IGCC公用工程島Cogen裝置主控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及研究

韓振

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

目前，中國(guó)已鄭重向國(guó)際社會(huì)承諾，力爭(zhēng)2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭(zhēng)取2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，這需要進(jìn)一步增強(qiáng)科技創(chuàng)新能力，不斷調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，加快產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，努力降低碳排放強(qiáng)度，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展向綠色低碳轉(zhuǎn)型。但基于中國(guó)的能源稟賦，以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法根本改變。在目前的技術(shù)水平下，整體氣化聯(lián)合循環(huán)技術(shù)IGCC(intergraded gasification combine cycle)是煤炭高效清潔利用的最具優(yōu)勢(shì)的技術(shù)之一[1]。

IGCC是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦湍茉蠢眉夹g(shù)，與傳統(tǒng)的供汽、發(fā)電鍋爐技術(shù)相比，IGCC技術(shù)在節(jié)能、環(huán)保等領(lǐng)域有著巨大的優(yōu)勢(shì)。IGCC是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，是由多種設(shè)備、多項(xiàng)技術(shù)集成，包括空分裝置、氣化裝置、氣體凈化裝置、燃?xì)廨啓C(jī)(GTG)/余熱鍋爐(HRSG)、POX蒸汽過(guò)熱爐、輔助鍋爐和蒸汽輪機(jī)(STG)等的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)[2]。

IGCC技術(shù)目前主要應(yīng)用在發(fā)電和化工領(lǐng)域。以發(fā)電為目的的IGCC裝置由于產(chǎn)品品種單一，其整體控制方案僅需要滿足裝置負(fù)荷變化的調(diào)節(jié)要求，相對(duì)簡(jiǎn)單；而在石化領(lǐng)域中的IGCC裝置作為煉化一體化項(xiàng)目的公用工程島，不僅要為煉化裝置提供氫氣、氧氣、氮?dú)?、空氣及各等?jí)蒸汽并發(fā)電，還需根據(jù)公用工程需求變化動(dòng)態(tài)調(diào)整裝置運(yùn)行負(fù)荷。對(duì)應(yīng)各裝置的功能，有幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，分別為空分系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)(含氣化、凈化等裝置)，以及Cogen系統(tǒng)(聯(lián)合發(fā)電，生產(chǎn)蒸汽并發(fā)電)。由于系統(tǒng)復(fù)雜、因素眾多、影響巨大，煉化一體化項(xiàng)目中的IGCC公用工程島的整體控制方案的重要性和復(fù)雜性都大幅增加，其運(yùn)行的可靠性及控制的靈活性對(duì)煉化一體化項(xiàng)目的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行具有重要意義。因此，需開(kāi)發(fā)IGCC公用工程島的主控系統(tǒng)，以提高應(yīng)對(duì)事故工況下對(duì)煉化一體化裝置的保供能力。

1 主控系統(tǒng)說(shuō)明

根據(jù)IGCC各裝置特點(diǎn)、核心設(shè)備特性、輸出產(chǎn)品對(duì)煉化一體化的重要程度以及事故工況下保護(hù)對(duì)象的關(guān)鍵排序等，開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)主控系統(tǒng)來(lái)確保不同工況的系統(tǒng)調(diào)控需求。由于空分裝置帶有后備系統(tǒng)，可滿足2套氣化爐一天的使用量，有足夠的時(shí)間供操作人員介入，控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。氣化系統(tǒng)主要職責(zé)為保證煉廠供氫，氣化爐為“兩開(kāi)一備”，單套規(guī)模即可滿足供氫要求，保障系數(shù)較高。而Cogen系統(tǒng)由多個(gè)產(chǎn)汽單元構(gòu)成，向外界提供高壓蒸汽供乙烯裝置、中壓蒸汽供煉油裝置作為主要驅(qū)動(dòng)蒸汽及熱源使用，蒸汽管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定性對(duì)一體化項(xiàng)目運(yùn)行非常關(guān)鍵，由于蒸汽生產(chǎn)單元多且種類(lèi)復(fù)雜，故確定合理的蒸汽系統(tǒng)控制方案，關(guān)乎一體化項(xiàng)目整體運(yùn)行的可靠性。因此，IGCC主控系統(tǒng)主要針對(duì)Cogen裝置而言。

主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括“事件驅(qū)動(dòng)邏輯”和全廠蒸汽平衡控制：“事件驅(qū)動(dòng)邏輯”是指在產(chǎn)汽設(shè)備輔助鍋爐、POX蒸汽過(guò)熱爐或余熱鍋爐等跳車(chē)的情況下應(yīng)執(zhí)行的動(dòng)作；蒸汽平衡控制是指在正常工況下，通過(guò)各級(jí)蒸汽總管的壓力控制2套輔助鍋爐、2套余熱鍋爐的產(chǎn)汽量、2套STG抽汽量及超高壓-高壓減溫減壓站、高壓-中壓減溫減壓站、中壓-低壓減溫減壓站。

