應(yīng)用3C控制系統(tǒng)對(duì)重整產(chǎn)氫增壓機(jī)的改造及分析

秦衛(wèi)龍

（中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東青島266500）

某煉化企業(yè)連續(xù)重整裝置是主要生產(chǎn)裝置，處理能力為150×104t/a，采用UOP 第3 代超低壓連續(xù)重整反應(yīng)與再生工藝技術(shù)。在連續(xù)重整裝置中，產(chǎn)氫增壓壓縮機(jī)K-202 的控制系統(tǒng)采用“3 分程”控制方式來(lái)控制重整產(chǎn)物分離罐D(zhuǎn)-201 的壓力，即D-201 壓控的0～33.3%輸出信號(hào)控制K-202的1 級(jí)防喘振閥開(kāi)度，33.4%～66.6%控制K-202 的轉(zhuǎn)速，66.7%～100%控制1 級(jí)分液罐D(zhuǎn)-202 頂放空閥的開(kāi)度?？刂葡到y(tǒng)的目的在于實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)行的全面監(jiān)控、聯(lián)鎖保護(hù)和ESD 緊急安全聯(lián)鎖功能［1］。系統(tǒng)投用后，由于K-202轉(zhuǎn)速的測(cè)量靈敏度差，安全裕度過(guò)大，1 方面導(dǎo)致K-202 轉(zhuǎn)速無(wú)法自動(dòng)控制，常處于手動(dòng)狀態(tài)，影響裝置的平穩(wěn)運(yùn)行；另1 方面導(dǎo)致K-202 防喘振閥處于常開(kāi)狀態(tài)并且開(kāi)度過(guò)大，壓縮機(jī)的能耗過(guò)高。

國(guó)內(nèi)某聚丙烯裝置的透平壓縮機(jī)組也曾遇到過(guò)類(lèi)似的問(wèn)題：壓縮機(jī)入口壓力自動(dòng)控制回路不能投用；防喘振閥無(wú)法完全關(guān)閉，開(kāi)度較大，造成壓縮機(jī)的運(yùn)行能耗高等等。后進(jìn)行實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試喘振線(xiàn)，并且實(shí)施解耦控制等方法解決了問(wèn)題［2］。

針對(duì)K-202 運(yùn)行問(wèn)題進(jìn)行分析，借鑒其它裝置的優(yōu)化改造經(jīng)驗(yàn)，利用裝置大檢修期間對(duì)K-202進(jìn)行了應(yīng)用3C控制系統(tǒng)的改造。

1 流程簡(jiǎn)述

裝置的氫氣系統(tǒng)設(shè)置2 臺(tái)壓縮機(jī)組，除K-202外，還有1 臺(tái)循環(huán)氫壓縮機(jī)K-201。基本流程為，原料進(jìn)行重整反應(yīng)后生成的油氣混合物在D-201內(nèi)分液后，頂部富氫氣體大部分經(jīng)K-201 循環(huán)返回至反應(yīng)系統(tǒng)，少部分送至增壓機(jī)K-202 進(jìn)行1、2級(jí)壓縮，再經(jīng)脫氯后進(jìn)氫氣管網(wǎng)。

2 工藝控制要求

由工藝角度考慮，D-201壓力關(guān)系到重整反應(yīng)系統(tǒng)的壓力，所以必須保持穩(wěn)定，外送氫氣量不能有大幅度波動(dòng)。

重整產(chǎn)氫量主要與原料油處理量和性質(zhì)、反應(yīng)苛刻度以及催化劑性能等因素有關(guān)。在正常生產(chǎn)過(guò)程中，原料油性質(zhì)和催化劑性能變化很小，可忽略不計(jì)。因此當(dāng)處理量及苛刻度一定，并且短時(shí)間內(nèi)的催化劑性質(zhì)視作不變，則產(chǎn)氫量可以認(rèn)為是1 個(gè)定值（裝置富氫氣體產(chǎn)量約為600 Nm3/t精制油）。重整裝置的處理量及苛刻度需根據(jù)全廠(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)度，因此不能作為調(diào)節(jié)手段，D-201的壓力只能通過(guò)調(diào)整K-202的排氣量來(lái)調(diào)節(jié)，也就是通過(guò)調(diào)整K-202 的轉(zhuǎn)速或其各級(jí)出入口防喘閥使其排氣量等于重整產(chǎn)氫量。

