CCC控制系統(tǒng)在重整裝置上的應(yīng)用

徐進濤

(中國石化上海石油化工股份有限公司公用事業(yè)部，上海 200540)

CCC控制系統(tǒng)在重整裝置上的應(yīng)用

徐進濤

(中國石化上海石油化工股份有限公司公用事業(yè)部，上海 200540)

介紹了某煉化企業(yè)2#重整裝置的概況，增壓機機組工藝流程概況、原增壓機機組控制方案及存在的問題，提出了解決方案及優(yōu)化整改措施。通過對2#重整增壓機機組控制系統(tǒng)進行改造，不僅讓壓縮機更安全地運行，減少了裝置生產(chǎn)波動，還帶來了明顯的經(jīng)濟效益。

機組控制系統(tǒng) 改造 安全 經(jīng)濟效益

某煉化企業(yè)2#重整裝置設(shè)計規(guī)模為1 Mt/a，年開工時間為8 400 h，采用美國環(huán)球油品公司(UOP)超低壓連續(xù)重整工藝技術(shù)及國產(chǎn)催化劑PS-VI，鉑重整再生部分由一套獨立于重整反應(yīng)工段但又與反應(yīng)工段密切相連的聯(lián)合設(shè)備組成，可保證鉑重整反應(yīng)器在最佳催化劑性能以及高苛刻度條件下長周期運行。重整裝置的產(chǎn)品為高辛烷值的重整汽油、C6餾分和重整氫。重整汽油做汽油調(diào)和組分，氫氣送氫氣管網(wǎng)，C6餾分送抽提裝置做原料，副產(chǎn)的液化石油氣送到液化氣裝置，另外戊烷油送出界區(qū)。

2#重整裝置的增壓機為沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司生產(chǎn)的離心式壓縮機，而驅(qū)動裝置采用杭州汽輪機股份有限公司生產(chǎn)的凝氣式汽輪機。每個機組的入口有氣液分離罐，實現(xiàn)氣液分離，防止液體進入壓縮機內(nèi)部導(dǎo)致壓縮機受損；出口有空冷器進行冷卻，通過控制中間冷卻器的溫度控制氫氣純度。為了提高氫氣壓力，需要3臺壓縮機(K202-1、K202-2、K202-3)串聯(lián)運行，串聯(lián)運行時，壓縮機之間容易相互影響，相互制約，操作和控制的難度相對加大。壓縮機的防喘振控制系統(tǒng)原來采用的是國內(nèi)某自動化公司自主開發(fā)的壓縮機綜合控制系統(tǒng)。裝置使用的壓縮機曲線是2#重整裝置首次開車時根據(jù)設(shè)計資料繪制的曲線，而機組生產(chǎn)廠家提供的預(yù)期性能曲線與壓縮機實際喘振線存在一定偏差，造成裝置在低負荷時產(chǎn)氫量小。由于性能曲線偏差會使防喘振閥開度加大，造成機組功率增加，蒸汽消耗較大。目前壓縮機喘振控制閥正常運轉(zhuǎn)時大約有20%的開度，造成較多的氫氣回流到壓縮機入口，壓縮機相當于做了較多的無用功。為了降低裝置能耗，對增壓機機組控制系統(tǒng)進行改造。

1 壓縮機機組工藝流程概況

2#重整裝置3臺氫氣增壓機分別為低壓缸壓縮機K202-1、中壓缸壓縮機K202-2、高壓缸壓縮機K202-3，其中K202-1由一臺汽輪機驅(qū)動，而K202-2與K202-3壓縮機合用一臺汽輪機，3臺壓縮機采用串聯(lián)方式進行工作。機組防喘振保護采用增加每臺壓縮機的出口回流至入口冷卻器前的回路管線，每個管線都裝有一臺防喘振閥。其中低壓缸壓縮機K202-1的防喘振閥為FV27401，而中壓缸壓縮機K202-2與高壓缸壓縮機K202-3共用一個防喘振閥FV28401，F(xiàn)V28401防喘振閥安裝在高壓缸壓縮機K202-3出口到中壓缸K202-2入口的回流管線上。低壓缸壓縮機K202-1入口分液罐有放火炬閥PV21301，壓力高時火炬閥打開以降低壓縮機入口壓力。