1.1 Cogen系統(tǒng)配置

某煉化一體化項(xiàng)目共設(shè)置四級(jí)蒸汽管網(wǎng)，IGCC公用工程島Cogen裝置與蒸汽管網(wǎng)有關(guān)的設(shè)備主要有： 2套燃?xì)廨啓C(jī)配套余熱鍋爐、2套輔助鍋爐、2套POX超高壓蒸汽過(guò)熱爐和2套蒸汽輪機(jī)，該項(xiàng)目蒸汽系統(tǒng)規(guī)格見(jiàn)表1所列。

表1 全廠蒸汽系統(tǒng)規(guī)格

主要產(chǎn)汽單元情況如下： 每套輔助鍋爐額定產(chǎn)汽量為225 t/h，額定蒸汽壓為11.5 MPa，額定產(chǎn)汽溫度為530 ℃；每套POX蒸汽過(guò)熱爐最大蒸汽流量為174 t/h，過(guò)熱蒸汽壓力為11.5 MPa，過(guò)熱蒸汽溫度為530 ℃；每套余熱鍋爐最大產(chǎn)汽量均為330 t/h，配備有補(bǔ)燃設(shè)施及相關(guān)系統(tǒng)；每套蒸汽輪機(jī)消耗超高壓蒸汽最大量為220 t/h，中抽高壓蒸汽最大量為150 t/h。Cogen裝置主要設(shè)備與蒸汽管網(wǎng)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 Cogen裝置主要設(shè)備與蒸汽管網(wǎng)的關(guān)系示意

1.2 主控系統(tǒng)蒸汽平衡控制方案

超高壓蒸汽管網(wǎng)壓力主要通過(guò)超高壓輔助鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)來(lái)穩(wěn)定： 當(dāng)管網(wǎng)壓力低，主控系統(tǒng)要求2套輔助鍋爐同時(shí)提升負(fù)荷，當(dāng)管網(wǎng)壓力高，主控系統(tǒng)要求2套輔助鍋爐同時(shí)降低負(fù)荷；高壓和中壓蒸汽管網(wǎng)壓力主要通過(guò)蒸汽輪機(jī)的抽汽量調(diào)節(jié)；低壓蒸汽管網(wǎng)壓力通過(guò)放空閥調(diào)節(jié)；開(kāi)啟余熱鍋爐的補(bǔ)燃系統(tǒng)，也可增加高壓蒸汽產(chǎn)量；同時(shí)還可以通過(guò)超高壓/高壓減溫減壓器、高壓/中壓減溫減壓器、中壓/低壓減溫減壓器調(diào)節(jié)。主控系統(tǒng)的蒸汽平衡控制方案如圖2所示。

圖2 主控系統(tǒng)的蒸汽平衡控制方案示意

1.2.1超高壓蒸汽總管壓力控制

在正常工況下，超高壓蒸汽母管壓力是由輔助鍋爐和超高壓/高壓減溫減壓器控制。當(dāng)蒸汽母管壓力過(guò)低時(shí)，由主控系統(tǒng)發(fā)出控制指令。超高壓蒸汽壓力控制主控動(dòng)作見(jiàn)表2所列。

1.2.2高壓蒸汽管網(wǎng)壓力控制

在正常工況下，由2臺(tái)蒸汽輪機(jī)的高壓抽氣來(lái)控制高壓蒸汽母管壓力，當(dāng)高壓蒸汽管網(wǎng)壓力過(guò)低時(shí)，主控系統(tǒng)發(fā)出控制指令。高壓蒸汽壓力控制主控動(dòng)作見(jiàn)表3所列。

表3 高壓蒸汽壓力控制主控動(dòng)作

1.2.3中壓蒸汽管網(wǎng)壓力控制

在正常工況下，由2臺(tái)蒸汽輪機(jī)的中壓抽氣控制中壓蒸汽母管壓力，當(dāng)中壓蒸汽管網(wǎng)壓力過(guò)高時(shí)，可以通過(guò)中壓-低壓減溫減壓器調(diào)節(jié)，當(dāng)中壓蒸汽管網(wǎng)壓力過(guò)低時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟高壓-中壓減溫減壓站進(jìn)行調(diào)節(jié)，無(wú)需主控指令。

1.2.4低壓蒸汽管網(wǎng)壓力控制

在正常工況下，由低壓排放閥來(lái)控制低壓蒸汽主管壓力，當(dāng)?shù)蛪赫羝麎毫^(guò)低時(shí)，由中壓/低壓減溫減壓器來(lái)調(diào)節(jié)，無(wú)需主控指令。

