化工廠蒸汽平衡的控制方案研究

彭琳

(中國五環(huán)工程有限公司，武漢 430223)

蒸汽平衡事關(guān)化工廠的安全穩(wěn)定運行與節(jié)能，蒸汽平衡可分為靜態(tài)平衡和動態(tài)平衡[1]。靜態(tài)平衡是根據(jù)全廠蒸汽用戶用汽量、工藝余熱鍋爐和蒸汽透平的能力，確保在正常工況下，全廠蒸汽用汽得到滿足且無過剩蒸汽放空，其他穩(wěn)定工況下主要用汽設(shè)備用汽得到滿足且蒸汽放空最少；動態(tài)平衡是通過分析影響蒸汽管網(wǎng)的因素，預(yù)先確定處理蒸汽管網(wǎng)波動及事故工況的方案，保證蒸汽管網(wǎng)的穩(wěn)定可控。

建立蒸汽平衡方案的步驟： 確定主要蒸汽用戶；根據(jù)全廠用汽情況確定各壓力等級蒸汽規(guī)模；根據(jù)各工況下全廠蒸汽用量分析確定設(shè)備方案；根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)分析和設(shè)備方案確定控制方案；通過動態(tài)模擬檢驗、優(yōu)化控制方案。筆者結(jié)合某化工項目，重點研究了蒸汽平衡中的減溫減壓器[2-4]、放空閥等設(shè)備的控制方案。

1 蒸汽平衡的建立過程

該項目以天然氣為原料，包括合成裝置(天然氣壓縮、脫硫、轉(zhuǎn)化、CO轉(zhuǎn)化、CO2脫除、甲烷化、氨合成等)，尿素裝置(尿素合成、高壓分解、中低壓分解、真空濃縮)，造粒等工序，生產(chǎn)能力為合成氨50 kt/a、尿素80 kt/a。

1) 該項目主要的蒸汽用戶，詳見表1～表3所列。

表1 合成氨裝置主要蒸汽用戶

2) 通過分析表1～表3主要的蒸汽用戶及壓力等級，確立了表4所列的蒸汽壓力等級方案。

表2 尿素裝置主要蒸汽用戶

表3 公用工程主要蒸汽用戶

表4 蒸汽壓力等級方案

3) 各壓力等級蒸汽的產(chǎn)汽設(shè)備配置見表5所列。

表5 典型的設(shè)備配置方案

2 控制方案的研究[5-8]

2.1 減溫減壓器的設(shè)置

超高壓段蒸汽主要供給合成氣壓縮機(jī)及氨壓縮機(jī)；而高壓段的蒸汽，正常情況下，來源于合成氣壓縮機(jī)及氨壓縮機(jī)抽汽以及輔助鍋爐。合成氣壓縮機(jī)透平抽汽產(chǎn)量約為107 t/h，氨壓縮機(jī)透平抽汽產(chǎn)量約為101 t/h。正常時，各減溫減壓器處于全關(guān)的狀態(tài)，或者各減溫減壓器都只留有少量蒸汽通過，以達(dá)到熱備用的目的；當(dāng)透平跳車時，高壓段蒸汽由減溫減壓器來提供。

由于合成氣壓縮機(jī)透平和氨壓縮機(jī)透平可能同時跳車，也可能分別單獨跳車，那么此時減溫減壓器的設(shè)置可以為圖1a)～b)兩種方案。

圖1 減溫減壓器設(shè)置方案示意

1) 設(shè)置1臺200 t/h的減溫減壓器，如圖1a)所示。當(dāng)合成氣壓縮機(jī)和氨壓縮機(jī)同時跳車時，通過聯(lián)鎖迅速開啟該減溫減壓器內(nèi)的減溫減壓閥(通常不超過1 s)[9]。若只有其中1個壓縮機(jī)透平跳車，則可采用跟蹤透平入口的蒸汽流量，不同的透平在不同負(fù)荷下跳車時，對應(yīng)的減溫減壓閥會有不同的開度。當(dāng)反饋回來的閥門開度等于送出的閥門開度信號時，減壓閥恢復(fù)壓力調(diào)節(jié)。此方案需要根據(jù)閥門特性曲線，計算出閥門的開度以及對應(yīng)于此時需泄放的蒸汽流量，理論上可行，而實際上的控制精度并不高。因為閥門需根據(jù)現(xiàn)場實際配管情況得到閥門的工作流量特性，再建立閥門工作流量特性曲線模型，在DCS中進(jìn)行組態(tài)。如果組態(tài)采用折線函數(shù)或者將各種需泄放的流量對應(yīng)的開度做成表格，存儲在DCS中，當(dāng)聯(lián)鎖跳車時，DCS自動提取表格中的值，得到閥門需打開的開度，實際上這樣的控制精度也不理想。所以該設(shè)計方案，理論上很完美，實際操作難度大，另外由于減溫減壓閥門口徑較大，投資也很大。

