無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在連續(xù)重整裝置中的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

孫偉

摘 要：無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵，在于它與過程控制的有機(jī)結(jié)合。文章敘述無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在連續(xù)再接觸部分的應(yīng)用，著重介紹再接觸控制過程、無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及通過DCS組態(tài)在壓縮機(jī)K202A上實(shí)現(xiàn)無級(jí)氣量調(diào)節(jié)控制。

關(guān)鍵詞：超弛控制；負(fù)荷；分程點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）21-0101-03

1 概述

連續(xù)重整裝置是煉油系統(tǒng)二次加工的關(guān)鍵裝置，是清潔、高辛烷值汽油調(diào)和的重要組份，同時(shí)也是煉油加氫裝置氫氣的主要來源。增壓機(jī)作為連續(xù)重整的關(guān)鍵設(shè)備，其平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)煉油系統(tǒng)氫氣管網(wǎng)壓力的平衡至關(guān)重要。

該裝置連續(xù)重整工藝再接觸部分采用美國UOP公司第二代連續(xù)重整工藝技術(shù)，它的基本控制要求是：在保證重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的前提下向加氫裝置提供氫氣。其中三臺(tái)增壓機(jī)選用往復(fù)式壓縮機(jī)。原機(jī)組采用兩段式壓縮三返一回流控制，既級(jí)間回流調(diào)節(jié)。其壓縮機(jī)負(fù)荷采用0%、25%、50%、75%、100%手動(dòng)梯級(jí)控制。這種方式調(diào)節(jié)速度慢，系統(tǒng)壓力波動(dòng)大，耗費(fèi)大量能源，且無法實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際工況連續(xù)自動(dòng)加載、降載，不能避免開機(jī)時(shí)快速升壓和大比例回流等干擾因素對(duì)機(jī)組及系統(tǒng)壓力的沖擊，影響壓縮機(jī)機(jī)組和系統(tǒng)流程的穩(wěn)定。

2 超馳控制原理

重整再接觸部分采用美國UOP公司工藝技術(shù)，而重整產(chǎn)物分離罐壓力的恒定是整個(gè)重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力恒定的標(biāo)志。其控制過程較為復(fù)雜，采用分程+超馳控制，其目的是保證重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。它是通過氫氣增壓機(jī)K202A、B、C及控制重整再接觸部分的三個(gè)容器：重整產(chǎn)物分離器D201、1號(hào)再接觸罐D(zhuǎn)202（操作壓力0.75MPa）和2號(hào)再接觸罐D(zhuǎn)203（操作壓力1.98MPa）的壓力來實(shí)現(xiàn)的。在保證反應(yīng)系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的前提下，使物料與氫氣接觸，并根據(jù)氫氣管網(wǎng)的需求量平穩(wěn)的供氫。

2.1 超馳控制過程

在工藝正常工況下：由于壓縮機(jī)的排量大于重整反應(yīng)產(chǎn)氫量，因此PV2016C為關(guān)閉狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)，首先是在重整產(chǎn)物分離罐D(zhuǎn)201至2#再接觸罐D(zhuǎn)203之間，通過調(diào)節(jié)后一級(jí)高壓氫氣返回線調(diào)節(jié)閥，內(nèi)部互相調(diào)節(jié)和補(bǔ)償以維持系統(tǒng)壓力的平衡。工藝氫氣流則是由前向后逐級(jí)輸送，通過D204壓力，控制調(diào)節(jié)閥PV2042的開度向氫氣管網(wǎng)供氫。當(dāng)系統(tǒng)壓力異常超高，調(diào)節(jié)閥PV2042的開度已全開仍不能穩(wěn)定系統(tǒng)壓力時(shí)，工藝氫氣流將按以下壓力關(guān)聯(lián)回路逐級(jí)逆向排放。

PIC2042壓力異常超高，調(diào)節(jié)器輸出低信號(hào)至低信號(hào)選擇器PY2038B，增加PV2038開度，直至全開。

PIC2038壓力異常超高，調(diào)節(jié)器輸出低信號(hào)至低信號(hào)選擇器PY2016B，增加PV2016A開度，直至全開。

PIC2016壓力異常超高，打開PV2016C至一定開度。

再接觸部分的超馳控制原理圖如圖1所示。

2.2 DCS控制組態(tài)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

正常工況下，調(diào)節(jié)器PIC2016、PIC2038和PIC2042的輸出經(jīng)過低信號(hào)選擇器PY2016B和PY2038B選擇后，壓縮機(jī)一段回流閥PV2016A及二段回流閥PV2038分別由調(diào)節(jié)器PIC2016及PIC2038控制。根據(jù)管網(wǎng)氫氣的需求量，由調(diào)節(jié)器PIC2042控制調(diào)節(jié)閥PV2042向管網(wǎng)提供氫氣。其控制方案中的主要干擾因素是管網(wǎng)氫氣需求量的變小或重整產(chǎn)氫量的增大。

