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PSA制氢过程循环周期控制器的研究和应用【摘要：通过研究PSA制氢工艺过程的特性，设计变压吸附顺序控制过程循环周期自动控制器，并以Honeywell TDC3000 DCS为平台具体实施。
其中应用了专用控制算法和软测量技术。
实践证明，系统运行稳定，控制效果良好。
】关键词：PSA制氢，DCS ，CL语言，自动控制，吸附时间1、引言PSA（Pressure Swing Absorption），即变压吸附，是一种新兴的气体分离工艺，因具有能耗低，产品纯度高的特点，目前已成为炼厂提取氢气的主要手段。
PSA制氢过程的基本原理是：含一定比例氢气的瓦斯(包括杂质CH4，C2H6，C3H8，CO2) 作为原料，依次通过一组填满选择性吸附剂的吸附床，杂质气体首先被吸附剂吸附，未吸附的氢气作为产品脱离床体。
被污染的吸附剂再经一系列的降压和冲洗过程，脱掉杂质获得再生以重新使用。
这样，每个吸附床就交错处于的吸附、再生周期循环过程之中，来维持一个连续的产品氢气流。
对于一个吸附床而言，一个完整的吸附循环周期（下称“分周期”）包括吸附、均压降、顺向放压、逆向放压、反冲洗、均压升、终充七个步位，经历的时间分别记为T1~T7，时间长短取决于工艺流程和吸附床的设计参数以及当前的工艺状态（进料量，成分等）。
生产中，根据以上参数的变化，人工调整各步时间T1~T7，使装置运行于最优状态。
以沧炼催化干气PSA制氢装置为例，由于原料气来自上游管网，流量波动频繁且波幅较大（在35%—100%之间），组分中氢含量也不稳定（在28%—52%之间），所以，操作人员不易做出及时而准确地调整，导致产品的产率和质量下降，因此，有必要设计一个自动控系统，根据工况变化及时而准确地调整分周期，以提高控制质量。
下面介绍此系统的设计原理和实现方法。
2、分周期的控制依据通过简要分析单个吸附床在一个分周期内所经历的工艺过程，即七个步位（如图1所示），以确定每个步位适当的持续时间。
变压吸附提氢装置操作手册（成都华西工业气体有限公司编制）目录序言 (3)第一章概述 (4)第一节前言 (4)第二节装置概貌 (6)2.1装置规模 (6)2.2装置组成 (6)2.3工艺流程 (6)2.4 非标设备设备一览表 (6)第三节设计基础 (7)3.1 原料气规格 (7)3.2 产品规格 (7)第二章工艺过程说明 (8)第一节吸附工艺原理 (8)1.1基本原理 (8)1.2吸附剂及吸附力 (9)1.3吸附平衡 (12)1.4工业吸附分离流程及其相关参数 (13)1.5工业吸附分离流程的主要工序 (15)第二节工艺流程说明 (16)2.1流程简述 (16)2.2 工艺步序说明 (17)2.3 控制功能说明 (18)2.4工艺参数的设定 (19)2.5报警、联锁功能说明 (20)第三章装置的操作 (21)第一节装置的开车 (21)1.1首次开车准备 ............................................................................................ 错误!未定义书签。
1.2 首次开车 (21)1.3正常开车步骤 (22)1.4开车阶段的调整 (22)第二节装置的运行 (23)2.1产品纯度的调整 (23)2.2装置参数的调节 (23)2.3 吸附塔的切除 (24)2.4 操作注意事项 (25)第三节装置的停车 (26)3.1正常停车 (26)3.2 紧急停车 (26)3.3 临时停车 (26)第四章安全规程 (28)5.1概要 (28)5.2 超压保护 (28)5.3 安全阀 (29)5.4废气处理 (29)5.5火灾防护 (29)5.6进入容器前的安全准备工作 (31)5.7其它安全措施 (32)序言本操作手册是成都华西工业气体有限公司专为内蒙庆华集团内蒙煤化有限公司13000Nm3/h－H2装置编写的。