2) 設(shè)置2臺100 t/h的減溫減壓器分別對應(yīng)于合成氣壓縮機(jī)和氨壓縮機(jī)，如圖1b)所示。當(dāng)合成氣壓縮機(jī)和氨壓縮機(jī)同時跳車時，通過聯(lián)鎖會迅速全開這2臺減溫減壓器的減溫減壓閥。若只有某臺壓縮機(jī)跳車，則聯(lián)鎖只全開對應(yīng)的減溫減壓閥，其好處是： 減溫減壓閥全開時通過的蒸汽流量約等于該臺跳車的壓縮機(jī)透平的抽汽量，幾秒鐘之后(可通過模擬仿真來確定具體時間)，減溫減壓閥就可以切換為壓力自動控制，通過高壓蒸汽管網(wǎng)的壓力來自動調(diào)節(jié)減溫減壓閥的開度大小，以達(dá)到高壓蒸汽管網(wǎng)的平衡。該設(shè)計方案，控制清晰，減溫減壓閥的動作明確，使管網(wǎng)能夠快速適應(yīng)變化并保證管網(wǎng)的安全可靠。

方案二將方案一中的減溫減壓器改作2個大小合適的減溫減壓器，使得控制更加可靠與安全，但是也應(yīng)注意： 作為事故旁路的減溫減壓器，減溫減壓器的蒸汽流量不應(yīng)小于透平的背壓排汽和抽汽的最大量。

2.2 放空閥的設(shè)置

根據(jù)需求，各個壓力等級的蒸汽管網(wǎng)需設(shè)置必要的放空閥，在事故情況下，短期內(nèi)將多余的蒸汽放空，以維持管網(wǎng)壓力。全廠外管網(wǎng)根據(jù)各級管網(wǎng)負(fù)荷和蒸汽動力設(shè)備的情況選擇合適的放空閥，其能力需能夠覆蓋全廠單個裝置或分區(qū)最大的蒸汽需求。放空閥的口徑大小及個數(shù)的設(shè)置類似于減溫減壓閥的設(shè)置，不再贅述。

3 應(yīng)用實例

將2個減溫減壓器設(shè)置于超高壓蒸汽管網(wǎng)與高壓蒸汽管網(wǎng)之間，用于滿足工藝裝置正常操作、開車及壓縮機(jī)組透平跳車等情況下的高壓蒸汽需求，如圖2所示。

圖2 全廠蒸汽平衡設(shè)置方案

圖2中，2個減溫減壓器采用分程控制，取壓點設(shè)置在超高壓蒸汽管網(wǎng)上。一旦合成氣壓縮機(jī)組跳車，那么U29301A減溫減壓閥會全開，確保100 t/h的蒸汽從超高壓段泄放至高壓段蒸汽；之后再切換至壓力自動控制，使超高壓段的壓力穩(wěn)定下來。若壓縮機(jī)組跳車，則U29301B減溫減壓閥會先動作。

由于高壓蒸汽管網(wǎng)與低壓蒸汽管網(wǎng)之間的透平抽汽量并不大，減溫減壓器的設(shè)置也較簡單，故只設(shè)置了1個減溫減壓器U29302。在高壓蒸汽管網(wǎng)上，設(shè)置有2個放空閥29PV3004和29PV3005，用于保護(hù)高壓蒸汽管網(wǎng)。當(dāng)CO2壓縮機(jī)組跳車時，放空閥29PV3005會立即全開，泄放掉50 t/h的高壓蒸汽，然后轉(zhuǎn)為自動控制，以維持高壓蒸汽管網(wǎng)的壓力平衡。另1個放空閥29PV3004一直設(shè)置為壓力自動控制狀態(tài)，同樣起到維持高壓蒸汽管網(wǎng)的壓力平衡的作用。

4 結(jié)束語

除了文中討論的減溫減壓器、放空閥等的設(shè)

置，安全閥、用汽設(shè)備負(fù)荷的調(diào)節(jié)等也會對全廠的蒸汽平衡產(chǎn)生影響[10]。蒸汽平衡是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，與多個專業(yè)設(shè)計內(nèi)容密切相關(guān)。文中針對蒸汽系統(tǒng)中控制方案的討論，主要側(cè)重于自控專業(yè)的設(shè)計內(nèi)容，期望使工廠的蒸汽平衡的控制方案設(shè)計得合理有效，能充分地降低生產(chǎn)成本和能耗。

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