37 盛新等：Shell煤气化装置模拟计算和操作优化软件开发与应用.doc

应用技术Shell煤气化装置模拟计算和操作优化软件开发与应用盛 新1，韩启元1，汪永庆1，陶运良1，程更新1，卞修荣1，代正华 2，许建良2，李伟锋2，陆海峰2，赵锦超2，刘海峰2，龚 欣2（1中国石油化工股份有限公司安庆分公司，安徽 安庆 246000；2华东理工大学煤气化教育部重点实验室，上海 200237）摘 要：Shell煤气化装置模拟计算及操作优化软件具有5个方面功能，即建立煤质数据库与获取煤质数据、气化炉模拟计算、气化炉优化计算、气化装置模拟计算、开车表计算。本研究中，气化炉采用化学能量平衡模型，水冷壁的传热量计算采用经验模型进行模拟。结果表明，软件模拟结果与中石化安庆分公司Shell煤气化装置运行数据吻合较好，模拟结果可靠，能用于Shell煤气化装置在线和离线模拟和优化计算、开车表计算等，对于Shell煤气化装置实现安全、稳定、长周期、优化运行具有科学指导作用。关键词：Shell煤气化；模拟；优化；软件开发 中图分类号：TQ 54 文献标识码：A 文章编号：10006613（2009）11000000Development and application of simulation and optimization software for Shell coal gasification plantSHENG Xin1，HAN Qiyuan1，WANG Yongqing1，TAO Yunliang1，CHENG Gengxin1，BIAN Xiurong1，DAI Zhenghua2，XU Jianliang2，LI Weifeng2，LU Haifeng2，ZHAO Jinchao2，LIU Haifeng2，GONG Xin2（1SINOPEC Anqing Company，Anqing 246000，Anhui，China；2 Key Laboratory of Coal Gasification of Ministry of Education，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）Abstract：The simulation and optimization software for Shell coal gasification plant (SCGP) has five main functions，i.e. the coal database building up，the gasification simulation，the gasifier optimization，the gasification plant simulation and the startup table calculation. The gasifier is simulated by chemical and energy equilibrium model，and the heat transfer of screen water is simulated by empirical model. Results of the software simulation have a good agreement with the real-time operating data from SCGP at SINOPEC Anqing Company，which indicates the software is reliable. The software can be used to the online and offline simulation，optimization，calculation of startup table，etc.，which provides a guide to SCGP in achieving safe，stable，long-cycle and optimal operation.Key words：Shell coal gasification；simulation；optimization；software development收稿日期：20090304；修改稿日期：20090521。基金项目：中石化科技项目“Shell煤气化装置的模拟计算及操作优化软件开发”（项目编号：407077）第一作者简介：盛新（1958），男，高级工程师。电话 05565374086；Email 。联系人：代正华，副教授。电话 02164250784；Email 。近年来国内相继引进了20余套Shell煤气化装置，其中中国石油化工股份有限公司（以下简称中国石化）在化肥原料“油改煤”项目中率先引进了3套。由于国内Shell煤气化装置的运行经验还在逐渐积累之中，缺乏相应的理论指导，致使多次发生气化炉水冷壁销钉烧蚀、气化炉堵渣等事故发生，影响了生产装置正常运行。为此，中国石化立项开展“Shell煤气化装置的模拟计算及操作优化软件开发”，旨在研究开发出对工业装置的开车和优化运行具有科学指导的模拟计算软件。