一种海上浮式甲醇合成工艺系统及其动态控制方法

本发明涉及海上能源开发领域，尤其涉及一种海上浮式甲醇合成工艺系统及其动态控制方法。

背景技术：

1、海上甲醇合成系统的氢气来源于海上风电电解氢气，因此气源波动与海上风电出力特征相同，受天气，气候影响。从短期来看，气源每日低谷较深，且每小时气源波动可达一半。从长期来看，气源供给具有季节性，平均月度出力年间变化剧烈。海上气源不稳定导致甲醇合成器工作温度失控，循环气流量失控，甲醇产率降低，二氧化碳转化率降低。海上甲醇合成用二氧化碳一般由陆上运输至海上风电平台或其附近，成本高昂，需要尽可能地将co2转化为甲醇，减少资源的浪费。

2、现有技术cn113135815a，名称为“甲醇合成的控制方法和控制装置”的发明专利，通过探测反应器出入口组分实现反应器内部组分控制，提高甲醇检测率。该方法主要针对反应器的控制，不包含冷凝、提纯、循环压缩等模块，而甲醇合成系统的动态波动同时发生于系统各个模块，且各模块之间相互影响，因此，该方法并不适用于整个工艺流程的动态控制和性能调节。

3、现有技术cn117666500a，名称为“甲醇合成系统方法、装置、计算机设备和存储介质”的发明专利申请，通过构建dcs工艺模型统对甲醇合成系统进行有效控制。该方法基于陆上甲醇合成系统进行设计，从控制系统角度而言，该专利的控制系统主要包括预警报警控制、设备液位流量控制和反应器压力温度控制。设备液位流量控制作为常规陆上甲醇控制方案，并不适用于不采用精馏装置的海上甲醇合成系统。反应器压力温度控制主要考虑精馏设备与反应器设备的参数变化，未考虑压缩机工作条件，且传统陆上甲醇合成控制系统在设备控制上采用一对一策略，而压缩机位于压缩回收单元，需要多单元、多待监控参数的作用才能维持稳定。此外，由于海上氢气源波动剧烈，压缩机无法维持稳定，不能采用将压缩机流量设定为待监控变量实现控制的传统策略。

4、现有技术cn116451408a，名称为“风光制氢合成甲醇系统的多时段可调度域分析方法”的发明专利申请，提出了一种能直观量化风光发电不确定性条件下p2m系统的负荷调控潜力的分析方法，为风光制氢合成甲醇系统作为灵活负荷，参与消纳风光发电、电网平衡调节时的安全经济运行提供量化参考；该方法主要通过评估不稳定负荷工况下绿氢的波动情况，判断当前运行条件是否满足甲醇合成系统的运行条件，降低化工装置的开停机频率，但无法保证系统的产能和产率，也没有从根本上提升甲醇合成系统的抗波动能力。

5、总结来看，陆上甲醇合成系统具有稳定的气源条件，其控制方案不考虑气源波动带来的产率和转化率的恶化，但无法直接应用于存在气源波动的海上甲醇合成系统中，且控制方案逻辑复杂，海上安装布局困难，因此针对海上浮式甲醇合成系统的控制方法还有待改进。本发明通过引入跨单元、多待监控参数的控制逻辑，在维持系统稳定的前提下提高系统效率和产能。

技术实现思路

1、在上述背景下，本发明要解决的技术问题是提供一种海上浮式甲醇合成工艺系统及其动态控制方法，解决海上气源波动条件下甲醇产率和二氧化碳转换率低、工况适应性差的问题。

2、本发明提供一种海上浮式甲醇合成系统，所述海上浮式甲醇合成系统包括依次连接的进气单元、反应单元和纯化单元，

3、还包括压缩循环单元1和压缩循环单元2；

4、所述压缩循环单元1设于所述进气单元的出口与所述纯化单元的进口之间，用于循环气的增压；

5、所述压缩循环单元2设于所述进气单元的进口与所述纯化单元的出口之间，用于回收的二氧化碳的增压；

6、所述纯化单元包括二氧化碳回收装置。

7、本发明中，较佳地，所述进气单元包括二氧化碳进料装置、氢气进料装置、缓冲罐及原料气压缩机；所述二氧化碳进料装置与所述氢气进料装置均与所述缓冲罐的进口连通，所述缓冲罐的出口与所述原料气压缩机的进口连通。

