大型催化裝置主風(fēng)機(jī)組關(guān)鍵控制方案優(yōu)化原理介紹

劉光輝，趙君昌，李培德，鄒立久

（浙江石油化工有限公司， 浙江 舟山 316200）

浙江石化450萬噸/年催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)組為陜鼓根據(jù)中石化洛陽工程有限公司提供的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)制造。主風(fēng)機(jī)組采用“三機(jī)組”配置：AV90-13軸流壓縮機(jī)、YL33000C煙氣輪機(jī)、YCH1120-4電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，主風(fēng)機(jī)額定軸功率為38529kW，排氣壓力為0.485MPa（A）。主風(fēng)機(jī)組控制系統(tǒng)在保證機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)，還要滿足工藝所需的主風(fēng)量、再生壓力、兩器差壓的調(diào)節(jié)，其方案是否合理可靠決定了催化裂化裝置能否平穩(wěn)運(yùn)行。

1 主風(fēng)機(jī)組控制方案的組成

傳統(tǒng)的主風(fēng)機(jī)組控制方案主要包括：能量回收控制系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)油泵自啟動(dòng)控制、主風(fēng)機(jī)防喘振系統(tǒng)控制、安全運(yùn)行及逆流保護(hù)控制、緊急停車保護(hù)系統(tǒng)等。本裝置在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中優(yōu)化和增加了能量回收控制系統(tǒng)、頂升油泵啟?？刂?、盤車器啟停控制、主電機(jī)功率控制、主備機(jī)自動(dòng)切換程序等。

2 主風(fēng)機(jī)組關(guān)鍵控制方案原理

2.1 油泵及盤車器控制方案說明

正常情況下，開啟潤(rùn)滑油泵，當(dāng)潤(rùn)滑油壓力正常時(shí)，開啟主風(fēng)機(jī)和電機(jī)頂升油泵，當(dāng)確認(rèn)轉(zhuǎn)子被頂升后，給出盤車器允許啟動(dòng)信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)盤車電機(jī)對(duì)機(jī)組進(jìn)行盤車運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)該控制程序進(jìn)行了優(yōu)化，增加了當(dāng)潤(rùn)滑油壓力低于0.25MPa時(shí)停頂升油泵及盤車器的邏輯。因新裝置安裝調(diào)試及聯(lián)鎖試驗(yàn)時(shí)極易出現(xiàn)誤操作，對(duì)該程序優(yōu)化后，可以有效杜絕現(xiàn)場(chǎng)誤操作引起的潤(rùn)滑油壓力低或中斷造成的高壓柱塞泵、盤車電機(jī)等設(shè)備損壞。

2.2 啟機(jī)程序控制方案說明

該機(jī)組正常啟動(dòng)方式是利用再生高溫?zé)煔鈮毫δ芎挽式底龉?，電機(jī)不能直接啟動(dòng)整個(gè)機(jī)組。在新裝置機(jī)組安裝完成后，機(jī)組需檢查驗(yàn)證機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)及主風(fēng)機(jī)喘振曲線測(cè)試，為降低機(jī)組在試車過程中對(duì)工藝生產(chǎn)造成的波動(dòng)，故采用了提前試車，利用兩器烘襯高溫?zé)犸L(fēng)沖轉(zhuǎn)機(jī)組至額定轉(zhuǎn)速的95%后，電機(jī)合閘并網(wǎng)。許多裝置在裝置選型過程中，電機(jī)采用變頻軟啟動(dòng)模式，可以輕松啟動(dòng)機(jī)組。

