廢熱補(bǔ)燃裝置控制系統(tǒng)的改進(jìn)及應(yīng)用

楊 勇 張海磊 葉 鋒 韓 蕊

（1.中海石油深海開發(fā)有限公司 廣東深圳 2.中國石油大學(xué)（華東） 山東青島）

某海上天然氣處理平臺從投產(chǎn)至今一直處于穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)，平臺主要流程包含天然氣脫水、凝析油脫水、三甘醇再生、乙二醇再生等多項(xiàng)工藝。設(shè)施配備了2臺負(fù)荷為5500 kW的透平發(fā)電機(jī)作為平臺主電力來源，平臺透平發(fā)電機(jī)尾氣溫度較高，為充分利用高溫?zé)煔?，提高機(jī)組熱效率節(jié)省燃料、節(jié)能減排，透平發(fā)電機(jī)配備了2臺廢熱回收/補(bǔ)燃裝置（鍋爐）。隨著PLC、DCS等控制系統(tǒng)的不斷進(jìn)步，對已有的控制回路不斷改進(jìn)已成為必然。為此，結(jié)合實(shí)際發(fā)生的廢熱利用率低、系統(tǒng)波動大等問題對該裝置進(jìn)行了必要的控制改進(jìn)。

一、廢熱補(bǔ)燃裝置流程簡介

廢熱補(bǔ)燃裝置在該海上設(shè)施中對于三甘醇和乙二醇再生流程起著至關(guān)重要的角色，為滿足各設(shè)備對溫度的要求以及各設(shè)備操作時的熱量需求，平臺配備了2套9000 kW的熱媒加熱系統(tǒng)，手動選擇運(yùn)行模式，為廢熱模式和廢熱補(bǔ)燃AUTO模式，其中透平（全負(fù)荷）尾氣提供4500 kW熱量，補(bǔ)燃系統(tǒng)（全負(fù)荷）提供4500 kW熱量。

熱介質(zhì)由廢熱爐加熱，廢熱由透平發(fā)電機(jī)提供。在平臺啟動初期或廢熱不足的情況下，可以通過燃料氣補(bǔ)燃提供熱源。通過廢熱回收單元熱介質(zhì)被加熱到220℃，其中至少10%的熱介質(zhì)過濾后，供給熱介質(zhì)用戶。經(jīng)過換熱后的熱介質(zhì)匯集到回收管匯，經(jīng)過熱介質(zhì)循環(huán)泵增壓進(jìn)入廢熱回收單元循環(huán)使用。在熱介質(zhì)分配管匯和回收管匯之間有旁通管線，通過壓差控制來回收提供給用戶過量的熱介質(zhì)，保證整個熱介質(zhì)系統(tǒng)壓力平衡。熱媒加熱系統(tǒng)組成及工藝流程圖如圖1所示。

在圖1中V1為旁通加熱閥開度0～100%，V2為加熱閥開度0～100%，正常運(yùn)行過程V1+V2=100%。廢熱回收補(bǔ)燃裝置有兩種模式可供選擇，一種為僅廢熱模式（以下稱OWH模式），一種為廢熱補(bǔ)燃自動模式（以下稱AUTO模式）。

裝置配備有完整的輔助和控制系統(tǒng)，包含中央風(fēng)系統(tǒng)（補(bǔ)燃時提供主要空氣）、冷卻風(fēng)系統(tǒng)（冷卻燃燒頭等部件）、密封風(fēng)系統(tǒng)（對加熱閥進(jìn)行冷卻、密封）、燃料氣配比燃燒系統(tǒng)（使燃料氣完全充分燃燒）、CO2滅火系統(tǒng)（爐內(nèi)緊急情況下釋放滅火）、尾氣氧含量檢測（實(shí)時檢測透平/補(bǔ)燃尾氣氧含量）、溫控系統(tǒng)（控制加熱閥的開度已經(jīng)補(bǔ)燃負(fù)荷以及檢測爐內(nèi)盤管溫度）、流量檢測系統(tǒng)（保證爐內(nèi)一定熱媒流速避免結(jié)焦）等系統(tǒng)。同時為了保證透平及廢熱回收補(bǔ)燃裝置的安全運(yùn)行，透平發(fā)電機(jī)與廢熱補(bǔ)燃裝置有一定的連鎖，只有在廢熱回收補(bǔ)燃裝置處于一定狀態(tài)時（流量、溫度、液位、風(fēng)機(jī)、加熱閥開度等）透平才能正常啟動。同理要啟動廢熱補(bǔ)燃裝置也必須在透平啟動情況下同時滿足流量、溫度等條件才能正常啟動。