8、本发明中，较佳地，所述反应单元包括依次连接的塔前预热器、甲醇反应器和甲醇冷凝器。

9、本发明中，较佳地，所述压缩循环单元1包括依次连接的循环气压缩机和弛放气系统。

10、本发明中，较佳地，所述压缩循环单元2包括二氧化碳回收压缩机。

11、本发明中，较佳地，所述纯化单元还包括依次连接的一级气液分离器、闪蒸罐、甲醇/水膜分离器和二氧化碳回收装置；所述二氧化碳回收装置包括再热器和二级气液分离器。

12、本发明还提供一种海上浮式甲醇合成工艺的动态控制方法，其包括：

13、控制系统调参模块，其用于计算所述海上浮式甲醇合成系统的动态响应以及用于调节系统控制策略；

14、监测模块，其用于获取所述海上浮式甲醇合成系统的所有状态参数，用于系统的动态监测。

15、本发明中，较佳地，所述监测模块包括气体流量计，用于监测进气co2与h2流量比，通过控制co2管道和h2管道的阀门开度，实现进料比的控制。

16、本发明中，较佳地，所述监测模块还包括压力传感器，用于监测原料/循环压缩机入口压力，通过调节进料/循环压缩机运行频率，实现原料/循环压缩机入口压力的控制。

17、本发明中，较佳地，所述监测模块还包括温度传感器，用于监测原料气压缩机出口温度/闪蒸罐换热出口温度，通过调节冷却系统阀门开度，实现原料气压缩机出口温度/闪蒸罐换热出口温度的控制。

18、本发明中，较佳地，所述监测模块还包括液位计，用于监测一级气液分离器/闪蒸罐液位，通过调节一级气液分离器/闪蒸罐气相出口阀门开度，实现一级气液分离器/闪蒸罐液位的控制。

19、本发明中，一般地，当被控变量的波动值大于预设波动条件时，即被控变量的波动属于不可预测的突发条件时，需要所述控制系统调参模块响应，并分析求解控制策略。

20、本发明中，一般地，所述监测模块用于监测，当二氧化碳平均转化率低于二氧化碳目标转换率、或弛放气比例高于1％-3％以上时，启动二氧化碳回收装置。

21、该动态控制策略及其系统包括：根据系统二氧化碳转换率控制二氧化碳回收模块的启停、根据氢气气源波动条件动态调节原料气进气量、根据原料气波动幅度控制闪蒸罐气/液相出口阀门开度、根据系统产率和二氧化碳转化率确定弛放气比例和循环比，辅以流量、压力或温度等状态参数在线监测模块和控制系统调参模块、数字孪生及性能仿真系统。通过该动态控制策略及其系统，可以实现海上甲醇合成系统的压力、温度、液位、流量以及组分等参数的动态调控，使得海上甲醇系统可以承受氢气气源的不稳定波动，增强海上甲醇合成系统的工况适应性，提高能源/资源利用率。

22、本发明实现了以下有益的技术效果：

23、(1)本发明针对甲醇合成系统增加了二氧化碳回收及其监测控制系统，根据二氧化碳转化率对二氧化碳回收系统的回收能力进行实时动态调控；二氧化碳转化率提升至90％以上，实现二氧化碳资源的充分利用；

24、(2)通过增加罐体的容积提升系统的缓冲能力和死区时间，通过双出口压力控制动态调整液位，增强系统的抗波动能力和稳定性，使得系统可以承受海上气源波动范围在50％以上。

25、(3)根据系统动态特性仿真可知，在系统波动条件下，系统产率和二氧化碳转化率严重下降，根据系统敏感性分析，其衰减主要受弛放气比例和循环比影响最大，最终保障气源不稳定条件下的甲醇产率和二氧化碳转化率，减小海上化工装置的启停频次。