具體工藝流程是：氫氣經(jīng)過重整循環(huán)氫壓縮機K-201升壓后大部分返回重整反應(yīng)系統(tǒng)循環(huán)；另一小部分與來自催化劑再生部分的廢還原氣混合，首先經(jīng)過A201空冷冷卻，壓縮至一級分液罐D(zhuǎn)202進行氣液分離，分離后的氣體進入低壓缸段的重整氫增壓機K-202-1進行一級壓縮，經(jīng)重整氫增壓機一級出口水冷器E-203冷卻后與來自脫戊烷塔回流罐的氣體進行混合，一同進入增壓機二級入口分液罐D(zhuǎn)-203再進行氣液分離，分離后的氣體進入中壓缸段K202-2增壓機進行二級壓縮，經(jīng)增壓機二級出口水冷器E-204冷卻，在增壓機三級入口分液罐D(zhuǎn)-204進行氣液分離，分離后的氣體進入高壓缸段K202-3壓縮機進行三級壓縮。經(jīng)過三級壓縮的重整氫氣通過增壓機三級出口水冷器E-205后與來自重整產(chǎn)物分離罐D(zhuǎn)202的液相物料混合到再接觸頂冷器E206的殼程，混合物料與來自再接觸罐D(zhuǎn)205罐底的低溫液相料(走管程)進行熱交換后到再接觸冷凍器E207，接著去再接觸罐D(zhuǎn)205中進行氣液分離。D205罐頂?shù)玫捷^高純度的氫氣中一小部分送至催化劑再生部分，大部分氫氣送至可切換的重整氫脫氯罐D(zhuǎn)206A/B進行脫除氯化氫后，被送至氫氣管網(wǎng)。而重整氫增壓機K202-3三級入口分液罐D(zhuǎn)204的罐底液混合后作為脫戊烷塔進料的一部分。

2 機組運行時存在的問題

2.1壓縮機喘振線存在很大的優(yōu)化空間

壓縮機喘振線是壓縮機廠家根據(jù)壓縮機性能繪制的曲線，但是機組的喘振線會由于制造誤差和運行損耗偏離預(yù)期喘振線，運行條件與設(shè)計之間的變化也會導(dǎo)致喘振線偏離預(yù)期喘振線，致使機組工藝控制和防喘振控制產(chǎn)生偏差。同時裝置在新建時期由于各種原因沒有進行實際的壓縮機喘振測試，導(dǎo)致防喘振策略偏重保護而未考慮工藝節(jié)能的需求，防喘振閥開度有優(yōu)化的空間，因此現(xiàn)有操作模式有優(yōu)化節(jié)能的潛力。實際生產(chǎn)中壓縮機回流閥開度大，其中低壓缸壓縮機K202-1防喘振閥有10.1%左右開度，而中壓缸壓縮機K202-2防喘振閥有21%左右開度，高壓缸壓縮機K202-3防喘振閥有31%左右的開度，從而導(dǎo)致壓縮機運行的能耗過高。

2.2機組之間缺少協(xié)調(diào)控制

2#重整裝置壓縮機K202-1、K202-2、K202-3為串聯(lián)運行，最初控制系統(tǒng)廠家設(shè)計的時候基于各種原因只是考慮每個機組獨立控制，未考慮機組間負荷分配的解耦控制。系統(tǒng)投運后入口壓力控制及壓縮機組防喘振控制多為半自動操作，操作人員根據(jù)工況變化手動調(diào)節(jié)防喘振閥開度和機組轉(zhuǎn)速設(shè)定點，操作強度大。

2.3壓縮機防喘振控制效果差

防喘振控制不穩(wěn)定，抗干擾能力差，因此大部分時間將防喘振控制置于手動控制，這樣會影響裝置的平穩(wěn)運行，而且導(dǎo)致操作困難。

2.4機組開車期間氫氣并入管網(wǎng)的操作難度大

開機過程中靠手動關(guān)小防喘振閥開度將機組并入系統(tǒng)，操作難度大，并機時間長，造成大量氫氣放火炬。

3 解決方案及優(yōu)化措施

3.1新增S5Vanguard控制系統(tǒng)

新增一套美國壓縮機控制公司開發(fā)的S5 Vanguard控制系統(tǒng)，作為增壓機K202-1和K202-2的壓縮機綜合控制系統(tǒng)。新系統(tǒng)可以替代原有控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速、喘振和入口壓力控制功能，同時增加負荷分配控制功能、入口壓力超限控制以及喘振控制之間的協(xié)調(diào)解耦控制功能。原控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護、順序控制以及一般監(jiān)控功能保留。參與機組喘振控制、速度控制和壓力控制的信號由一進兩出信號分配器分一路接入S5 Vanguard系統(tǒng)，而原系統(tǒng)中相應(yīng)控制功能屏蔽。具體新增CCC控制系統(tǒng)硬件配置如表1所示。