由于K-201、K-202 都是離心式壓縮機(jī)，都必須避開(kāi)喘振工況。喘振是離心式壓縮機(jī)特有的現(xiàn)象，與壓縮機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)、壓縮氣體的性質(zhì)以及具體工況等條件有關(guān)。其它條件固定不變的情況下，壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)存在1 個(gè)最低入口流量，也就是喘振流量，當(dāng)壓縮機(jī)的入口流量比喘振流量低時(shí)，壓縮機(jī)就會(huì)產(chǎn)生喘振現(xiàn)象［3，4］。

為防止喘振，就需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)控制系統(tǒng)，目前普遍的做法是在壓縮機(jī)的各級(jí)出入口之間的跨線(xiàn)上設(shè)置防喘振控制閥，當(dāng)壓縮機(jī)入口流量比喘振流量低時(shí)，防喘振閥自動(dòng)打開(kāi)，從而提高壓縮機(jī)的入口流量，使之高于喘振流量，從而使壓縮機(jī)脫離喘振工況［5］。由于K-201 的出口氣體部分進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)并隨反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入D-201 從而返回至入口，其流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出K-201 的喘振流量，所以不需要防喘振控制系統(tǒng)。但是K-202 無(wú)返回入口的氣體流程，所以在其1、2級(jí)出入之間均設(shè)置了防喘振控制閥。綜上所述，K-202 的1、2 級(jí)入口流量需同時(shí)大于或等于重整產(chǎn)氫量和喘振流量才能滿(mǎn)足工藝和機(jī)組安全運(yùn)行要求。

3 改造前控制方案

3.1 改造前防喘振控制方案

初始設(shè)計(jì)的K-202 的防喘振控制方案為：當(dāng)K-202 的1、2 級(jí)入口流量比喘振流量低時(shí)，防喘振控制器會(huì)在自動(dòng)控制下將防喘控制閥打開(kāi)，將部分出口氣返回至入口以提高入口流量使之大于喘振流量；當(dāng)K-202的1、2級(jí)入口流量大于喘振流量時(shí)，在保證機(jī)組入口流量大于喘振流量的情況下將防喘閥慢慢關(guān)閉直至完全關(guān)閉。

根據(jù)K-202 的初始設(shè)計(jì)參數(shù)以及正常運(yùn)行的操作數(shù)據(jù)，其1級(jí)入口喘振流量約為9×104Nm3/h，2級(jí)入口喘振流量約為7.5×104Nm3/h。由前所述，K-202 的壓縮氣量需同時(shí)大于或等于重整產(chǎn)氫量和喘振流量才能滿(mǎn)足工藝和機(jī)組安全運(yùn)行的要求，假定本裝置含氫氣體產(chǎn)量恒定為600 Nm3/噸精制油，則僅當(dāng)重整進(jìn)料量高于150 t/h（裝置設(shè)計(jì)負(fù)荷的84%）時(shí)，重整產(chǎn)氫量才能高于9×104Nm3/h，這時(shí)1級(jí)防喘振閥理論上才可能全部關(guān)閉，因此如果裝置處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，防喘閥開(kāi)度較大會(huì)造成較大的能量損失。