圖1 熱媒加熱系統(tǒng)組成及工藝流程圖

廢熱補(bǔ)燃裝置設(shè)有2種模式，利用PLC進(jìn)行邏輯控制，每臺裝置均有一臺LCP，LCP上有人機(jī)界面，操作人員可通過工藝需求手動選擇模式以及對熱媒出口溫度進(jìn)行設(shè)置。本文主要探討在AUTO模式下的各種工況，以下均默認(rèn)為AUTO模式。

二、雙模式（廢熱及補(bǔ)燃）控制邏輯改進(jìn)

廢熱補(bǔ)燃裝置主要涉及補(bǔ)燃啟停及負(fù)荷調(diào)節(jié)、加熱閥的開度、中央風(fēng)機(jī)啟停、裝置的啟停等多個回路調(diào)控。裝置在投用時的控制邏輯，如圖2所示。關(guān)于廢熱補(bǔ)燃控制邏輯方框圖有4點(diǎn)說明。

（1）實(shí)際熱媒溫度為廢熱補(bǔ)燃裝置出口處檢測得到的熱媒溫度。

（2）補(bǔ)燃程序啟動時，補(bǔ)燃系統(tǒng)將進(jìn)行自檢測試程序，此時補(bǔ)燃附加系統(tǒng)（中央風(fēng)系統(tǒng)）啟動，測試合格后其才進(jìn)行點(diǎn)火過程。

（3）當(dāng)補(bǔ)燃啟動后之前設(shè)置的廢熱設(shè)點(diǎn)自動轉(zhuǎn)換成為補(bǔ)燃設(shè)點(diǎn)，同時廢熱設(shè)點(diǎn)自動下降20℃。

圖2 廢熱補(bǔ)燃控制邏輯方框圖

（4）補(bǔ)燃停止延遲0.5 h后中央風(fēng)系統(tǒng)停止，同時補(bǔ)燃程序停止。

在調(diào)試運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，在該程序下補(bǔ)燃可以自動進(jìn)行啟停，當(dāng)下游所需熱量較多時，補(bǔ)燃可以在AUTO模式下自動投用。使用過程中發(fā)現(xiàn)：加熱閥開度在60%～90%時，補(bǔ)燃在中低負(fù)荷下運(yùn)行。在此狀況下運(yùn)行時有2個問題，一是有大量的透平廢熱通過旁通閥直接將尾氣中的熱量排掉，而此時補(bǔ)燃系統(tǒng)在運(yùn)行，浪費(fèi)了大量熱量。二是實(shí)際熱媒出口溫度有一定的波動幅度，對下游流程有影響。在該情況下對熱媒系統(tǒng)及下游相關(guān)參數(shù)監(jiān)測曲線如圖3所示，其中熱媒出口設(shè)點(diǎn)為220℃，三甘醇出口溫度設(shè)點(diǎn)為180℃（任選24 h）。

圖3 改進(jìn)前熱媒系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)曲線圖

針對第一種現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行分析判斷，原因在于當(dāng)補(bǔ)燃啟動后廢熱設(shè)點(diǎn)自動降低20℃處，由于加熱閥的開度受廢熱設(shè)點(diǎn)與實(shí)際熱媒溫度之間PID的運(yùn)算影響，當(dāng)廢熱設(shè)點(diǎn)在設(shè)點(diǎn)基礎(chǔ)上降低20℃后，由于補(bǔ)燃的運(yùn)行使得實(shí)際熱媒溫度上升，從而通過PID的運(yùn)算調(diào)節(jié)，加熱閥將有關(guān)小的趨勢，因此才會造成上面現(xiàn)象的發(fā)生。加熱閥的開度在60%～90%，未能完全利用透平廢熱，同時也不夠條件將補(bǔ)燃停止，造成了資源的浪費(fèi)。

針對第二種現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行分析判斷，原因在于補(bǔ)燃結(jié)束后在第二次重啟補(bǔ)燃時（0.5 h內(nèi)），溫差為10℃，溫差過大，溫度不夠時，不能及時啟動補(bǔ)燃，使得溫度控制有一定的波動性。

根據(jù)以上分析，綜合考慮溫度、燃料氣流量、補(bǔ)燃啟停頻率等相關(guān)因素后，改進(jìn)補(bǔ)燃程序，改進(jìn)后的邏輯方框圖如圖4所示。

圖4主要修改了2處，一是在補(bǔ)燃啟動后廢熱設(shè)點(diǎn)自動上升5℃在補(bǔ)燃設(shè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上。二是在補(bǔ)燃程序未停止的前提下再啟動補(bǔ)燃時只需要設(shè)點(diǎn)大于實(shí)際熱媒溫度5℃即可啟動。

