制氫裝置的水碳比控制方案優(yōu)化

郭　成　何聯(lián)合

華陸工程科技有限責(zé)任公司　西安　710065

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設(shè)計技術(shù)

制氫裝置的水碳比控制方案優(yōu)化

郭成*何聯(lián)合

華陸工程科技有限責(zé)任公司西安710065

以某煉油廠制氫裝置的水碳比控制方案為基礎(chǔ)，提出兩個比值控制優(yōu)化概念:預(yù)轉(zhuǎn)換水碳比和總水碳比。描述這兩種水碳比的計算方法，并介紹以全流量和水碳比值為聯(lián)鎖條件的兩個主要聯(lián)鎖方案，為制氫裝置水碳反應(yīng)控制提供了靈活和有效的解決方案。

制氫裝置水碳比比值控制聯(lián)鎖

制氫裝置的水碳比是主要的工藝控制指標(biāo)。水碳比控制較復(fù)雜，比值過高，水蒸汽消耗過大裝置能耗提高，還有可能造成催化劑的鈍化；比值過低，轉(zhuǎn)化觸媒析炭， 轉(zhuǎn)化率低并可造成觸媒失效，對裝置的損害非常大。在某煉油廠制氫裝置中設(shè)置預(yù)轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換兩個工段，通過在預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中預(yù)先變換產(chǎn)氫進而達到提高制氫裝置的原料氣轉(zhuǎn)換率的目的。為此，自控設(shè)計方面，本制氫裝置予以改進，采取了預(yù)轉(zhuǎn)換水碳比和總水碳比兩個比值控制，并在裝置的聯(lián)鎖保護中同時引入了預(yù)轉(zhuǎn)換水碳比和總水碳比低低聯(lián)鎖，以實現(xiàn)水碳比的平穩(wěn)控制，確保制氫的正常生產(chǎn)，其水碳比控制聯(lián)鎖方案見圖1。

圖1　水碳比控制聯(lián)鎖方案

1　水碳比控制系統(tǒng)

本制氫裝置的水碳比控制采用典型的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。在保持比值控制的前提下，主動量和從動量兩個流量均構(gòu)成閉合回路。這能克服自身流量的干擾，使主、從流量都比較平穩(wěn)，并使得工藝系統(tǒng)總的負(fù)荷也較穩(wěn)定。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中主流量經(jīng)過比值運算后輸出信號作為從流量PID調(diào)節(jié)器的給定值，從而使主、從兩種物料在不斷變化的流量數(shù)值下保持一個近似固定的比例關(guān)系，既可實現(xiàn)從流量隨主流量的變化而變化，又可以克服從流量本身干擾對比值控制的影響。

在該制氫裝置的工藝水蒸汽采用40bar(G)、363 ℃的過熱蒸汽，原料氣的來源有三種：純天然氣工況、氣化后的純石腦油工況和天然氣與石腦油混合工況(其中天然氣或者石腦油的含量不小于30%)。裝置要求產(chǎn)氫能力在30%～100%可調(diào)，產(chǎn)氫量的多少與原料氣的進料有直接關(guān)系，故在控制邏輯中加入產(chǎn)能模式，將要求的產(chǎn)氫量所對應(yīng)的原料氣流量作為主控制回路的給定值來調(diào)節(jié)原料氣的進氣量，原料氣流量FT-006D通過水碳比值器計算后的信號作為蒸汽流量PID調(diào)節(jié)器的給定值參與蒸汽調(diào)節(jié)。并且工藝操作中要求水碳比控制方案配置為始終保持過量的蒸汽，當(dāng)改變轉(zhuǎn)化負(fù)荷時，PID策略應(yīng)用：當(dāng)產(chǎn)品氫氣需求量增大需要增加原料流量時，控制系統(tǒng)需確保增加去轉(zhuǎn)化FT-007D和去預(yù)轉(zhuǎn)化FT-008D蒸汽流量，會隨著氣體進料流量增加；類似地，當(dāng)需要減小原料量時，控制系統(tǒng)需確保先減小原料流量，然后減小蒸汽流量。這樣操作避免因水碳比減小造成的催化劑積碳。

在改變原料氣工況時原料中總碳原子數(shù)會有變化，需要對原料氣組分進行分析，以免組分突變時水碳比影響反應(yīng)效果，所以在控制模式上采用手動設(shè)置與自動控制相結(jié)合。