1.3 事件驅(qū)動(dòng)控制邏輯

根據(jù)對(duì)不同事故工況下蒸汽系統(tǒng)壓力波動(dòng)的動(dòng)態(tài)模擬分析，結(jié)合不同產(chǎn)汽設(shè)備響應(yīng)速度，確定了3條聯(lián)鎖控制邏輯，分別針對(duì)不同工況，具體如下：

1)A邏輯。主控系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)至余熱鍋爐的燃燒管理系統(tǒng)，要求開(kāi)啟余熱鍋爐的補(bǔ)燃，并提高2套余熱鍋爐高壓蒸汽總管控制器的設(shè)定值。

2)B邏輯。主控系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)至余熱鍋爐的燃燒管理系統(tǒng)，要求開(kāi)啟余熱鍋爐的補(bǔ)燃，并提高2套余熱鍋爐高壓蒸汽總管控制器的設(shè)定值，同時(shí)發(fā)送信號(hào)至汽輪機(jī)的壓縮機(jī)組綜合控制系統(tǒng)(ITCC)，要求1套汽輪機(jī)聯(lián)鎖跳車(chē)。

3)C邏輯。主控系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)至余熱鍋爐的燃燒管理系統(tǒng)，要求開(kāi)啟余熱鍋爐的補(bǔ)燃，并提高2套余熱鍋爐高壓蒸汽總管控制器的設(shè)定值，同時(shí)發(fā)送信號(hào)至汽輪機(jī)的ITCC，要求2套汽輪機(jī)聯(lián)鎖跳車(chē)。

1.4 事故工況下主控系統(tǒng)控制邏輯

蒸汽管網(wǎng)壓力是主控系統(tǒng)的主要保護(hù)對(duì)象之一，而影響蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)的主要因素是6套產(chǎn)汽設(shè)備中的1套或多套跳車(chē)。將運(yùn)行中的產(chǎn)汽設(shè)備數(shù)目設(shè)為N1，N1的范圍為0～6；將產(chǎn)汽設(shè)備跳車(chē)數(shù)目設(shè)為N，N的范圍為0～6；將檢修或離線的產(chǎn)汽設(shè)備數(shù)目設(shè)為M；其中N+N1=6，N≥M，N-M為當(dāng)前跳車(chē)的產(chǎn)汽設(shè)備數(shù)量；若N-M=0，表示無(wú)產(chǎn)汽設(shè)備跳車(chē)。Cogen裝置典型事故工況如下： 1套輔助鍋爐跳車(chē)(N≥1)，2套輔助鍋爐跳車(chē)(N≥2)，1套燃?xì)廨啓C(jī)/余熱鍋爐跳車(chē)(N≥1)，2套燃?xì)廨啓C(jī)/余熱鍋爐跳車(chē)(N≥2)，1套POX蒸汽過(guò)熱爐跳車(chē)(N≥1)，2套POX蒸汽過(guò)熱爐跳車(chē)(N≥2)。

主控系統(tǒng)在不同事故工況下，執(zhí)行的控制邏輯如下：

1)1套產(chǎn)汽設(shè)備跳車(chē)，即N-M=1，且M=0，執(zhí)行A邏輯。

2)至少2套產(chǎn)汽設(shè)備跳車(chē)，即N-M>1，或1套產(chǎn)汽設(shè)備跳車(chē)且1套或多套處于檢修/離線狀態(tài)，即N-M=1，M≥1，執(zhí)行B邏輯。

產(chǎn)汽設(shè)備的運(yùn)行信號(hào)通過(guò)計(jì)數(shù)器1來(lái)統(tǒng)計(jì)N1，此時(shí)，N=6-N1，產(chǎn)汽設(shè)備的檢修/離線信號(hào)由操作員手動(dòng)輸入，通過(guò)計(jì)數(shù)器2來(lái)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前的M。則N-M為當(dāng)前跳車(chē)的產(chǎn)汽設(shè)備數(shù)量，根據(jù)跳車(chē)產(chǎn)汽設(shè)備數(shù)量及處于檢修/離線狀態(tài)的產(chǎn)汽設(shè)備數(shù)量來(lái)判斷執(zhí)行A邏輯或B邏輯。

3)2套輔助鍋爐均跳車(chē)，或1套輔助鍋爐處于檢修/離線狀態(tài)，而另一套輔助鍋爐跳車(chē)，執(zhí)行C邏輯。

2 主控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬驗(yàn)證

采用動(dòng)態(tài)模擬軟件Dysim模擬了上述典型事故工況以及相應(yīng)的控制方案，模型范圍包括與所有保護(hù)對(duì)象相關(guān)的主要設(shè)備、管道和儀表。通過(guò)保護(hù)對(duì)象的流量或壓力隨時(shí)間的變化曲線來(lái)表征工況的影響程度以及主控系統(tǒng)做出相應(yīng)的響應(yīng)以及動(dòng)作是否能夠保證研究對(duì)象的波動(dòng)在允許范圍內(nèi)，滿足裝置正常運(yùn)行的要求。