1 Shell煤气化装置工艺流程和结构单元图Shell 煤气化装置工艺流程简图如图1所示。煤、氧气和水蒸气一起由喷嘴进入气化炉，在气化炉内发生一系列复杂的煤气化反应。从气化炉顶部出来的高温粗合成气首先与激冷气混合冷却至900 以下，然后进入废热锅炉进行冷却回收热量，保证在废锅出口处合成气温度在340 以下。出废热锅炉粗合成气进入陶瓷过滤器，大部分飞灰被过滤除去，出陶瓷过滤器的粗合成气经文丘里洗涤器后进入水洗塔进一步洗涤，出水洗塔粗合成气进入下游变换工序。气化炉采用水冷壁耐火衬里形式，废热锅炉采用水冷壁回收热量。激冷气由出陶瓷过滤器和水洗塔的粗合成气混合，经压缩机加压后进入激冷气分布环。在激冷气分布环、废热锅炉和飞灰过滤器设有反吹气体，以阻止飞灰沉积。锅炉水废锅反吹激冷反吹过滤反吹粉煤+载气氧气+蒸汽气化炉废锅激冷气压机陶瓷过滤器水洗塔粗煤气过热蒸汽汽包激冷气图1 Shell煤气化装置工艺流程简图图2 气化炉+废锅水汽系统流程图图2为气化炉+废锅水汽系统流程图。E1320为气化炉水冷壁换热器。气化炉出口合成气依次经过换热器E1301、E1302、E1303A、E1306、E1303B、E1303C、E1303D，逐级冷却后进入陶瓷过滤器。中压锅炉水进入汽包后产生饱和水，在水泵作用下分别进入换热器E1320、E1301、E1302、E1303A、E1303B、E1303C、E1303D，汽水两侧进行热量交换，产生中压饱和蒸汽并返回汽包。汽包内汽水混合物分离为蒸汽和水，所产中压蒸汽进入E1306进一步加热，可得到过热蒸汽。在换热器E1303A、E1306、E1303B、E1303C、E1303D出口分别设有温度计13TI0019、13TI0045、13TI0016、13TI0017、13TI0018检测粗煤气温度。系统的数学模型是模拟软件的基础，由单元过程的数学模型和系统结构的数学模型构成1。结构单元图是描述过程系统结构模型的常用方法。图3为Shell煤气化装置结构单元图，为了表示清楚，把气化炉+废锅水汽系统相应物流简化为能流2。气化炉模块采用化学能量平衡模型34，水冷壁的传热量计算模块采用经验模型。图3 Shell煤气化装置结构单元图结构单元：1气化炉；2废锅激冷段；3废热锅炉；4陶瓷过滤器；5水洗塔；6激冷气压缩机；7反吹煤气洗涤塔物流：S1入气化炉粉煤及输送气；S2入气化炉氧气；S3入气化炉蒸汽；S4激冷段反吹气；S5废锅反吹气；S6过滤反吹气；S15出水洗塔粗煤气；S16出反吹煤气洗涤塔粗煤气能流：Q1气化炉水冷壁传热量；Q2废热锅炉水冷壁传热量。2 软件需求分析2.1 软件功能描述Shell煤气化装置模拟计算及操作优化软件具有5个方面功能。（1）建立煤质数据库和获取煤质数据 为本软件计算建立煤质数据库，数据来源可以是原煤和粉煤两种，煤质数据可从Excel文件直接读入数据库，也可手动将分析数据输入数据库。为软件的模拟计算功能设置统一的煤质数据获取界面，并考虑实际用煤可能是单一煤种或多种组合形式，煤质数据可能是原煤或者粉煤等情况。（2）气化炉模拟计算 在给定气化炉煤质数据、入气化炉各流股参数的情况下，计算出气化炉出口粗合成气的温度、流量、组成等参数。输入参数可手动输入，也可直接读入当前时刻的在线数据。（3）气化炉优化计算 在给定煤质数据的情况下，通过优化计算，给出最优操作条件以及对应的主要气化工艺指标。气化炉优化计算的输入参数可手动输入，也可读入当前时刻的在线数据。（4）气化装置模拟计算 气化装置模拟计算以图3所示的Shell煤气化装置的结构单元图为基础，采用序贯模块法计算1。根据采集的实时生产数据和煤质数据，实现气化装置的在线计算；可对采集的实时数据进行修改，实现气化装置的离线计算。模拟结果为Shell煤气化装置物流工艺参数、主要气化工艺指标、物料平衡表和运行历史记录等。（5）开车表计算 在给定煤质数据和气化炉操作温度的情况下，用表格形式列出不同负荷（氧气流量）下，对应的入气化炉煤流量、气化炉副产蒸汽量、气化炉出口气体组成等参数。2.2 数据流图数据流图5是软件逻辑模型的一种图形表示。图4为Shell煤气化装置模拟和优化软件的数据流图。图4 软件数据流图3 软件结构图根据软件功能描述，软件总体结构图如图5。图5 软件总体结构图（1）建立煤质数据库和获取煤质数据见图6。图6 “建立煤质数据库与获取煤质数据”结构图（2）气化炉模拟计算见图7。图7 “气化炉模拟计算”结构图（3）气化炉优化计算见图8。图8 “优化计算”结构图（4）气化装置在线和离线模拟见图9。 图9 “气化装置在线和离线模拟”结构图（5）开车表计算见图10。图10 “开车表”结构图4 软件中主要模块软件中的主要模块即图5图10中各方框所示。图9中“在线和离线模拟”模块的主要功能是对整个Shell煤气化装置进行模拟计算，此模块包括图3所示的各结构单元模块。下面介绍其中的4个主要模块。4.1 气化炉模拟模块根据Shell煤气化装置模拟软件的需要，需建立适应于软件需要的气化炉气化室数学模型。本软件采用化学平衡原理，选择基于组分物料平衡和热平衡方程建立气化炉气化室的数学模型，预测一定气化炉气化条件下出气化炉的各组分含量和组成以及气化温度、碳转化率，并据此推算对应气化炉气化条件下的气化工艺指标。