用于向自控人员提供编程组态的依据和向装置操作人员提供正确的操作步骤，以及预防和处理事故的方法。
程控阀在PSA工艺上的应用与改变压吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）这种新型的气体吸附分离技术目前已成为现代大型煤化工的一种生产工艺。
在工业变压吸附制氢工艺中，吸附剂在常温和较高压力下，将混合气体中易吸附的组分吸附，不易吸附的组分从床层的一端流出，然后降低吸附剂床层的压力，使被吸附的组分脱附出来，从床层的另一端排出，从而实现气体的分离与净化，同时也使吸附剂得到了再生。
这种复杂的工艺对自动化控制提出了很高的要求，程控阀门的应用显得尤为重要，特别是程控阀门的工作特性直接影响到产品的性能。
神华宁煤烯烃项目采用变压吸附六塔工艺制取高纯氢气是具有代表性的自动化工艺流程，由西门子PLC系统实现集中监测与程序控制，其中44台程控阀起到了核心作用。
1程控阀在PSA工艺中的应用1.1PSA工艺对程控阀的要求在PSA生产过程中要求周期性地切换开关阀门，动作频繁（每天上百次甚至上千次）且阀门数量多，切换时间也有严格要求，人工操作阀门是无法实现的，必须采用控制系统执行程序来调节程控阀实现工艺操作。
由于PSA装置工艺介质多为氢气等易燃、易爆气体，为保障装置安全长周期稳定可靠运行，就对程控阀门的性能提出了一些特殊的要求：密封性能要好，周期频繁开关阀门而保持阀门不外漏也不内漏，以保证装置安全和产品质量；阀门的开关速度要快，因阀门通径不同，开启和关闭的时间会不同，但其开关时间应小于3s，以保证顺控程序的执行和产品气的质量；要具备双向耐压性和抗髙速气流冲刷性能；根据工艺要求，程控阀门不但要实现开关功能还要有现场阀位指示，并对输人、输出信号不一致进行报警。
1.2程控阀在PSA装置中的作用宁煤烯烃项目PSA装置是一套自动化程度较高的装置，工艺操作全部按照程序顺序执行，工艺人员仅需按下PSA装置运行按钮，完全实现一键开车。
该装置共由6台吸附塔组成，其中一台始终处于吸附状态，其余5台处于再生的不同阶段。
吸附塔的整个吸附与再生过程都是通过44台程控阀门按一定的工艺步序和顺序进行开关来实现的。
制氢装置PSA系统工艺管理和操作规程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℃30～40入口压力MPa（abs） 2.40±0.2出口压力MPa（abs） 2.40±0.21.2 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：30~105％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KV7701A～J，自塔底进入PSA吸附塔A200lA～J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KV7702A～J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KV7706A～J和6#环管进行，二均降通过程控阀KV7704A～J和4#环管进行，三均降、四均降通过程控阀KV7703A～J和3#环管进行。
甲醇裂解制氢装置控制操作1.甲醇进料流量体控制方式如下：通过液位变送器LT2101监测原料缓冲罐V2101液位，通过液位调节阀LV2101控制酸性水进料，此时引起酸性水流量计FT2102变化，FT2102跟FT2101联锁来控制甲醇的流量，此时靠FT2101来控制调节阀FV2101。