當(dāng)管網(wǎng)氫氣需求量的急劇減?。簩?dǎo)致2號(hào)再接觸罐D(zhuǎn)203的壓力增大且超出“安全軟限”既超壓，調(diào)節(jié)器PIC2042的輸出逐漸增大，大于50%并且與正常工況下的PIC2038的輸出比較，最終經(jīng)過PY2042C反向后被低信號(hào)選擇器PY2038B選擇，去控制調(diào)節(jié)閥PV2038，即由超弛控制使其壓力回到“安全軟限”之內(nèi)。待D203壓力恢復(fù)到“安全軟限”內(nèi)，超弛控制自動(dòng)退出并將控制權(quán)交給調(diào)節(jié)器PIC2038常規(guī)控制。

如果由于二段回流閥PV2038的打開繼續(xù)使1號(hào)再接觸罐D(zhuǎn)202的壓力升高且超出“安全軟限”既超壓，調(diào)節(jié)器PIC2038的輸出逐漸增大，大于50%并且與正常工況下的PIC2016的輸出比較，最終經(jīng)過PY2038D反向后被低信號(hào)選擇器PY2016B選擇，去控制調(diào)節(jié)閥PV2016A，即由超弛控制使其壓力回到“安全軟限”之內(nèi)。待D202壓力恢復(fù)到“安全軟限”內(nèi)，超弛控制自動(dòng)退出并將控制權(quán)交給調(diào)節(jié)器PIC2016常規(guī)控制。如果由于一段回流閥PV2016A的打開繼續(xù)使重整產(chǎn)物分離器D201的壓力升高且調(diào)節(jié)器PIC2016的輸出大于50%，此時(shí)由放空閥PV2016C逐漸放空。

當(dāng)重整產(chǎn)氫量增加，壓縮機(jī)負(fù)荷不足：導(dǎo)致重整產(chǎn)物分離器D201壓力增大，使調(diào)節(jié)器PIC2016輸出大于50%由放空閥PV2016C逐漸放空，而在50%以下則與調(diào)節(jié)器PIC2038的超弛控制部分PY2038D進(jìn)行低選作為判斷是否由超弛控制的依據(jù)，去控制一段回流閥PV2016A。由于壓縮機(jī)的壓縮比固定，導(dǎo)致1號(hào)再接觸罐D(zhuǎn)202的壓力升高，調(diào)節(jié)器PIC2038的輸出增大，使其輸出大于50%且與PIC2016的分程部分PY2016E進(jìn)行低信號(hào)選擇以決定是否由超弛控制D202的壓力。如果經(jīng)過壓縮機(jī)二段的壓縮繼續(xù)使D203的壓力增加則與D202的控制方式相同。

總之，當(dāng)整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)壓力高時(shí)，PV2016C打開部分氫氣放空，而當(dāng)整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)壓力低時(shí)，關(guān)小或關(guān)閉PV2042，減小或不向外送氫氣。而再接觸部分內(nèi)部則是依靠調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的回流量來控制級(jí)間壓力的。這對(duì)于壓縮機(jī)來說等于白白浪費(fèi)電能，且壓力不易控制，操作難度大。

3 無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 無極氣量調(diào)節(jié)的基本原理

它的主要工作原理是運(yùn)用了“回流省功”原理，由無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理壓縮機(jī)運(yùn)行過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將信號(hào)反饋至執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)電子模塊，通過液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)來即時(shí)控制往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)氣閥的開啟與關(guān)閉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量0-100%全行程范圍無級(jí)調(diào)節(jié)。通過進(jìn)氣閥的延遲關(guān)閉，使多余部分氣體未經(jīng)壓縮而重新返回到進(jìn)氣總管，壓縮循環(huán)中只壓縮了需要壓縮的氣量。該系統(tǒng)在最大限度節(jié)省能源的同時(shí)，還擁有較高的控制動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)不同的控制要求和設(shè)計(jì)，可精確控制各級(jí)的狀態(tài)參數(shù)，如壓力、流量、溫度等。