本套主風(fēng)機(jī)組未配置變頻器，利用烘襯高溫?zé)犸L(fēng)沖轉(zhuǎn)難以達(dá)到電機(jī)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速。本裝置在煙機(jī)與主風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器上設(shè)置了扭矩儀，通過扭矩儀可以直觀地顯示煙機(jī)做功功率，還需多少能量，進(jìn)而反推再生器所需的風(fēng)量和壓力，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。最終，將一再輔助燃燒室點(diǎn)火升溫，提高備機(jī)負(fù)荷，提高熱風(fēng)溫度等工藝優(yōu)化，再利用機(jī)組軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的特性，提前將電機(jī)啟動(dòng)條件滿足，快速開大煙機(jī)蝶閥讓機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，瞬間合閘，可以實(shí)現(xiàn)在無變頻軟啟動(dòng)的條件下讓電機(jī)并網(wǎng)，同時(shí)也驗(yàn)證了扭矩儀功率監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。此方法不僅減少了投資成本，而且還降低了正常進(jìn)料后進(jìn)行試車的停工風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 能量回收控制系統(tǒng)方案說明

傳統(tǒng)再生器壓力控制，采用的是雙動(dòng)滑閥與煙機(jī)入口蝶閥兩分程控制。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，煙機(jī)入口調(diào)節(jié)蝶閥投手動(dòng)控制，再生器壓力為雙動(dòng)滑閥單回路控制，如圖1。

本裝置采用的是控制兩器差壓來間接控制再生器壓力，兩器差壓為定值控制，再生器壓力隨反應(yīng)波動(dòng)而動(dòng)。兩器差壓由大、小旁路和煙機(jī)入口調(diào)節(jié)蝶閥進(jìn)行三分程控制，分程比例根據(jù)各蝶閥流量性能曲線而定。在調(diào)節(jié)再生器壓力的同時(shí)，兼顧了機(jī)組轉(zhuǎn)速控制、蝶閥突然關(guān)閉后再生壓力突升等異常情況的控制，如圖2，此控制方案既保證了工藝參數(shù)的穩(wěn)定性，又保證了機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性。

圖1

圖2

正常情況下，兩器差壓控制器PDIC01041、再生器壓力控制器PIC10134與大小蝶閥手操控制器高選后分別作用于大、小旁路蝶閥。煙機(jī)入口調(diào)節(jié)蝶閥由蝶閥手操控制器、兩器差壓控制器、轉(zhuǎn)速控制器SIC41131低選后輸出控制。根據(jù)實(shí)際情況，兩器差壓存在一個(gè)正常的浮動(dòng)值，可根據(jù)歷史趨勢(shì)進(jìn)行確認(rèn)?？刂破髟谡ㄔO(shè)置時(shí)，應(yīng)適當(dāng)放寬調(diào)節(jié)死區(qū)，若不調(diào)節(jié)死區(qū)，會(huì)造成蝶閥為保證兩器差壓而快速頻繁動(dòng)作，進(jìn)而影響蝶閥使用壽命；如果適當(dāng)放寬調(diào)節(jié)死區(qū)可降低旁路蝶閥調(diào)節(jié)頻率，既保證了蝶閥使用壽命又穩(wěn)定了兩器差壓。如圖3。

圖3 調(diào)整前后對(duì)比圖

(a)再生器壓力控制器PIC01034

在再生器壓力高于設(shè)定值0.315MPa時(shí)，再生器壓力控制器PIC01034接管控制打開煙機(jī)大、小旁路蝶閥，為了使PIC01034能夠及時(shí)地接管控制，使其輸出下限設(shè)定為PDV01041A、PDV01041B當(dāng)前輸出值減一定偏差的值。當(dāng)再生器出口壓力大于設(shè)定值的0.315MPa時(shí)，使PIC01034從PDIC01041當(dāng)前輸出值減一定偏差開始增加，而不是從0%開始增加。再生器出口壓力PIC01034控制器始終參與高選控制煙機(jī)PDV01041A大旁通閥和PDV01041B小旁通閥。