表1 CCC控制系統(tǒng)配置

3.2壓縮機喘振線實際驗證

機組的喘振線會由于制造誤差和運行損耗偏離預(yù)期喘振線，運行條件與設(shè)計之間的變化也會偏離預(yù)期喘振線，致使機組工藝控制和防喘振控制產(chǎn)生偏差，通過喘振線驗證可以得到準確的喘振線，以確定工藝控制和防喘振控制限制值，為工藝控制優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。為了能夠得到機組的實際喘振線，在裝置大修停工前完成喘振線測試，為了確保對壓縮機、工藝影響降到最小，為此工藝、設(shè)備、儀表以及廠家一起探討，最終完成詳細的喘振測試和調(diào)試方案、工作危險性分析、應(yīng)急預(yù)案，最終在裝置停車前順利完成3臺壓縮機喘振線驗證。經(jīng)過喘振線驗證試驗后，確認在保證安全的前提下，可將原預(yù)期喘振線向左移動5%，作為新的機組喘振線，擴大了性能控制的范圍。

3.3采用CCC公司的防喘振控制策略

3.3.1 CCC公司防喘振控制原理

要想防止喘振的發(fā)生，就要知道壓縮機運行時其喘振點在哪里，才能確定合適的喘振控制裕度，再根據(jù)喘振發(fā)生的特點通過一些特定的控制響應(yīng)來防止喘振的發(fā)生，保證機組的安全穩(wěn)定運行。CCC控制系統(tǒng)主要通過以下幾方面來實現(xiàn)真正的防喘振控制：第一，選擇一種適合應(yīng)用函數(shù)計算出壓縮機操作點與喘振點間的距離；第二，根據(jù)喘振發(fā)生的特點，將閉環(huán)PI控制和各種開環(huán)控制相結(jié)合，實現(xiàn)防喘振控制；第三，CCC控制系統(tǒng)設(shè)置極限控制、解耦控制和各種后備功能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；第四，配備快速的測量和調(diào)節(jié)設(shè)備，提高防喘振控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度[1]。

具體CCC控制系統(tǒng)防喘振控制策略如圖1所示，整個控制策略中有5條控制線，從最右邊數(shù)起，第1條是緊密關(guān)閉線TSL，第2條是喘振控制線SCL，第3條是循環(huán)跳閘線RTL，第4條是喘振極限線SLL，第5條是安全保險線SOL。其中第4條喘振極限線SLL是CCC公司現(xiàn)場壓縮機根據(jù)實際喘振測試結(jié)果得到的；第2條喘振控制線SCL是在喘振極限線右邊設(shè)有一個可變的安全余量得到的；第3條循環(huán)跳閘線RTL位于喘振控制線SCL和喘振極限線SLL之間，如果操作點越過這個極限，循環(huán)跳閘響應(yīng)將快速地打開防喘振控制閥；第1條緊密關(guān)閉線TSL，它位于防喘振控制線SCL線的右邊，當操作點位于TSL右側(cè)后，防喘振閥應(yīng)該完全關(guān)死；第5條安全保險線SOL是一個操作極限，如果操作點越過這個極限，則表明壓縮機已經(jīng)正在發(fā)生喘振，安全保險響應(yīng)將增加喘振控制線的裕度，迅速制止喘振。

圖1 CCC公司的防喘振控制策略

3.3.2 CCC防喘振控制響應(yīng)具體策略

如果操作點在緊密關(guān)閉線TSL線的右邊，那么防喘振控制算法的TSL響應(yīng)將輸出100%的信號，關(guān)閉防喘振控制閥。

而對于緩慢的小擾動，使操作點進入喘振控制線SCL左邊的喘振控制區(qū)，CCC防喘振控制算法的PI控制算法，根據(jù)操作點與SCL之間的距離產(chǎn)生相應(yīng)的比例積分響應(yīng)，防止壓縮機操作點回到SCL左側(cè)的非安全控制區(qū)。

如果是一個較大較快的擾動，當比例積分響應(yīng)和特殊微分響應(yīng)不能使壓縮機操作點保持在SCL線的右邊，而是操作點瞬間越過了SCL左邊的RTL，則RTL響應(yīng)就會以快速重復(fù)的階躍響應(yīng)迅速打開防喘振閥，這樣就恰好可以增加足夠的流量來防止喘振。