3.2 無級(jí)調(diào)量系統(tǒng)控制介入點(diǎn)的選擇

反應(yīng)系統(tǒng)壓力和再接觸部分壓力的穩(wěn)定與平衡最終是靠調(diào)節(jié)壓縮機(jī)一、二段回流閥的回流量實(shí)現(xiàn)的，兩個(gè)回流閥均為氣關(guān)閥。如果低信號(hào)選擇器的輸出增大則回流量減小，也就是說，需要增加壓縮機(jī)的負(fù)荷。反之，如果低信號(hào)選擇器的輸出減小則回流量增大，也就是說，需要減小壓縮機(jī)的負(fù)荷?；亓髁靠梢哉鎸?shí)體現(xiàn)壓縮機(jī)在此工況下所需實(shí)際負(fù)荷。因此，選擇兩個(gè)低信號(hào)選擇器PY2016B和PY2038B的輸出分別作為無級(jí)氣量調(diào)節(jié)控制的介入點(diǎn)，無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)通過即時(shí)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)一、二段負(fù)荷來穩(wěn)定一、二級(jí)的總?cè)肟趬毫Α?/p>

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

K202A作為常開機(jī)組，設(shè)計(jì)使用無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)0～100%的無級(jí)調(diào)節(jié)。另外兩臺(tái)機(jī)組互為備機(jī)，100%滿負(fù)荷運(yùn)行。無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的主控變量為K202機(jī)組的一級(jí)總?cè)肟趬毫Γ刂茐毫θ幼訢201分離罐，輔控變量為二級(jí)總?cè)肟趬毫Γ刂茐毫θ幼訢202接觸罐。主控變量通過分程+超馳控制影響輔控變量。無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)與現(xiàn)有的超馳控制系統(tǒng)互不干涉，在工藝系統(tǒng)波動(dòng)超過無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍時(shí)，超馳控制系統(tǒng)與無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)配合一起穩(wěn)定各級(jí)壓力。

根據(jù)工藝要求，原超馳控制與無極氣量調(diào)節(jié)控制應(yīng)互不干擾和藕合，它們共同完成控制任務(wù)。在工藝需要時(shí)，可以在原超弛控制和無極氣量調(diào)節(jié)控制之間切換。所謂超弛控制是指通過無極氣量調(diào)節(jié)控制手動(dòng)控制壓縮機(jī)負(fù)荷，由回流閥控制壓力。所謂無極氣量調(diào)節(jié)控制是指回流閥全關(guān)，無極氣量調(diào)節(jié)控制依據(jù)實(shí)際工況自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)負(fù)荷來控制壓力。

經(jīng)過計(jì)算，如果壓縮機(jī)負(fù)荷長期工作在30%以下將會(huì)使進(jìn)氣溫度升高，因而導(dǎo)致進(jìn)氣閥和排氣溫度升高。無極氣量調(diào)節(jié)控制建議溫升不應(yīng)超過10℃。因此，壓縮機(jī)負(fù)荷取30%做為超弛控制和無極氣量調(diào)節(jié)控制的分界點(diǎn)，如圖2所示。負(fù)荷在0～30%由原超馳控制，對(duì)應(yīng)回流閥0～100%的關(guān)度，此時(shí)無極氣量調(diào)節(jié)控制的負(fù)荷固定在30%。負(fù)荷在30～100%由無極氣量調(diào)節(jié)控制，此時(shí)回流閥為全關(guān)。完全利用其“回流省功”原理，根據(jù)實(shí)際工況（低信號(hào)選擇器的輸出）實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)負(fù)荷，以達(dá)到控制再接觸罐及系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。

超弛控制和無極氣量調(diào)節(jié)控制之間的切換，既手動(dòng)模式和自動(dòng)模式之間的切換，可以簡化為分程控制分程點(diǎn)在30%（無極氣量調(diào)節(jié)控制）～100%（超弛控制）的移動(dòng)過程。為了減少在切換過程中對(duì)系統(tǒng)壓力的擾動(dòng)，分程點(diǎn)是以2%/秒的速率移動(dòng)。另外，在手動(dòng)模式切換至自動(dòng)模式時(shí)，應(yīng)先手動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)負(fù)荷，使其與低信號(hào)選擇器的輸出基本一致時(shí)再切換至自動(dòng)模式，在控制方案中考慮到無極氣量調(diào)節(jié)控制自身（HU、CIU）故障發(fā)生時(shí)，無極氣量調(diào)節(jié)控制從控制系統(tǒng)中自動(dòng)退出，并把控制權(quán)交給原超弛控制。