(b)轉(zhuǎn)速SIC41131控制器

當(dāng)電機(jī)/發(fā)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機(jī)脫網(wǎng)會(huì)使機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的3784rpm（額定轉(zhuǎn)速的102%）時(shí)，轉(zhuǎn)速控制器SIC41131接管控制關(guān)小煙機(jī)入口蝶閥。為了使SIC41131能夠及時(shí)地接管控制，使其輸出上限設(shè)定為蝶閥低選輸出值再加不定的閥位值。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的3784rpm時(shí)，SIC41131從PDV01041C當(dāng)前輸出值加一定偏差值開始減少，而不是從100%開始減少。

(c)蝶閥突關(guān)實(shí)時(shí)計(jì)算控制器

當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行期間，煙機(jī)入口兩道蝶閥中任意一道蝶閥閥位從＞2.5%關(guān)至≤2%，時(shí)且時(shí)間≤2s時(shí)，大、小旁路蝶閥會(huì)瞬間開至計(jì)算位置，從而保證再生器壓力穩(wěn)定。

2.4 主風(fēng)機(jī)靜葉控制方案說明

正常調(diào)節(jié)時(shí)，操作人員根據(jù)工藝情況直接手動(dòng)控制靜葉控制器進(jìn)行開關(guān)調(diào)節(jié)。當(dāng)事故狀態(tài)時(shí)，如煙機(jī)蝶閥突然關(guān)閉，電機(jī)負(fù)荷驟升，造成電機(jī)過載跳閘停車事故，而引發(fā)裝置大面積停工。本控制方案增加了電機(jī)功率控制器，當(dāng)電機(jī)功率上升到設(shè)定值時(shí)，功率控制器與靜葉手操控制器進(jìn)行低選后，控制靜葉關(guān)小角度，為裝置操作員應(yīng)急處理贏得時(shí)間，可以最大限度地保證裝置平穩(wěn)運(yùn)行，不啟動(dòng)主風(fēng)自保，以減少停工損失。

電機(jī)功率控制器不需要任何操作，當(dāng)電機(jī)功率大于22000kW時(shí)，功率控制器接管控制關(guān)小主風(fēng)機(jī)靜葉。為了使電機(jī)功率控制器能夠及時(shí)地接管控制，使其輸出上限設(shè)定為主風(fēng)機(jī)靜葉當(dāng)前輸出值加一定的值。當(dāng)電機(jī)功率大于22000kW時(shí)，電機(jī)功率控制器從主風(fēng)機(jī)靜葉當(dāng)前輸出值加一定值開始減少，而不是從100%開始減少，這樣可以保證調(diào)節(jié)的時(shí)效性。

2.5 防喘振控制與阻塞控制方案說明

為保護(hù)機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行，壓縮機(jī)在單試合格后需進(jìn)行喘振性能測(cè)試。由于喘振性能試驗(yàn)是壓縮機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行的過程，也是對(duì)機(jī)組、電氣、自控及安裝管路等整個(gè)系統(tǒng)的考驗(yàn)，危險(xiǎn)性大，在測(cè)試之前，應(yīng)做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作以保證機(jī)組絕對(duì)安全。測(cè)試的主要方法如下：

(a)在現(xiàn)場(chǎng)主風(fēng)機(jī)出口安裝精密表，安裝控制開關(guān)直接控制出口放空閥；

(b)操作人員分別在靜葉角度為32°、42°、42°、52°工況下進(jìn)行緩慢憋壓操作，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)喘振現(xiàn)象的臨界狀態(tài)時(shí)，應(yīng)立即全開放空閥消除喘振；

(c)按照實(shí)際測(cè)試點(diǎn)的喘振壓力、喉差設(shè)置實(shí)際喘振線；根據(jù)實(shí)際測(cè)試點(diǎn)的喘振壓力、喉差數(shù)值，一般參考按照5～10%的下浮設(shè)定對(duì)應(yīng)點(diǎn)的喘振調(diào)節(jié)壓力、喉差，連接各點(diǎn)形成防喘振線；