如因意外情況(如組態(tài)錯誤、過程變化、特別嚴重的波動)使壓縮機操作點越過SLL線和SOL線而發(fā)生喘振，則安全保險響應(yīng)就會重新規(guī)定喘振控制裕度，使喘振控制線右移，增加SCL與SLL之間距離，在一個喘振周期內(nèi)將喘振止住。

如果機組實際發(fā)生了喘振，則喘振控制算法自動加大一個安全裕度B4，以防止喘振的再次發(fā)生，這一動作最多可以加大5次B4，并且可以手動或者自動復(fù)位。

3.4采用串聯(lián)機組負荷分配控制方案

在CCC系統(tǒng)中設(shè)置一個主壓力控制器PIC-21301A，控制壓縮機總的入口壓力或出口壓力，每臺壓縮機又設(shè)置各自的負荷分配控制器LSIC-01、LSIC-02，各自的喘振控制器FIC27401、FIC28401，以及汽輪機速度控制器SIC-01、SIC-02?？倝毫刂破鱌IC-21301A測量入口壓力，其輸出指揮協(xié)調(diào)兩臺壓縮機各自的負荷分配控制器來協(xié)調(diào)控制壓縮機的負荷，這一協(xié)調(diào)動作有兩個調(diào)節(jié)過程在同時進行：一是當入口壓力變化時，PIC-21301A的輸出指揮兩臺機組中的LSIC-01、LSIC-02去調(diào)節(jié)負載，其輸出作為速度控制的設(shè)定值，從而調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速升降，以維持總的入口壓力，這一過程叫負荷分配；二是PIC-21301A接收每臺機組的LSIC-01、LSIC-02傳來的由喘振控制器計算的壓縮機運行點S值(S1，S2)，并對其做加權(quán)平均處理，將這個平均值送回每個LSIC做為其設(shè)定值，而LSIC的測量值就是其喘振控制器計算的運行點S值，這樣當LSIC調(diào)節(jié)平衡后，兩臺機組的運行點S值相等，也就是S1=S2，即兩臺機組與喘振線的距離相等。這一調(diào)節(jié)過程叫負荷平衡。

3.5采用單臺壓縮機轉(zhuǎn)速與防喘振閥解耦控制方案

在一個類似重整增壓機的應(yīng)用中，有多個控制回路，如每臺機的喘振控制、入口壓力控制等，這些控制回路之間存在一定的互相干擾，如兩臺壓縮機的喘振控制之間，當高壓壓縮機防喘閥打開時，會使得低壓壓縮機出口壓力上升而促使其運行點向喘振方向移動，造成喘振。而低壓壓縮機防喘閥打開時，會使高壓縮機入口流量降低，其運行點也向喘振區(qū)域移動，進入更深的喘振區(qū)域，這樣的互相影響就是干擾。同樣，入口壓力控制在工藝要求下調(diào)低壓縮機轉(zhuǎn)速時，會使得壓縮機向喘振區(qū)域移動，從而影響喘振控制?？刂苹芈分g的互相干擾，最終會形成控制振蕩，使得壓縮機和工藝波動。CCC的解耦協(xié)調(diào)控制會消除這些控制上的相互干擾，使得工藝擾動快速穩(wěn)定下來。

3.6優(yōu)化現(xiàn)場變送器的阻尼時間

原來壓縮機入口流量、出口流量的變送器阻尼時間設(shè)置為1 s，在2014年7月大修期間，對壓縮機入口流量計、出口流量計的變送器阻尼時間修改為0.2 s，提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度，控制系統(tǒng)調(diào)整將更加迅速、及時。

4 優(yōu)化后的效果及經(jīng)濟效益

4.1防喘振閥控制更加精確、及時、安全

經(jīng)過喘振線驗證試驗后，在保證安全的前提下，可將原預(yù)期喘振線向左移動5%，作為新的機組喘振線，擴大了性能控制的范圍。在全自動控制下，機組工作點穩(wěn)定地運行在新的防喘振控制線附近，既保障了機組穩(wěn)定運行又使機組在低負荷時防喘振閥開度最小，實現(xiàn)了節(jié)能高效運行，而這在以往半自動控制模式下是無法實現(xiàn)的。