以此来控制甲醇和酸性水的进料配比。
2.原料气进分解变换器的温度由TT2105和TV2105a跟TV2105b联合控制。
3.原料进料流量由流量计FT2103的流量变化与变频器的配合，组成PID控制计量泵的电机转速，以此来控制流量。
4.V2102的液位由LT2102和LV2102组成PID联合控制。
5.吸附压力指示记录调节：本调节回路由安装于PSA产品出口总管上的压力变送器PT2204和调节阀PV2204A组成正常生产调节回路。
同时设置超压放空调节阀PV2204B用于非正常生产和超压时的放空。
6.顺放罐压力指示调节:本调节回路包括两个工作段，第一个工作段为正在顺放（即PT2203压力上升段）的工作段，在此工作段内，阀门开度为操作工设定的最小开度。
第二个工作段对应于两次顺放段之间的时间段（即PT2203压力下降段），在此时间段内，采用自适应调节方式，控制回路采用PID控制随动控制，其给定值由程序内部给定；该给定值为变量，变量的起点为前一顺放段结束时的顺放罐压力，变量的终止点为0.05Mpa左右，在第二段内变量的变化应该是匀速的。
为达到这一目的，在“调节控制组”画面中设定有两个分阶段的降压目标值。
7.逆放气压力记录指示调节：本调节回路由安装于解吸气缓冲罐进口总管上的调节阀HV2202用于调节吸附塔的逆放速度，减小逆放罐的压力波动和降低逆放过程产生的噪音。
该调节回路的工作状态将影响装置解吸气的稳定和再生效果。
在“调节控制组”画面中确定下限开度和最终降压压力点的原则是：使吸附塔的逆放过程能实现匀速下降，且在逆放结束时，吸附塔的压力恰好降到缓冲罐压力。
大连石化2x100000Nm3/h PSA-H装置(我国最大的PSA装置)2重庆长风化工有限公司600Nm3/h PSA-CO装置(CO纯度大于99%)目 录第一章 前 言 (4)1.1 公司简介 (4)1.2 成都华西化工科技股份有限公司变压吸附技术的特点 (6)1.3 本公司的优势 (7)1.4 我公司的部分典型PSA装置业绩 (8)第二章 变压吸附的基本原理 (17)2.1 吸附的概念 (17)2.2 吸附剂 (17)2.3 吸附平衡： (19)第三章 工艺技术方案 (22)第一节 装置概况 (22)第二节 工艺技术方案 (24)2.1 工艺方案的选择 (24)2.2 工艺流程简述 (24)2.3 物料平衡 (27)2.4 公用工程消耗 (27)第三节 装置技术特点 (28)第四节 主要工艺设备 (30)第五节 吸附剂 (32)5.1 说明 (32)5.2 吸附剂一览表： (33)第六节 控制系统 (34)第七节 程控阀 (41)第八节 装置占地面积与平面布置 (43)第九节 定 员 (43)第十节 技术保证 (44)第四章 环境保护 (45)第五章 职业安全卫生 (46)第六章 设计采用的主要技术规范和标准 (49)第七章 技术资料及交付进度 (51)第八章 工程技术服务 (53)第九章 工程进度施实计划 (54)第十章 其 它 (56)第十一章 项目管理 (57)第一节 项目管理概述 (57)第二节 项目组织机构图 (58)第三节 项目管理与控制 (59)第四节 质量控制 (61)第五节 开车管理 (65)第十二章 投资估算 (67)附录：原则工艺流程图第一章前言1.1 公司简介成都华西化工科技股份有限公司是由成都华西化工研究所（成立于1987年）发起组建的股份制企业，注册资金2400万元，固定资产9000多万元，是科委审查认定的高新技术企业（全国统一编号07-00102）。
本公司是国家首批获得直接外贸权的科研单位之一。
一种微型多塔psa制氧机用旋转阀的制作方法微型多塔PSA制氧机在医疗、科研及工业领域具有广泛的应用。
旋转阀作为该设备的关键部件，其性能直接影响制氧效果。
本文将详细介绍一种微型多塔PSA制氧机用旋转阀的制作方法。