阻塞工況是最大流量工況的一種情況，與軸流壓縮機(jī)喘振時(shí)的最小流量相對(duì)應(yīng)，在它們之間就是軸流壓縮機(jī)的正常工作流量范圍。阻塞工況的出現(xiàn)，使流道有效流通面積減少，引起葉柵內(nèi)氣流紊亂，葉片兩側(cè)壓差出現(xiàn)不均衡的改變，造成葉片顫振，形成疲勞斷裂。為保證葉片壽命，在生產(chǎn)過程中，要求主風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)不允許長(zhǎng)時(shí)間在阻塞線以下運(yùn)行。

2.6 主備機(jī)全自動(dòng)切換控制方案說明

在傳統(tǒng)機(jī)組控制中，主備機(jī)切換都是多人在現(xiàn)場(chǎng)與操作室配合操作，此操作既危險(xiǎn)繁瑣、耗費(fèi)精力，又不能保證生產(chǎn)的高效率和可靠性。本裝置對(duì)主備機(jī)全自動(dòng)切換進(jìn)行了攻關(guān)與創(chuàng)新，經(jīng)過多次調(diào)試修正、完善方案，最終實(shí)現(xiàn)了主備機(jī)全自動(dòng)切換控制，在國(guó)內(nèi)同類裝置尚屬首次。整個(gè)切換過程時(shí)間≯10min，總管流量波動(dòng)≯50Nm3/min，主風(fēng)總管壓力波動(dòng)≯3kPa。以主機(jī)切入系統(tǒng)，備機(jī)切除系統(tǒng)為例，原理及主要步驟如下：

(1)首先把備風(fēng)機(jī)組投入性能控制，選擇流量?jī)?yōu)先控制；

(2)然后把主風(fēng)機(jī)組投入性能控制，選擇壓力優(yōu)先控制；

(3)投入主機(jī)切入系統(tǒng)功能，此時(shí)性能控制器首先把總管出口壓力切換為風(fēng)機(jī)出口壓力，然后主風(fēng)機(jī)組自動(dòng)把備風(fēng)機(jī)當(dāng)前的出口壓力加上偏差值及總管流量設(shè)定為目標(biāo)值；

(4)備風(fēng)機(jī)組性能控制器自動(dòng)切換為性能單獨(dú)控制防喘閥，靜葉暫時(shí)保持不變。備風(fēng)機(jī)組防喘閥自動(dòng)緩慢打開，當(dāng)檢測(cè)到總管流量超過設(shè)定的范圍（30Nm3/min）時(shí)，程序暫時(shí)停止關(guān)閉主風(fēng)機(jī)防喘振閥。而后備風(fēng)機(jī)組防喘閥開始打開，當(dāng)檢測(cè)到總管流量超過設(shè)定的范圍（30Nm3/min）時(shí)，程序暫時(shí)打開關(guān)閉備風(fēng)機(jī)防喘振閥；

(5)然后接著循環(huán)步驟4的過程，直到檢測(cè)到備風(fēng)機(jī)組出口壓力低于總管壓力15kPa時(shí)或者備風(fēng)機(jī)組放空閥全部打開；

(6)畫面自動(dòng)彈出主備機(jī)切機(jī)完成，操作員可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況將備風(fēng)機(jī)切至安全運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)語

由于對(duì)大機(jī)組控制方案進(jìn)行逐一分析，并結(jié)合試車、開車、正常調(diào)節(jié)等實(shí)際情況對(duì)控制方案進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，使機(jī)組控制更加安全平穩(wěn)，各工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)更加靈活準(zhǔn)確，同時(shí)還節(jié)約了投資成本，降低了人為誤操作的可能性，提高了機(jī)組安全運(yùn)行的自動(dòng)化程度和抗波動(dòng)能力。另外，主備機(jī)全自動(dòng)切換控制在國(guó)內(nèi)同類裝置屬于首次應(yīng)用，通過切換控制的實(shí)際效果看，本控制方案安全、平穩(wěn)、高效，值得同類裝置運(yùn)行時(shí)借鑒。

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