3.2 改造前壓力控制方案

反應(yīng)系統(tǒng)使用的初始?jí)毫刂品桨笧椤? 分程”壓力控制方案，原理為：D-201壓力控制器輸出信號(hào)處于33.3%～66.6%之間時(shí), 控制K-202 的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)K-202輸送至管網(wǎng)的氣量來(lái)調(diào)節(jié)D-201壓力；當(dāng)壓控輸出信號(hào)降至33.3%時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降至最低，無(wú)法繼續(xù)通過(guò)降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低輸送氣量。如果此時(shí)D-201 壓力繼續(xù)降低，即壓力控制器輸出信號(hào)在0～33.3%時(shí)，需要和1 級(jí)防喘振控制器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)高選后來(lái)控制1 級(jí)防喘振閥的開(kāi)度，通過(guò)調(diào)整壓縮機(jī)1級(jí)返回量減少輸送至管網(wǎng)的氣量從而保證D-201壓力穩(wěn)定，同時(shí)保證1級(jí)排氣量大于或等于喘振流量。此時(shí)經(jīng)過(guò)1 級(jí)增壓的氣體直接降壓返回入口，使壓縮能耗上升，防喘閥開(kāi)度越大，能量損失越大；當(dāng)壓控輸出信號(hào)升至66.6%時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升至最高，無(wú)法再提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速以提高輸送氣量，如果此時(shí)D-201 壓力仍在升高，即壓控輸出信號(hào)在66.6%～100%時(shí)，此時(shí)只能通過(guò)開(kāi)大D-202 頂放火炬閥將部分產(chǎn)氫放空從而保證D-201 壓力穩(wěn)定，因?yàn)榇蜷_(kāi)放空閥將氫氣排放至火炬造成大量氫氣浪費(fèi)，屬于事故狀態(tài)，正常生產(chǎn)不允許該閥打開(kāi)，即不允許壓控輸出信號(hào)處于66.6%～100%之間。

3.3 改造前控制方案存在問(wèn)題

裝置首次開(kāi)工期間投用此控制系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)存在很大風(fēng)險(xiǎn)，因此實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中K-202 轉(zhuǎn)速始終處于手動(dòng)控制狀態(tài)，這不僅導(dǎo)致了操作困難，還導(dǎo)致了D-201 壓控輸出信號(hào)處于33.3%～66.6%不能自動(dòng)調(diào)節(jié)K-202轉(zhuǎn)速，從而失去了調(diào)節(jié)作用，而處于66.6%～100%之間又屬于事故狀態(tài)，因此實(shí)際生產(chǎn)中D-201 壓控輸出信號(hào)只能維持在0～33.3%之間，自動(dòng)控制1 級(jí)防喘振閥開(kāi)度從而控制D-201壓力。

此時(shí)1級(jí)防喘振閥既作為防喘閥，又作為壓控閥，造成工藝控制與防喘振控制界限不清，互相干擾，無(wú)法有效調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。1 級(jí)防喘閥有開(kāi)度會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)能耗增加。實(shí)際工況下，只能依據(jù)實(shí)際工況手動(dòng)輸入數(shù)值來(lái)調(diào)節(jié)K-202 轉(zhuǎn)速。但由于初始設(shè)計(jì)的喘振控制計(jì)算方法不精準(zhǔn)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)波動(dòng)就會(huì)使K-202 容易進(jìn)入喘振工況，同時(shí)喘振控制又不能做到有效調(diào)節(jié)，從而會(huì)引起D-201的壓力波動(dòng)，而D-201的壓力波動(dòng)又會(huì)影響到K-202 的運(yùn)行狀態(tài)，從而形成了惡性循環(huán)。因此通常維持壓力控制器輸出在31%左右，此時(shí)1級(jí)防喘閥開(kāi)度在7%左右。

綜上所述，從裝置首次開(kāi)工至大檢修前的運(yùn)行情況看，原壓力控制系統(tǒng)存在5個(gè)問(wèn)題。

（1）1、2 級(jí)防喘振控制算法不精準(zhǔn)，防喘振閥開(kāi)度大（正常運(yùn)行約在7%左右），導(dǎo)致壓縮機(jī)的能耗過(guò)高；（2）K-202 轉(zhuǎn)速控制常處于手動(dòng)狀態(tài)，控制效果差；（3）因防喘振控制算法不精準(zhǔn)，K-202運(yùn)行進(jìn)入喘振區(qū)域時(shí)，會(huì)引起D-201 的壓力波動(dòng)，并形成惡性循環(huán)；（4）工藝控制與防喘振控制之間界限不清晰，互相干擾，無(wú)法有效調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；（5）1、2級(jí)喘振控制之間缺乏解耦協(xié)調(diào)，也容易造成系統(tǒng)整體的不穩(wěn)定。