新的控制算法可以避免如K202-1喘振閥快速打開,造成壓縮機入口壓力高放火炬閥打開這樣的情況發(fā)生，避免機組控制造成生產(chǎn)事故。

4.2解耦控制提高單臺壓縮機的控制效率

本次優(yōu)化增加了機組轉(zhuǎn)速和防喘振閥解耦控制，使機組在低負荷時轉(zhuǎn)速和防喘振閥之間的高效調(diào)節(jié)，避免機組轉(zhuǎn)速過高產(chǎn)生的額外能耗，保障機組高效運行。

4.3串聯(lián)機組負荷分配控制投運效果明顯

負荷分配程序投用后，3臺機組之間的自動協(xié)調(diào)控制使機組的工藝參數(shù)平穩(wěn)。當出現(xiàn)裝置工藝變化時可減少壓縮機組運行的波動，可以減少機組對上、下游工藝的擾動，提高產(chǎn)品的收率和品質(zhì)，帶來更大的綜合效益，還可以避免工藝波動對其他裝置的干擾，同時也避免其他裝置波動帶來的損失，也間接帶來經(jīng)濟效益。避免壓縮機防喘振閥在工藝波動時不合理的打開，減少能耗和工藝穩(wěn)定帶來效益。通過將重整產(chǎn)物分離罐壓力控制穩(wěn)定，避免壓力波動對反應(yīng)的影響，提高了裝置的效率，最終帶來效益。重整產(chǎn)物分離罐壓力穩(wěn)定后，保障了壓縮機入口壓力穩(wěn)定，避免了壓縮機入口的放火炬閥在工藝波動時不合理的打開，減少物料損失，帶來可觀的經(jīng)濟效益。

同時控制程序全自動控制的投用，使機組的自動化控制水平提高，減少操作人員的操作頻次，節(jié)約操作時間，更好的保障裝置的操作平穩(wěn)，帶來潛在的效益[2]。

4.4經(jīng)濟效益

2#重整裝置增壓機機組控制系統(tǒng)改造后，壓縮機K202-1防喘振閥FV27401開度變化情況，壓縮機K202-2、K202-3防喘振閥FV28401開度變化情況具體見表2。

表2 優(yōu)化前后喘振閥開度變化情況 %

在裝置負荷都是119 t/h的情況下，經(jīng)過此次優(yōu)化后可以為裝置節(jié)約蒸汽4.95 t/h，具體的蒸汽用量對比數(shù)據(jù)見表3，則一年下來可以為裝置節(jié)約蒸汽4.95×24×365=43 362 t,3.5 MPa蒸汽按156.85元/t計算，相同的處理量下，在3.5 MPa蒸汽壓力和溫度變化不大的前提下，3臺串聯(lián)的機組運行一年產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為43 362 t×156.85元/t=680.13萬元。

表3 優(yōu)化前后蒸汽用量變化情況

5 結(jié)語

通過對2#重整增壓機機組控制系統(tǒng)進行改造，可以避免裝置出現(xiàn)工藝生產(chǎn)波動引起壓縮機組運行的波動，既而減少機組波動帶來機組上、下游裝置的波動，并提高產(chǎn)品的收率和品質(zhì)。控制程序全自動控制的投用，使機組的自動化控制水平提高，減少操作人員的操作頻次，減少操作時間，讓裝置操作更平穩(wěn)?？傊?，優(yōu)化后壓縮機機組運行地更加平穩(wěn)、智能、安全、可靠，而且還減少了裝置的能耗，帶來可觀的經(jīng)濟效益。

[1] 侯平.壓縮機的喘振與3C防喘振控制器的基本控制[J].石油化工自動化，2001，28(4)：28-31.

[2] 徐進濤.重整裝置增壓機機組控制方案優(yōu)化[J].石油化工技術(shù)與經(jīng)濟，2017，33(1)：35-37.

ApplicationofCCCControlSysteminReformingUnit

Xu Jintao

(PublicUtilitiesDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

The general situation of 2#reforming unit in a refining and refinery,as well as the technical process of the turbocharger unit,the control scheme of the original turbocharger unit and the existing problems were introduced,the solutions and optimization and rectification measures were put forward.The transformation of the 2#reforming supercharger unit control system,not only make the compressor run more safely,reduced the production fluctuations of plants,but also brought very significant economic benefits.

unit control system,transformation,safety,economic benefit

1674-1099 (2017)05-0050-05

TE967

A

2017 - 07 - 05。

徐進濤，男，1987年出生，2010年畢業(yè)于常州大學(xué)自動化專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，工程師，目前主要從事芳烴裝置儀表管理工作，已公開發(fā)表論文6篇。