控制方案在DCS操作站表示的手動(dòng)模式是指：分程點(diǎn)移至100%，壓縮機(jī)負(fù)荷被置為100%，原超弛控制信號(hào)（低選器的輸出）直接控制回流閥，操作員可在0～100%之間手動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)負(fù)荷。

控制方案在DCS操作站表示的自動(dòng)模式是指：分程點(diǎn)移至30%，如果低信號(hào)選擇器的輸出在30～100%范圍內(nèi)，回流閥全關(guān)，壓縮機(jī)跟據(jù)低信號(hào)選擇器的輸出自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷（最佳控制模式）；如果低信號(hào)選擇器的輸出在0～30%范圍內(nèi)，壓縮機(jī)負(fù)荷被固定置為30%，回流閥閥位對(duì)應(yīng)0～100%的關(guān)度?？刂葡到y(tǒng)手、自動(dòng)模式切換如圖3所示。

4 無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)控制功能要求

實(shí)現(xiàn)K202A壓縮機(jī)在0～100%負(fù)荷內(nèi)手動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)和30～100%負(fù)荷內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)且長期穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)壓縮機(jī)K202A/B/C一、二級(jí)總?cè)肟趬毫投?jí)總出口壓力進(jìn)行自動(dòng)控制，僅需輸入要求的壓力值，控制系統(tǒng)便自動(dòng)跟蹤并快速穩(wěn)定其壓力。

當(dāng)無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)自身故障時(shí)可自動(dòng)切除，壓縮機(jī)進(jìn)入100%負(fù)荷運(yùn)行，原超馳控制系統(tǒng)完全接手控制任務(wù)（與未上無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)之前的狀態(tài)完全一樣）。

能夠?qū)崿F(xiàn)K202A壓縮機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)、加載、切機(jī)、停機(jī)和重新投用。

根據(jù)工藝需要可實(shí)現(xiàn)無極氣量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的手動(dòng)切除，K202A壓縮機(jī)平穩(wěn)恢復(fù)到原超馳控制狀態(tài)。

實(shí)現(xiàn)無極氣量調(diào)節(jié)控制液壓油站HU和中間接口單元CIU故障聯(lián)鎖邏輯控制。

4.2 控制功能的實(shí)現(xiàn)

無極氣量調(diào)節(jié)控制本身不承擔(dān)任何控制任務(wù)。它本質(zhì)上是一個(gè)接受4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)的調(diào)節(jié)閥，可直接用裝置現(xiàn)有的DCS進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)控制功能的整體控制方案由DCS組態(tài)完成。壓縮機(jī)一、二段控制方案相同，以下主要介紹一段控制方案的實(shí)現(xiàn)。

由于控制方案較為復(fù)雜，因此采用DCS內(nèi)部多個(gè)計(jì)算模塊CLAC組合編程。圖4為控制系統(tǒng)DCS模塊組織結(jié)構(gòu)示意圖，其中虛線部分為原有模塊，細(xì)實(shí)線為模塊內(nèi)部控制信號(hào)，粗實(shí)線為連續(xù)量控制信號(hào)。

PY2016GA是主控模塊，其作用如下：

根據(jù)操作員操作手動(dòng)模式、自動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)分程點(diǎn)以2%/秒的速率在30～100%之間的移動(dòng)。

判斷無極氣量調(diào)節(jié)控制聯(lián)鎖邏輯K202ALS輸出狀態(tài)，置位分程點(diǎn)：當(dāng)狀態(tài)為1（正常）時(shí)，分程點(diǎn)不變化；當(dāng)狀態(tài)為0（故障）時(shí)，置分程點(diǎn)為100%。

當(dāng)分程點(diǎn)在移動(dòng)過程中無極氣量調(diào)節(jié)控制發(fā)生故障聯(lián)鎖時(shí)，置分程點(diǎn)為100%，并將移動(dòng)標(biāo)志復(fù)位。

