸附的杂质开始从吸附剂中解吸出来。逆放解吸气经程控阀门KV7707AJ排除，再经脱附气管线及调节阀PV7704和PV7705放入缓冲罐V2014A、B。(5)冲洗过程 在这一过程中，逆着吸附方向用其它吸附塔顺放出的氢气冲洗床层，使吸附剂中的杂质得以完全解吸。本流程共包括三次冲洗过程，依次称为：冲洗三(P3)、冲洗二(P2)和冲洗一(P1)。冲洗一通过程控阀KV7704AJ和4#环管进行，冲洗二和冲洗三通过程控阀KV7705AJ和5#环管进行，冲洗出的解吸气经脱附气管线及调节阀PV7704和PV7704放入缓冲罐V2014A、B。(6)均压升压过程 该过程与均压降压过程相对应。在这一过程中，分别利用其他吸附塔的均压降压气体依次从吸附塔顶部对吸附塔进行升压。该PSA装置主流程共包括四次连续均压升压过程，依次称为：四均升(E4R)、三均升(E3R)、二均升(E2R)和一均升(E1R)。一均升通过程控阀KV7706AJ和6#环管进行，二均升通过程控阀KV7704AJ和4#环管进行，三均升、四均升通过程控阀KV7703A-J和3#环管进行。(7)产品气升压过程 经过四次均压升压过程后，吸附塔压力已升至接近于吸附压力。这时，用产品氢气经程控阀KV7708或KV7709、和程控阀KV7706AJ自塔顶将吸附塔压力升至吸附压力。经过产品气升压过程后，吸附塔便完成了整个再生过程，为下一次吸附做好了准备。 1.4工艺步序说明 装置共有十台吸附塔组成，其中两台始终处于吸附状态，其余八台处于再生的不同阶段。十台吸附塔的整个吸附与再生工艺切换过程均是通过程控阀门按一定的工艺步序和顺序进行开关来实现的。 对程控阀编号：PSA氢提纯部分的工艺步序和阀门开关状态表：1024流程(主流程)步序1234567891011121314151617181920A2001AAAAAE1DE2DE3DE4DPP1PP2PP3DP3P2P1E4RE3RE2RE1RFRA2001FE1RFRAAAAE1DE2DE3DE4DPP1PP2PP3DP3P2P1E4RE3RE2RA2001BE3RE2RE1RFRAAAAE1DE2DE3DE4DPP1PP2PP3DP3P2P1E4RA2001GP1E4RE3RE2RE1RFRAAAAE1DE2D E3DE4DPP1PP2PP3DP3P2A2001CP3P2P1E4RE3RE2RE1RFRAAAAE1DE2DE3DE4DPP1PP2PP3DA2001HPP3DP3P2P1E4RE3RE2RE1RFRAAAAE1DE2DE3DE4DPP1PP2A2001DPP1PP2PP3DP3P2P1E4RE3RE2RE1RFRAAAAE1DE2DE3DE4DA2001IE3DE4DPP1PP2PP3DP3P2P1E4RE3RE2RE1RFRAAAAE1DE2DA2001EE1DE2DE3DE4DPP1PP2PP3DP3P2P1E4RE3RE2RE1RFRAAAAA2001JAAE1DE2DE3DE4DPP1PP2PP3DP3P2P1E4RE3RE2RE1RFRAA程控阀状态KV7701AONONONONKV7702AONONONONKV7703AONONONONKV7704AONONONONKV7705AONONONONKV7706AONONONKV7707AONONONONKV7701FONONONONKV7702FONONONONKV7703FONONONONKV7704FONONONONKV7705FONONONONKV7706FONONONKV7707FONONONONKV7701BONONONONKV7702BONONONONKV7703BONONONONKV7704BONONONONKV7705BONONONONKV7706BONONONKV7707BONONONONKV7701GONONONONKV7702GONONONONKV7703GONONONONKV7704GONONONONKV7705GONONONONKV7706GONONONKV7707GONONONONKV7701C0NONONONKV7702C0NONONONKV7703CONONONONKV7704CONONONONKV7705CONONONONKV7706CONONONKV7707CONONONONKV7701HONONONONKV7702HONONONONKV7703HONONONONKV7704HONONONONKV7705HONONONONKV7706HONONONKV7707HONONONONKV7701DONONONONKV7702DONONONONKV7703DONONONONKV7704DONONONONKV7705DONONONONKV7706DONONONKV7707DONONONONKV7701IONONONONKV7702IONONONONKV7703IONONONONKV7704IONONONONKV7705IONONONONKV7706IONONONKV7707IONONONONKV7701EONONONONKV7702EONONONONKV7703EONONONONKV7704EONONONONKV7705EONONONONKV7706EONONONKV7707EONONONONKV7701JONONONONKV7702JONONONONKV7703JONONONONKV7704JONONONONKV7705JONONONONKV7706JONONONKV7707JONONONONKV7708ONONONONONKV7709ONONONONONKV7710产品不合格ON1.5控制功能说明 依据PSA氢提纯装置的控制要求，该PSA装置的基本控制与管理功能包括：程控阀开关控制、模拟量检测与调节、质量联锁、故障报警与记录、历史数据记录、流程累计等功能。分别介绍如下： 1.5.1程控阀开关控制功能 该PSA装置的吸附与分离过程都是依赖于程控阀门的开关来实现切换的，因而程控阀门的开关控制是该PSA装置最重要的控制部分。 该PSA装置的程控阀开关控制过程示意图如下(供参考)：（1）程控阀开关控制过程说明： DCS系统根据工艺要求(见工艺阀状态表)制订出程序，然后按一定的时间顺序将DC24V开关信号送至液压系统的电磁换向阀，电磁换向阀将该开关电信号转换成驱动液压油的高、低压信号，送至程控阀的驱动油缸，驱动程控阀门按程序开、关。 同时，程控阀门将其开、关状态通过传感器反馈给DCS系统，用于状态显示和监控，并通过与输出信号的对比实现阀门故障的判断与报警。 液压系统的作用是为程控阀门提供开、关的动力和控制手段，同时其自身运行的参数如：压力、液位、运行状态等也反馈回DCS系统，由DCS系统进行显示、监控、报警和联锁控制。 为保证吸附压力的平稳变化和吸附剂的使用寿命，PSA工艺还要求均压和逆放等阀门应具有缓开功能。为此，该PSA装置程控阀具备有开启速度调节装置，使程控阀的开启速度在360S内可调。（2）液压系统说明： 该PSA装置的液压系统主要由集成液压泵站、蓄能器站和电磁换向阀构成。集成液压泵站为双系统，一开一备，两套系统完全独立，可独立检修。其控制点包括： 液位控制：在泵站上装有一台带报警、联锁点的现场磁浮子液位计和一台液位变送器，用于监控泵站的油箱液位。当油箱液位低于报警值时，DCS将报警提醒值班人员加油并检查油压系统有无泄露点：当油箱液位低于联锁值时，为保证系统的安全性，DCS系统将联锁停氢提纯装置并报警。 油温控制：泵站上装有一台温度计，操作人员应尽量控制液压油温度不过50时。