將該程序應(yīng)用后，成功的解決了之前出現(xiàn)的兩個問題，在補(bǔ)燃啟動的過程中，加熱閥長時間處于開度在80%以上，高效的利用了透平尾氣中的熱量。同時熱媒油的出口溫度也趨于穩(wěn)定，波動在1～2℃，在工藝允許波動范圍內(nèi)。改進(jìn)后的相關(guān)參數(shù)變化趨勢如圖5所示，其中熱媒出口設(shè)點(diǎn)為220℃，三甘醇出口溫度設(shè)點(diǎn)為180℃（任選24 h）。

三、應(yīng)用中出現(xiàn)的問題

圖4 改進(jìn)后的廢熱補(bǔ)燃AUTO模式下的控制方框圖

圖5 改進(jìn)后熱媒系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)曲線圖

在對控制邏輯進(jìn)行改進(jìn)后，系統(tǒng)大部分時間處于正常狀態(tài)，期間因中央風(fēng)機(jī)風(fēng)壓不足導(dǎo)致補(bǔ)燃未能正常啟動。2015年初，按照正常操作程序?qū)ν钙胶蛷U熱/補(bǔ)燃裝置進(jìn)行切換后，確定模式為AUTO后，啟動廢熱/補(bǔ)燃裝置，溫度正常上升，當(dāng)滿足補(bǔ)燃啟動條件時，補(bǔ)燃程序啟動后，在自檢時發(fā)生報(bào)警，使補(bǔ)燃程序終止。

觀察報(bào)警面板，為“中央風(fēng)機(jī)風(fēng)壓低”。對中央風(fēng)機(jī)進(jìn)行手動啟動，可正常啟動。手動打開風(fēng)機(jī)后雙隔離閥可以正常打開。對風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢查時，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)吸入口的吸力明顯降低。后對風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，有保溫棉被吸入風(fēng)機(jī)吸入口，使得風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓低于報(bào)警值，從而使得補(bǔ)燃系統(tǒng)不能正常啟動。

四、廢熱補(bǔ)燃AUTO模式下應(yīng)注意的事項(xiàng)

（1）在使用裝置前對補(bǔ)燃的中央風(fēng)機(jī)、燃料氣系統(tǒng)流程進(jìn)行檢查。若長期不使用應(yīng)在再次使用前處流程外，還應(yīng)對補(bǔ)燃系統(tǒng)上各儀表進(jìn)行校定，同時手動加熱閥和旁通閥。

（2）在停用熱媒裝置時為避免熱媒油內(nèi)雜質(zhì)沉淀聚集在盤管內(nèi)，可以小流量通過熱媒裝置，或者在再次啟動前對裝置進(jìn)行小流量預(yù)循環(huán)。

（3）在熱媒系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為盡量避免熱媒裂解，應(yīng)注意：操作溫度不易突然升高，最好在最初設(shè)計(jì)的溫度下運(yùn)行；定期的對補(bǔ)燃所用天然氣進(jìn)行露點(diǎn)分析、對火焰燃燒顏色觀察、對爐內(nèi)積灰應(yīng)在大修時清理；定期對熱媒系統(tǒng)上的濾器進(jìn)行清洗、更換，避免堵塞爐內(nèi)加熱盤管。

（4）對停止運(yùn)行的裝置，LCP的電源應(yīng)該持續(xù)上電，因海上特殊的環(huán)境，此舉可保證LCP內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，避免受潮腐蝕。

（5）防止運(yùn)行中突然斷電，爐內(nèi)余溫繼續(xù)加熱熱媒，從而結(jié)焦。因此，根據(jù)實(shí)際情況，最好采用UPS為循環(huán)泵供電，該海上平臺循環(huán)泵是由應(yīng)急盤供電，能有效的防止意外斷電后對熱媒系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

（6）需要經(jīng)常對廢熱/補(bǔ)燃裝置上各儀表進(jìn)行維護(hù)，特別是熱媒進(jìn)出口溫度儀表、尾氣進(jìn)出口溫度儀表、17根加熱盤管上的溫度儀表、燃料氣系統(tǒng)上的各壓力表，對其周期性標(biāo)定，使其測量靈敏，顯示標(biāo)準(zhǔn)，保證熱媒的正常穩(wěn)定使用。

五、結(jié)語

海上設(shè)施廢熱補(bǔ)燃鍋爐的應(yīng)用情況表明，采用合理的控制邏輯后，不僅克服了先前鍋爐廢熱利用率不足的缺點(diǎn)，同時增強(qiáng)了熱媒系統(tǒng)及下游用戶的穩(wěn)定性。在完全利用了透平尾氣熱量的前提下使用補(bǔ)燃系統(tǒng)，廢熱利用率極高，加之熱媒系統(tǒng)的高度自動化、低環(huán)境污染、高安全系數(shù)等特點(diǎn)，較好地滿足了下游用戶的需求。