輸出實(shí)時(shí)分程點(diǎn)。

PY2016GB是隨動(dòng)模塊，其作用一是根據(jù)PY2016GA輸出的實(shí)時(shí)分程點(diǎn)，判斷低信號(hào)選擇器PY2016B的輸出值。當(dāng)控制系統(tǒng)為自動(dòng)模式（分程點(diǎn)為30%）時(shí)，如果低信號(hào)選擇器PY2016B的輸出值為0～30%，PY2016GB將控制權(quán)交給回流閥PV2016A，通過運(yùn)算對(duì)應(yīng)0～100%的關(guān)度，并將壓縮機(jī)負(fù)荷置為30%；如果低信號(hào)選擇器PY2016B的輸出值為30～100%，回流閥PV2016A全關(guān)，低信號(hào)選擇器PY2016B的輸出通過開關(guān)模塊PY2016SWCH直接送至下游模塊UIC1701A作線性化處理后去控制壓縮機(jī)負(fù)荷，這是無極氣量調(diào)節(jié)控制控制的最佳模式（系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)速度快、穩(wěn)定并節(jié)省大量電能）。二是在分程點(diǎn)移動(dòng)過程中，PY2016GB根據(jù)分程點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置與低信號(hào)選擇器PY2016B的輸出進(jìn)行比較、判斷和跟隨計(jì)算，并將結(jié)果送給回流閥和無極氣量調(diào)節(jié)控制。

PY2016MA為控制系統(tǒng)手、自動(dòng)模式切換模塊。PY2016GE為控制系統(tǒng)在手動(dòng)模式時(shí)，壓縮機(jī)負(fù)荷0～100%的手動(dòng)輸入模塊，它的工作方式（手動(dòng)和自動(dòng)）由主控模塊PY2016GA控制；當(dāng)PY2016MA為自動(dòng)模式時(shí)，PY2016GE也為自動(dòng)方式，其輸入跟蹤PY2016GB至無極氣量調(diào)節(jié)控制的輸出值，并輸出至PY2016SWCH的第二個(gè)輸入端，等待控制系統(tǒng)切換至手動(dòng)模式時(shí)實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)；當(dāng)PY2016MA為手動(dòng)模式時(shí)，PY2016GE為手動(dòng)方式，操作員可在0～100%范圍內(nèi)手動(dòng)輸入壓縮機(jī)負(fù)荷。PY2016SWCH可簡化為“單刀雙擲”開關(guān)，動(dòng)作由PY2016GA控制。

K202ALS1、2、3使用計(jì)算模塊（CLAC）編程，其功能實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)啟動(dòng)邏輯、聯(lián)鎖邏輯和時(shí)序控制。首先液壓油站HU啟動(dòng)，待油壓建立后啟動(dòng)主電機(jī)，延時(shí)20秒待轉(zhuǎn)速正常后，等待手動(dòng)輸入壓縮機(jī)負(fù)荷值大于0%時(shí)，中間接口單元CIU ENABLE。此時(shí)，壓縮機(jī)負(fù)荷在0～30%范圍內(nèi)經(jīng)過線性器UIC1701A后均被置為40%的實(shí)際負(fù)荷。

此外，液壓油壓力低、HU和CIU故障等信號(hào)均參與聯(lián)鎖控制。有如下4種狀態(tài)：

（1）主電機(jī)運(yùn)行、油站停，壓縮機(jī)負(fù)荷為100%；（2）主電機(jī)停，壓縮機(jī)負(fù)荷0%；（3）主電機(jī)運(yùn)行、油站運(yùn)行，但CIU為DISABLE狀態(tài)，壓縮機(jī)負(fù)荷0%；（4）主電機(jī)運(yùn)行、油站運(yùn)行，CIU為ENABLE狀態(tài)，為控制系統(tǒng)控制壓縮機(jī)負(fù)荷0～100%，這是無極氣量調(diào)節(jié)控制的正常運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)束語

無極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投用極大地改善了壓縮機(jī)的可操作性，滿足復(fù)雜多變的工藝需求外，還能最大限度地節(jié)省能量。有效地降低了壓縮機(jī)機(jī)組級(jí)間冷卻器的負(fù)荷，也是現(xiàn)有超弛控制系統(tǒng)的有益補(bǔ)充。對(duì)同類裝置的應(yīng)用具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]《連續(xù)重整裝置工藝技術(shù)規(guī)程》內(nèi)部資料[S].1999.

[2]《I/A Series Electronic Documentation V8.2》FOXBORO英文資料[Z].2012.