4 改造后控制方案

4.1 改造后防喘振控制方案

應(yīng)用3C 控制系統(tǒng)對(duì)K-202 改造后，機(jī)組的防喘振控制方案依然是定流量控制，但K-202的1級(jí)防喘振閥設(shè)置為單回路控制，即只受1級(jí)防喘振控制器控制，不再受D-201 壓力控制器的影響。另外在大檢修后對(duì)K-202 機(jī)組進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)喘振測(cè)試，重新設(shè)定安全裕度并繪制了喘振曲線(xiàn)。結(jié)果表明，正常狀態(tài)下，K-202 的1、2 級(jí)喘振流量約6.5×104Nm3/h，即當(dāng)裝置處理量高于108 t/h（裝置設(shè)計(jì)負(fù)荷的60%）時(shí)，產(chǎn)氫量高于6.5×104Nm3/h，1級(jí)防喘振閥即可全部關(guān)閉，使壓縮機(jī)運(yùn)行高效運(yùn)行區(qū)域大大擴(kuò)寬，更有利壓縮機(jī)的節(jié)能調(diào)節(jié)。

4.2 改造后壓力控制方案

應(yīng)用3C 控制系統(tǒng)對(duì)K-202 改造后，取消原入口壓力“3 分程”控制，增設(shè)CCC S5 Vanguard 控制系統(tǒng)，采用“D-201 壓力—D-202 壓力—K-202 轉(zhuǎn)速”的多串級(jí)控制方案，也就是用K-202 轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)氫氣的外送量，從而達(dá)到控制D-201 壓力的作用。同時(shí)增設(shè)超馳控制（POC），其功能是當(dāng)D-202壓力突然上升超過(guò)設(shè)定值時(shí)，POC 響應(yīng)觸發(fā)打開(kāi)D-202頂壓力放空閥泄壓，以維持生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 改造后控制系統(tǒng)運(yùn)行情況

改造后，反應(yīng)系統(tǒng)壓力控制平穩(wěn)，壓縮機(jī)各參數(shù)運(yùn)行正常。同時(shí)，K-202 實(shí)際運(yùn)行中1 級(jí)防喘振閥可完全關(guān)閉（改造前開(kāi)度約7%），從而杜絕了過(guò)度回流，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。將改造后K-202的運(yùn)行數(shù)據(jù)與改造前進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)產(chǎn)氫量相同時(shí)，3.5 MPa蒸汽耗量減少約5～10 t/h，節(jié)能效果顯著。

減少3.5 MPa 蒸汽耗量的同時(shí)，K-202 背壓產(chǎn)生的1.0 MPa 蒸汽也減少同樣的量。以3.5 MPa 蒸汽平均節(jié)約8 t/h、3.5 MPa 蒸汽150 元/t、1.0 MPa 蒸汽85 元/t，裝置設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間8 400 h/a 來(lái)計(jì)算，僅節(jié)約蒸汽的成本約為：

應(yīng)用3C改造總費(fèi)用為400×104元，僅1 a時(shí)間將投資收回后，增加裝置效益約436.8×104元/a。

5 結(jié)束語(yǔ)

連續(xù)重整裝置反應(yīng)壓力的控制非常重要，裝置首次開(kāi)工采用的控制系統(tǒng)存在喘振控制計(jì)算不準(zhǔn)確、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)法自動(dòng)控制及性能控制與防喘振控制耦合性很強(qiáng)等問(wèn)題，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)反應(yīng)系統(tǒng)壓力波動(dòng)及壓縮機(jī)運(yùn)行能耗高等問(wèn)題。裝置利用停工檢修期間應(yīng)用3C 控制系統(tǒng)對(duì)增壓機(jī)K-202 控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，改造后反應(yīng)系統(tǒng)壓力控制穩(wěn)定，同時(shí)壓縮機(jī)的運(yùn)行能耗大幅降低，平均節(jié)約蒸汽5～10 t/h，節(jié)能效果顯著。