压力控制：液压系统设计有现场压力表和智能压力变送器各一台，可将液压系统工作压力传送至DCS控制系统，当系统压力低于设定值1.0MPa时，DCS系统将启动备用泵并报警，油压正常后停下原运行泵。1.5.2模拟量检测与调节功能 该PSA装置模拟量调节均由DCS完成。各检测及调节信号的功能与控制方式简述如下： (1) 原料气温度指示记录报警 安装于进口原料气总管上，用于指示记录原料气温度，当温度高于设定值(如45)时报警，提醒操作人员原料气温度高将影响吸附效果。 (2) 吸附塔压力指示调节记录由安装于吸附塔出口总管上的压力变送器和旋塞调节阀构成，用于指示调节记录吸附塔在各阶段的压力。 (3) 吸附压力指示调节该调节回路由安装于PSA产品出口总管上的压力变送器和调节阀构成，用于稳定吸附压力。该调节回路的设定值一般定为比原料气低0.1MPa左右。 (4) 产品气放空调节 该调节回路由安装于PSA产品出口总管上的压力变送器和产品气放空管线上的调节阀构成，用于在产品气不合格或加氢工段故障时将产品气放入燃料气管网。该调节回路的设定值一般定为比原料气低0.1MPa左右。 (5) 解吸气出口压力调节 该调节回路由安装于解吸气缓冲罐出口总管上的压力变送器和解吸气放空管线上的调节阀构成，用于解吸气出口压力调节，避免解吸气系统超压影响PSA解吸效果。该调节回路的设定值一般不大于0.05MPa。 (6) 产品气流量指示记录积算 产品氢流量计安装于产品气总管上，用于指示和记录装置的产品氢流量。并在DCS中积算其累积值。 (7) 逆放减压调节 安装于解吸气总管上，用于调节吸附塔逆放的减压速度，其控制方法为：通过在DCS上设定调节阀的开启曲线，将吸附塔的逆放减压过程控制在一定的时间(如30秒)内恰好缓慢完成。应注意：减压速度严禁过快，否则将影响解吸气的稳定。 (8) 产品氢气CO+CO2含量在线分析记录报警 该PSA装置CO+CO2含量在线分析仪的取样点，原设计经多路选通器后分别安装于每台吸附塔的顶部，并插入吸附床层300800mm，用于在线指示正在吸附塔的前沿CO+CO2含量，为PSA操作参数的设定及吸附塔的切除提供依据。但是，由于杂质超标联锁取消，该系统已不投用。在实际生产中，引入产品氢气总管的样气进行分析，当CO+CO2含量150ppm时，DCS将报警提醒操作人员进行处理。 (9) 产品氢纯度在线分析指示记录报警安装于产品氢气总管上，用于在线指示记录产品氢的纯度，当产品氢纯度低于99.90时，DCS将报警提醒操作人员进行处理。1.5.3工艺参数的设定 PSA的工艺参数主要包括吸附时间、压力、温度和处理量。其设定的原则与方法如下： (1) 吸附时间参数的设定 吸附时间参数是PSA的最主要参数，其设定值将直接决定装置产品氢的纯度和氢气回收率。 因而，PSA部分的吸附时间参数应尽量准确，以保证产品纯度合格，且氢气回收率最高。 1024流程时的吸附时间参数设定表：时间序号含 义预设值设 定 原 则Tl一均、 三均、冲洗一、冲洗三时间200在保证两塔的压力能均至基本相等即可。T2二均、 四均、冲洗二、逆放、产品气升压时间300保证两塔的压力能均至相等，逆放能放至0.03MPa左右，产品气升压能升至吸附压力，在保证产品氢合格的情况下时间尽量长，以保证氢气及脱附气量的平稳。注：以上的预设值为满负荷预设值，且与最终开车后的整定值间可能有差异。在切塔后，时间参数仍是TI和T2，只是设定值不同而已。 PSA部分的单塔吸附时间=2(T1+T2) 由于吸附塔的大小和装填的吸附剂量是固定的，因而在原料气组成和吸附压力一定的情况下，吸附塔每一次所能吸附的杂质总量就是一定的。所以随着吸附过程的进行，杂质就会慢慢穿透吸附床层，起初是少量，渐渐就会超过允许值，这时就必须切换至其它塔吸附。