2　水碳比計算

2.1預(yù)轉(zhuǎn)換水碳比

進到預(yù)轉(zhuǎn)換反應(yīng)器的水蒸氣和脫硫后原料氣流量進行水碳比控制作為制氫的中間環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了一路水蒸汽與原料氣到預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的比率，預(yù)先將水蒸汽與原料氣進行反應(yīng)從而減少轉(zhuǎn)換爐的工作負(fù)荷，提高氫氣轉(zhuǎn)化率，預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器采用高活性的催化劑將高碳烴類轉(zhuǎn)化為CH4、CO和H2。

(1)純天然氣(工況1)或純石腦油(工況2)為原料氣的預(yù)轉(zhuǎn)換水碳比值計算:

(1)

(2)

(3)

=1·C1%+2· C2%+…n ·Cn%

(4)

K1:去預(yù)轉(zhuǎn)化蒸汽流量QH20與原料氣總碳流量QC之比(水碳比)。

因為轉(zhuǎn)化反應(yīng)中的水蒸汽為過熱蒸汽，原料氣都要受到溫度、壓力的波動從而影響實際測量流量的準(zhǔn)確性。該流程中對過熱蒸汽以及原料氣采取溫度、壓力補償。

FY008DPV是經(jīng)過PT038和TT018溫壓補償過的實際去預(yù)轉(zhuǎn)化蒸汽質(zhì)量流量kg/h。

FY006DPV是經(jīng)過PT032和TT016溫壓補償過的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積流量Nm3/h。

Cm為燃料氣中的絕對碳原(總碳) ，C1%、C2%... Cn% 分別表示原料氣中含有C1、C2、…Cn組分的mol %。為使這種算法相對簡單， 要求測量的量不多，只需測量混合氣體的組成即可。其余的物理量均來自在線監(jiān)測儀表。 這使得運算邏輯相對簡單， 需改動的參數(shù)很少(只需調(diào)整總碳值), 因而對制氫生產(chǎn)操作的影響也較小。本煉油廠原料氣組分見表1和表2。

由式(1)中K1值可換算出蒸汽流量的設(shè)定值FIC008SP：

(5)

表2　純石腦油組分　(mol%)

(2)天然氣、石腦油混合(工況3)時原料氣的預(yù)轉(zhuǎn)換水碳比計算：

K1=K1NG·a%+K1NA·b%

(6)

K1：混合工況下去預(yù)轉(zhuǎn)化蒸汽流量QH20與原料氣總碳流量QC之比(水碳比)。

K1NG：純天然氣工況下去預(yù)轉(zhuǎn)化蒸汽流量QH20與原料氣總碳流量QC之比(水碳比)。

K1NA：純石腦油工況下去預(yù)轉(zhuǎn)化蒸汽流量QH20與原料氣總碳流量QC之比(水碳比)。

混合原料氣中天然氣的百分比a%，石腦油的百分比b%，百分比范圍可在30%～70%之間變化。

(7)

式中，Cm1為天然氣中的絕對碳原(總碳)，Cm2為石腦油中的絕對碳原(總碳) 。

2.2總水碳比

經(jīng)預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器出口物料與另一路工藝蒸汽進一步混合后進入轉(zhuǎn)化爐大部分甲烷在鎳基催化劑上與水蒸氣反應(yīng)生成H2、CO和CO2。為達到更好的轉(zhuǎn)化控制效果，對去轉(zhuǎn)換反應(yīng)控制器FIC007的水碳比調(diào)節(jié)，采用總蒸汽流量的控制方案，去預(yù)轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)化的總蒸汽流量Q1H2O+Q2H2O與原料氣總碳流量QC之比，即是總水碳比K2。其設(shè)定值FIC007SP計算過程與預(yù)轉(zhuǎn)換設(shè)定值計算類似。

純天然氣(工況1)或純石腦油(工況2)總蒸汽流量設(shè)定值：

(8)

天然氣與石腦油混合(工況3)總蒸汽流量設(shè)定值：

(9)

經(jīng)過實踐檢測這樣設(shè)定能更如實地反映出最終參與轉(zhuǎn)化的用水量，對進轉(zhuǎn)化爐的蒸汽流量控制也更精準(zhǔn)。

100%天然氣和100%石腦油兩種原料氣工況在制氫產(chǎn)能(30%～100%)時的預(yù)轉(zhuǎn)化水碳比和總水碳比的參考值分別見表3和表4。

《兒科阿奇霉素注射使用的快速建議指南》實施方案介紹…………………………………………………… 周鵬翔等（4）：436

表3　100%天然氣工況水碳比參數(shù)設(shè)定

表4　100%石腦油工況水碳比參數(shù)設(shè)定

3　水碳比聯(lián)鎖方案

為保障系統(tǒng)安全可靠，水蒸汽和原料氣的流量變送器均采用四重化設(shè)計，將水碳比的控制與聯(lián)鎖相對剝離，采用一臺變送器的檢測信號送到DCS系統(tǒng)參與比值調(diào)節(jié)邏輯，另外三臺變送器信號送入SIS系統(tǒng)中實現(xiàn)緊急聯(lián)鎖。用于聯(lián)鎖方案的三臺變送器采用了2oo3的模式進入聯(lián)鎖邏輯。三個變送器中只要兩個不同時出現(xiàn)錯誤，就能掩蔽掉故障檢測的錯誤，保證系統(tǒng)正確運行。由于三個變送器是互相獨立的，兩個模塊同時出現(xiàn)故障是極小概率事件，故可以大幅提高系統(tǒng)的可靠性。