气化炉数学模型采用拟牛顿法求解。（1）元素和化学平衡方程组 根据气化炉的进口工艺条件和出气化炉气化室气体组成，可建立C、H、O、N、S、Cl的元素平衡方程组和3个化学平衡方程组3，计算出气化炉各组分的流量。 （1） （2） （3）（2）能量平衡方程 在建立能量平衡的时候，气化炉进口的焓值主要是煤的热值，并有少量水蒸气、氧气和N2的显热。气化炉出口的一部分热量被排渣带走，极少量的散热损失，可有效利用的能量是煤气的热值、煤气的显热和气化炉水冷壁副产的蒸汽。列出气化炉的能量平衡方程为：煤的热值+入炉水蒸气焓+氧气焓+氮气焓=煤气的热值+煤气的显热+副产蒸汽焓+未反应碳损失+熔融排渣热损失对气化炉水冷壁副产蒸汽焓，可手动输入、用经验公式估算或者直接读入在线数据。4.2 气化炉优化模块气化炉操作参数优化功能是在指定条件下得到最大有效气产率以及相应氧煤比和蒸汽煤比条件。根据不同的优化方式，给出最优的操作参数。气化炉的优化数学模型，均为有约束最优化问题，采用逐次二次规划（SQP）方法求解。（1）优化数学模型1目标函数：max(CO+H2)产率=f(氧煤比，蒸汽/氧气比) 限定条件：气化炉数学模型气化温度 = 给定值（2）优化数学模型2目标函数：max(CO+H2)产率=f(氧煤比，蒸汽/氧气比)限定条件：气化炉数学模型气化温度 = 给定值 气化炉出口CO2含量 = 给定值（3）优化数学模型3目标函数：max(CO+H2)产率=f(氧煤比) 限定条件：气化炉数学模型气化温度 = 给定值4.3 废锅计算模块废锅计算模块需要根据不同的激冷气量、废锅出口合成气温度、过热蒸汽产量和温度的变化规律，给出激冷气量与废锅出口合成气温度、过热蒸汽产量和温度的对应关系。由于废锅内部热量传递规律复杂，很难从机理上建模，故以废锅实时运行数据为基准建立经验模型。为方便计算，根据已知的合成气侧温度条件对废锅中的7个换热器进行分组。如图11，E1301E1303A，E1306，E1303B，E1303C，E1303D共分为5组，分组后每组换热器进、出口合成气温度为已知参数。由出气化炉气化室粗煤气、激冷气的温度和流量拟合得到的各分组换热器出口温度关系式见式（4）（8）。图11 Shell气化装置废锅换热流程框图T1303A=(0.0684Tg+4.2723T激冷气)q粗煤气/(2.4978q激冷气)+371.9 （4）T1306=(0.05982Tg+4.023T激冷气)q粗煤气/(2.5019q激冷气)+320.3 （5）T1303B=(0.05947Tg+2.974T激冷气)q粗煤气/(1.7205q激冷气)+160.6 （6）T1303C=409(0.056Tg+2.35T激冷气)q粗煤气/(5.3996q激冷气) （7）T1303D=456(0.06841Tg+2.023T激冷气)q粗煤气/(3.0483q激冷气) （8）4.4 开车表计算模块开车表计算模块主要功能是模拟开车阶段气化炉的运行参数，只需对气化炉模拟计算模块中的能量平衡方程进行修改。由于Shell气化炉的开车阶段属非稳态操作运行状况，影响因素十分复杂。基于此，以实时运行数据建立开车阶段气化炉产水蒸气流量与操作负荷、氧煤比等参数的经验模型，用分段函数表示如下。q氧气36250 kg/hq蒸汽=(Tg273.15)0.0003+0.4833(0.44q氧气+809) （9）q氧气36250 kg/hq蒸汽=(Tg273.15)0.0003+0.483315138 （10）5 软件模拟结果与装置运行数据比较结合Shell煤气化装置的运行数据，对软件的5项功能进行了全面测试。图12和图13给出了气化装置实时运行数据和软件模拟结果的比较，比较项目包括废锅温度和水洗塔出口合成气组成。图14给出了模拟开车表与开车阶段实时数据的氧煤比比较。总体而言，模拟结果和运行数据吻合较好，验证了模拟软件的可靠性。（a）13TI0019-E1301A出口合成气温度（b）13TI0045E1306出口合成气温度（c）13TI0016-E1301B出口合成气温度（d）13TI0017-E1301C出口合成气温度（e）13TI0018E1303D出口工艺气温度（f）过热蒸汽流量（g）过热蒸汽温度图12 在线模拟结果和实时数据废锅温度、过热蒸汽产量和温度比较（a）H2（b）CO（c）CO2（d）CH4（e）H2S（f）COS图13 在线模拟结果和实时数据水洗塔出口合成气组成比较图14 模拟开车表与开车阶段实时数据的氧煤比比较6 结 论（1）Shell煤气化装置模拟计算及操作优化软件具有5个方面功能，即建立煤质数据库与获取煤质数据、气化炉模拟计算、气化炉优化计算、气化装置模拟计算、开车表计算。（2）软件模拟结果与装置运行数据吻合较好，软件模拟结果可靠，能用于Shell 煤气化装置在线和离线模拟和优化计算、开车表计算等，有助于指导生产装置实现安全、稳定、长周期、优化运行。（3）软件对气化炉+废锅水汽系统的热量传递采用经验模型，还有待进一步深入研究。符 号 说 明YH2出气化炉气化室粗煤气