因而，当原料气的流量发生变化时，杂质的穿透时间也就会随之变化，吸附时间参数就应随之进行调整。 流量越大则吸附时间就应越短，流量越小则吸附时间就应越长。这样才能保证在各种操作负荷下均能充分地利用吸附剂的吸附能力，在保证产品纯度的情况下获得最高的氢气回收率。 该PSA装置的吸附时间参数可在DCS上人工设定，亦可由DCS自动计算产生。 人工设定时，只需将DCS画面上PSA部分的“手动时间设定”按钮设为“ON”，然后分别修改“T1”、“T2的设定值即可。自动设定时，只需将DCS画面上PSA部分的“手动时间设定”按钮设为“OFF”即可。这时DCS系统将自动依据设定的原料气流量计算出吸附时间。实际吸附时间=(满负荷流量实际负荷流量)满负荷时间操作系数1.5.4 操作系数对PSA装置运行的影响： 增大操作系数吸附时间延长产品纯度下降氢气回收率提高；减小操作系数吸附时间缩短产品纯度上升氢气回收率降低。1.5.5操作系数的设定： 由于操作系数的大小决定着吸附时间的长短，因而对该PSA装置的运行状况起着至关重要的影响，所以调整时应特别精心，其调整步骤如下： (1) 增加操作系数 (当产品氢纯度高于要求值时，增加操作系数) A、以5为单位增加操作系数 B、等三个完整的PSA循环周期，即：（T1T2）0.2103，时间单位：秒。 C、重复以上的步骤增加操作参数直到产品纯度下降至允许的最低值。 (2) 减小操作系数(当产品氢纯度低于要求值时，减小操作系数) A、以5为单位减小操作系数， B、等三个完整的PSA循环周期，即：（T1T2）0.2103，时间单位：秒 C、重复以上的步骤减小操作参数直到产品纯度上升至允许值以内 D、然后按增加操作系数的步骤调整，直到装置能在高收率下安全运行为止。1.5.6 压力参数的设定 由于PSA气体分离工艺的核心就是利用压力的变化来实现吸附剂对混合气体中的杂质组分的吸附与分离，因而压力也是PSA部分的关键参数。 (1) 原料气压力 原料气压力是由系统外条件决定的，无法改变。原料气压力越高吸附效果越好。 (2) PSA部分的吸附压力 PSA部分吸附压力的设定是通过改变吸附压力调节回路的设定值来实现的，其设定值由于不同的装置设定不同。 (3) 吸附各阶段的压力 吸附塔A200lAJ在吸附、再生各阶段的压力是通过其出口管道上的调节阀来调节的，当工艺流程和吸附压力一定时，各阶段的理想压力曲线也就自动确定了，该PSA装置吸附塔各段压力的调节方案就是以此理想压力曲线为设定值进行PID调节。 所有的调节均由计算机自动完成，无须操作人员操作。吸附塔理想压力曲线：A 10-2-4流程注：当吸附压力变化时，此压力曲线将相应变化B 924流程：TIMER 压力MPa2.351.891.430.970.510.28 A ED1 ED2 ED3 ED4 PP1 PP2 D P1-P3 ER4 ER3 ER2 ER1FR A0.03注：当吸附压力变化时，此压力曲线将相应变化 C 822流程：注：当吸附压力变化时，此压力曲此将相应变化 D 722流程： 注：当吸附压力变化时，此压力曲线将相应变化 E 622流程：注：当吸附压力变化时，此压力曲线将相应变化 F 512流程：注：当吸附压力变化时，此压力曲此将相应变化G 411流程：压力 MPa 2.35 1.280.6 A ED1 PP1 D P1 ER1 FR A 0.03TIMER注：当吸附压力变化时，此压力曲线将相应变化吸附塔的实际压力变化曲线应与以上的理想曲线相近似，但不完全相同。如果吸附塔的实际压力变化曲线与以上的理想曲线形状不同，则说明装置运行有问题，可能的问题有：程控阀门动作出错、程控阀门泄露、吸附时间不在正常范围内、调节阀有故障。 (4) 产品气出口压力 产品气出口压力的设定是通过改变氢气出口压力调节回路PC7702的设定值来实现的，不同的PSA装置根据实际情况确定该值大小。 (5) 脱附气出口压力解吸气出口压力的设定是通过改变解吸气出口压力调节回路PC7707的设定值来保证的。3.1.5.7流量的设定该PSA装置要求将制氢的变换气全部提纯，因而该PSA装置内未设原料气流量调节回路。该PSA装置处理量的改变是通过改变前工段的设定值来实现的。其设定值范围一般为30000100000m3/h。1.6自控部分操作说明1.6.1键盘操作PSA操作站为ICS59，流程图页为：GR0309，主流程图；GR0310，脱附气缓冲罐流程。流程图提供所有工艺测量值，阀位显示，并带有触屏调用功能。(1)屏幕显示 程按阀：显示程控阀阀位反馈检测信号；“红”关闭，“绿”打开。 检测数据：显示测量值，超“高限”或“低限”显示变“黄”色，超“高高限”或“低低限”显示“红”色并闪动。 调节阀开度：以百分数显示。油泵显示：温度、压力、液位，超“高限”或“低限”，显示变“红”色，超“高高限”或“低低限”显示“红”色并闪动。(2)软键操作流程图软键行的软键，提供PSA有关操作设置。流程图总貌：点动该软键，调出制氢流程图总貌；低变气流程图：点动该软键，调出低变工艺流程图；PSA流程图（二）：点动该软键，调出脱附器流程图；PSA控制组：点动该软键，调出PIC7701APIC7701J，PC7701APC7701J，及其它相关控制组，完成PIC7701APIC7701J及其它回路的参数设定，并通过PC7701APC7701J进行手动/自动方式切换；通过对M7701AM7701J的设置，可以改变调节阀PV7701APV7701J各种步序的初始开度，使其调节更稳定；通过对PSET1PSET4的设置，可调整吸附过程压力点，调整流量负荷时间参数和质量联锁时间参数。目前各种参数已经整定完毕，修改参数要谨慎。切塔控制组：点动该软键，调出切塔控制组页，该控制组进行吸附塔切除与恢复操作。参数设置组：点动该软键，调出参数设置组页，在本页设置时间参数，TE1，TE2，选定MSTE（流量负荷时间设定），MASA（质量吸附时间联锁），TEST（油泵站测试/运行）状态，确定运行方式。液压系统组：点动该软键，调出液压系统组页。在本页中，进行液压油站的启停，自动/手动模式，倒泵周期，PI7710、LI7701报警限设定。PSA趋势组：点动该软键，调出PSA趋势页。在趋势组中，记录PSA系统各种参数，供调用分析。1.6.2 PSA控制组操作点动PSA控制组，即可调出PSA系统控制组。本控制组包括：PIC7701APIC7701J；PC7701APC7701J；PIC7702，PIC7703，PIC7707； PIC7706，PC7703，PC7704,PC7705；M7701AM7701J；M7704，M7705。1.6.2.1操作方式：以PIC7701A为例说明。（1）PIC7701AA、功能：对吸附塔A的E1D，E2D，PP1，PP2，PP3 等5个步序的压力进行调节，保证步序进行时，吸附塔气体均匀放出或冲入，保证E1D，E2D进行时，两塔压力均平。B、工作方式：自适应随动调节：在PC7701投入“自动”的情况下，PIC7701A将自动根据工艺状态、参数自动生成控制曲线，进行PID随动调节。当PIC7701A的输入检测出现故障：输入断路，高高或低低报警时，该回路将自动以三种开度给出手操值，即：E1D，Fr时的手操开度，E2D，PP1时的手操开度，PP2，PP3时的手操开度，这三种开度在M7701A中设定。C、工作模式：处于内部强制设定，不能由操作人员设定。D、参数设定：这种回路的SV为内部自适应设定，操作人员只能修改PID参数，报警限等。（2）PC7701A自动/手动操作器 PI