設(shè)低值和低低值兩級報警，從低值到低低值這一段時間內(nèi), 操作員完全有可能通過改善操作提高水碳比, 避免聯(lián)鎖啟動。這里的低值相當(dāng)于系統(tǒng)的一次自動調(diào)整過程, 給操作員一個提示, 盡可能在第一時間把問題排除。

經(jīng)過實踐可直接將水蒸汽與原料氣流量之比的低低值當(dāng)作聯(lián)鎖條件。該制氫裝置設(shè)置了兩個水碳比低低聯(lián)鎖I-02進入熱備狀態(tài)和總流量低低聯(lián)鎖I-01裝置停車。

3.1裝置停車I-01

聯(lián)鎖裝置停車經(jīng)單位換算后FY006、FY007和FY008這三路工藝介質(zhì)流量之和FY006SUM的低低值FALL006D：

(10)

聯(lián)鎖觸發(fā)時，關(guān)閉FV-008(去預(yù)轉(zhuǎn)化R02的蒸汽)，聯(lián)鎖關(guān)閉FV-007(去轉(zhuǎn)化的工藝蒸汽)，聯(lián)鎖切斷XV-004(切斷燃料氣管線)并將燃料氣調(diào)節(jié)閥FV-006關(guān)閉，最后觸發(fā)對后續(xù)裝置的保護及停車。

3.2聯(lián)鎖進入熱備狀態(tài)I-02

預(yù)轉(zhuǎn)換的蒸汽流量與原料氣流量之比的低低值(FFALL012)或轉(zhuǎn)換的蒸汽流量與原料氣流量之比的低低值(FFALL011)觸發(fā)制氫裝置熱備邏輯。

預(yù)轉(zhuǎn)換的蒸汽質(zhì)量流量與原料氣質(zhì)量流量之比FY012：

(11)

總蒸汽質(zhì)量流量與原料氣質(zhì)量流量之比FY011：

(12)

當(dāng)進入熱備狀態(tài)時，緩慢減小FV-008開度(去預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的蒸汽)至30%的工藝蒸汽，在對應(yīng)30%蒸汽流量處設(shè)定機械限位FZAL008。之所以要保留FV008 30%的蒸汽是因為H2混合點設(shè)在此工藝管線上，有利于H2進入(只有蒸汽，轉(zhuǎn)換器中的催化劑會鈍化)，并且該路蒸汽流量大易于調(diào)節(jié)。關(guān)掉FV-007(去轉(zhuǎn)化的工藝蒸汽)，30s后將界區(qū)送來的H2調(diào)節(jié)閥開到最大，熱備狀態(tài)之后的10min檢測一下轉(zhuǎn)化爐爐壁溫度和FY006SUM蒸汽全流量，正常的話，繼續(xù)熱備直到12h后自然停車I-01，一旦不正常就立刻聯(lián)鎖全場停車I-01。

(1)繼續(xù)熱備如果裝置未在12h之內(nèi)重啟，則要進行預(yù)轉(zhuǎn)化吹掃邏輯。

(2)FALL005(H2到預(yù)轉(zhuǎn)化的流量低)可能在12h還沒到的時候被觸發(fā)，也要進行預(yù)轉(zhuǎn)化吹掃邏輯，這時就要再保持4h，不重啟就停車。

4　結(jié)　語

對于制氫裝置而言水碳比控制非常重要，優(yōu)化的水碳比控制不但可以保證制氫的產(chǎn)能，還能延長轉(zhuǎn)換設(shè)備的使用壽命。本文通過對實際運行的制氫裝置水碳比自動控制方案進行分析歸納，針對預(yù)轉(zhuǎn)換水碳比和總水碳比以及保護聯(lián)鎖方案進行闡述，明確其用途及控制方法，給煉油裝置自控設(shè)計、系統(tǒng)組態(tài)、儀表維護提供參考。

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2016-05-18)

*郭成：工程師。2008年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)系統(tǒng)工程專業(yè)獲碩士學(xué)位。從事化工自動化設(shè)計工作。

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