一、旋转阀的结构设计1.旋转阀主要由阀体、转子、轴承、密封圈等部分组成。
2.阀体采用铝合金材料，具有良好的导热性和轻量化特点。
3.转子采用不锈钢材质，表面进行抛光处理，以减小摩擦阻力。
4.轴承采用自润滑轴承，降低维护成本。
5.密封圈采用耐高温、耐氧化的材料，保证旋转阀的密封性能。
二、旋转阀的制作过程1.阀体加工：采用数控加工技术，确保阀体尺寸精度和表面质量。
2.转子加工：采用精密铸造技术，确保转子形状和尺寸的准确性。
3.装配：将转子、轴承、密封圈等部件组装到阀体中，确保各部件的配合精度。
4.试漏：对组装完成的旋转阀进行气密性测试，确保无泄漏现象。
5.调试：对旋转阀进行性能调试，保证其在规定的工作条件下具有良好的性能。
三、制作方法要点1.旋转阀的阀体和转子加工精度要求较高，需采用先进的加工设备和技术。
2.轴承和密封圈的选择至关重要，需根据实际工作条件选用适合的材料和型号。
3.装配过程中要保证各部件的清洁，避免杂质进入影响旋转阀性能。
4.试漏和调试过程要严格进行，确保旋转阀的质量和性能。
四、总结本文介绍了一种微型多塔PSA制氧机用旋转阀的制作方法，主要包括结构设计、制作过程和制作方法要点。
通过采用先进的加工技术、选用合适的材料和严格的质量控制，可以确保旋转阀在微型多塔PSA制氧机中发挥良好的性能。
高集成度PSA多通道旋转控制阀
研发生产方案
一、实施背景
随着工业自动化的快速发展，旋转控制阀作为过程控制中的重要元件，其性能和效率直接影响到工业生产过程。
然而，当前市场上的旋转控制阀普遍存在集成度低、通道数量不足、控制精度不高等问题，无法满足现代工业生产过程的严格要求。
因此，开发一种高集成度、多通道、旋转控制阀成为当前工业自动化领域的迫切需求。
二、工作原理
本方案所涉及的高集成度PSA多通道旋转控制阀，主要包括阀体、旋转阀芯、驱动装置、传感器和控制器。
其中，阀体用于安装旋转阀芯和驱动装置，传感器用于检测阀芯的位置和速度，控制器用于接收传感器的信号并控制驱动装置，进而驱动阀芯旋转。
具体工作原理如下：当系统接收到控制信号后，控制器根据预设的算法判断旋转阀芯的位置和速度，并输出相应的控制信号给驱动装置。
驱动装置根据控制信号产生相应的驱动力
矩，进而驱动旋转阀芯旋转。
同时，传感器实时检测阀芯的位置和速度，并将信号反馈给控制器。
控制器根据反馈的信号调整驱动力矩，以实现精确控制。
三、实施计划步骤
1.调研市场需求：了解当前市场对高集成度PSA多通道
旋转控制阀的需求，明确产品的定位和目标客户群体。
2.设计研发：根据市场需求和技术可行性，进行产品设计
和研发。
包括阀体结构、驱动装置、传感器和控制器等
关键部件的设计。
3.样品制作与测试：按照设计图纸制作样品，并进行各项
性能测试。
包括耐压、耐温、精度、可靠性等方面的测
试。
4.优化改进：根据测试结果对产品设计进行优化改进，以
提高产品的性能和稳定性。
5.批量生产：经过多次测试和优化后，进行批量生产，并
确保生产过程的稳定性和产品质量。
6.市场推广：通过各种渠道进行市场推广，包括参加展会、
发布产品手册、网络宣传等。
同时，积极与潜在客户沟
通交流，了解客户需求并提供解决方案。
7.售后服务：提供完善的售后服务，包括产品安装、调试、
维修等。
同时，关注客户的反馈意见，及时对产品进行
改进和升级。
四、适用范围
本方案所涉及的高集成度PSA多通道旋转控制阀适用于以下领域：
1.石油化工：用于控制化学反应过程中的温度、压力和流
量等参数。
2.电力能源：用于控制锅炉、汽轮机等大型设备的流体介
质流量和压力。
3.食品医药：用于控制原料配比、反应时间和温度等参数，
确保产品质量和安全。
4.其他需要精确控制流体介质的领域，如冶金、造纸等。
五、创新要点
1.高集成度设计：通过优化阀体结构和部件布局，实现高
集成度设计，有效减小产品的体积和重量。
2.多通道设计：采用多通道设计，可同时控制多种流体介
质，满足不同工业生产过程的需求。
3.精确控制：采用先进的传感器和控制器技术，实现精确
控制阀芯的位置和速度，提高控制精度和稳定性。
4.长寿命与可靠性：选用耐腐蚀、耐磨损的材料和表面处
理工艺，提高产品的寿命和可靠性。
5.智能化监控：具备智能化监控功能，可实时监测阀门的
运行状态和故障信息，便于及时发现并解决问题。
6.远程控制与调试：通过物联网技术实现远程控制与调试，
方便客户进行设备管理和维护。
7.节能环保：采用高效驱动装置和优化后的流体通道设计，
降低产品的能耗和排放量，符合节能环保要求。
8.定制化服务：可根据客户需求提供定制化的产品设计和
服务方案，满足客户的特殊需求。
六、预期效果
本方案所涉及的高集成度PSA多通道旋转控制阀预期将取得以下效果：
1.提高控制精度和稳定性：采用先进的传感器和控制器技
术，可实现精确控制阀芯的位置和速度，提高控制精度
和稳定性。
2.提高生产效率：通过实现精确控制和智能化监控等功能，
可有效提高生产效率。
3.降低运营成本：通过降低产品的能耗和排放量以及提供
定制化服务方案等措施，可帮助客户降低运营成本。
4.增强市场竞争力：通过技术创新和市场推广等措施，可
增强产品的市场竞争力。
5.促进工业自动化发展：本方案所涉及的高集成度PSA多
通道旋转控制阀是工业自动化领域的一项重要技术创
新成果将促进工业自动化技术的发展和应用推广进一
步推动我国制造业的转型升级和发展。
本
七、达到收益
本方案所涉及的高集成度PSA多通道旋转控制阀研发生产项目预计将带来以下收益：
1.销售收入：产品销售将带来直接的收入，随着市场占有
率的提高，销售收入将不断增加。
2.成本节约：精确控制和智能化监控等功能可帮助客户降
低运营成本，从而为本方案带来间接的收益。
3.市场拓展：本方案所涉及的高集成度PSA多通道旋转
控制阀具有较高的技术含量和市场竞争力，有利于拓展市场，扩大产品的知名度和影响力。
4.技术积累：本方案的实施将促进相关领域的技术积累和
创新，有利于推动工业自动化技术的发展。
5.品牌建设：通过本方案的实施，将有助于提升公司在工
业自动化领域的品牌形象和声誉。
八、优缺点
1.优点：
(1) 高集成度设计，减小了体积和重量；
(2) 多通道设计，提高了设备的利用率；
(3) 精确控制，提高了生产效率；
(4) 智能化监控，提高了设备的可靠性和安全性；
(5) 远程控制与调试，方便客户进行设备管理和维护。
2.缺点：
(1) 初始投资较大，需要一定的资金支持；
(2) 技术难度较高，需要具备专业的研发团队和技术支
持；
(3) 对原材料和工艺的要求较高，需要稳定的供应链和
生产环境。
九、下一步需要改进的地方
1.加强研发力度：持续关注相关领域的技术发展动态，不
断优化产品设计和技术方案，以满足市场的不断变化的需求。
2.提高生产效率：通过优化生产工艺和流程，提高生产效
率，降低生产成本，提高产品的市场竞争力。
3.加强市场推广：加大市场推广力度通过各种渠道宣传和
推广本方案所涉及的高集成度PSA多通道旋转控制阀产品提高产品的知名度和市场份额通过与行业内的领军企业合作参加国际展会等方式拓展海外市场渠道提高产品的国际竞争力。
4.完善售后服务：加强售后服务团队建设提高服务质量和
效率积极与客户沟通交流及时了解客户需求并提供解决方案同时加强对客户的培训工作提高客户对产品的认知和使用水平。
5.加强合作与交流：与相关领域的科研机构和企业加强合
作与交流共同开展技术研发和市场开拓等活动分享各自的优势资源实现互利共赢同时积极参加行业协会和
标准组织的活动参与制定行业标准和规范促进整个行业的健康发展。