在Cogen系統(tǒng)中，與煉化一體化裝置關(guān)聯(lián)度最大的是超高壓蒸汽管網(wǎng)和高壓蒸汽管網(wǎng)，此外6臺(tái)產(chǎn)汽設(shè)備的運(yùn)行/故障直接影響這2條管網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，中壓與低壓蒸汽管網(wǎng)通過(guò)簡(jiǎn)單的DCS控制即可實(shí)現(xiàn)，無(wú)需主控系統(tǒng)介入。因此，動(dòng)態(tài)模擬對(duì)各種事故工況的分析著眼于針對(duì)超高壓/高壓管網(wǎng)。

2.1 1套輔助鍋爐跳車(chē)

該工況是指2套輔助鍋爐運(yùn)行情況下，1套輔助鍋爐忽然跳車(chē)，主控系統(tǒng)執(zhí)行A邏輯，另一套輔助鍋爐在超高壓蒸汽母管壓力控制下自動(dòng)提升負(fù)荷。1套輔助鍋爐跳車(chē)后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

圖3 1套輔助鍋爐跳車(chē)后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時(shí)間的變化曲線示意

由圖3可知，超高壓蒸汽管網(wǎng)壓力在10.7～11.2 MPa波動(dòng)，5 min后平穩(wěn)；高壓蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)很小，波動(dòng)時(shí)間不足10 min。

2.2 2套輔助鍋爐跳車(chē)

該工況是指2套輔助鍋爐運(yùn)行情況下同時(shí)跳車(chē)，或1套檢修時(shí)另1套跳車(chē)，主控系統(tǒng)執(zhí)行C邏輯。2套輔助鍋爐跳車(chē)后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。

圖4 2套輔助鍋爐跳車(chē)后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時(shí)間的變化曲線示意

由圖4可知，超高壓蒸汽管網(wǎng)壓力無(wú)問(wèn)題，高壓蒸汽管網(wǎng)2 min內(nèi)壓力下降到3.45 MPa，3 min后壓力就可以恢復(fù)。

2.3 1套燃?xì)廨啓C(jī)/余熱鍋爐跳車(chē)

該工況是指2套燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐正常運(yùn)行情況下，1套燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐跳車(chē)，主控系統(tǒng)執(zhí)行A邏輯。1套燃?xì)廨啓C(jī)跳車(chē)后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。

圖5 1套燃?xì)廨啓C(jī)跳車(chē)后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時(shí)間的變化曲線示意

由圖5可知，超高壓蒸汽管網(wǎng)壓力在10.94～11.02 MPa波動(dòng)，10 min內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定；高壓蒸汽管網(wǎng)壓力在3.56～3.66 MPa內(nèi)波動(dòng)，20 min內(nèi)恢復(fù)。

2.4 2套燃?xì)廨啓C(jī)/余熱鍋爐跳車(chē)

該工況是指在2套燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐在正常運(yùn)行時(shí)同時(shí)跳車(chē)，主控系統(tǒng)執(zhí)行B邏輯。2套燃?xì)廨啓C(jī)跳車(chē)后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。

圖6 2套燃?xì)廨啓C(jī)跳車(chē)后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時(shí)間的變化曲線示意

由圖6可知，超高壓及高壓蒸汽管網(wǎng)壓力2 min內(nèi)下降到10.2 MPa，而后開(kāi)始提升。高壓蒸汽管網(wǎng)壓力瞬間降到3.5 MPa后，繼續(xù)下降，管網(wǎng)壓力無(wú)法維持。通過(guò)主控系統(tǒng)調(diào)整不能滿足外部裝置用汽要求，還需公用工程島外部裝置減少高壓蒸汽用量以維持管網(wǎng)穩(wěn)定。

2.5 1套POX蒸汽過(guò)熱爐跳車(chē)

該工況是指2套POX蒸汽過(guò)熱爐正常運(yùn)行情況下，其中1套跳車(chē)，主控系統(tǒng)執(zhí)行A邏輯。1套POX蒸汽過(guò)熱爐跳車(chē)后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。

由圖7可知，超高壓蒸汽管網(wǎng)壓力瞬間降到10.63 MPa，然后開(kāi)始回升，5 min內(nèi)恢復(fù)；高壓蒸汽管網(wǎng)壓力稍有波動(dòng)，20 min內(nèi)恢復(fù)平穩(wěn)。

圖7 1套POX蒸汽過(guò)熱爐跳車(chē)后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時(shí)間的變化曲線示意

2.6 2套POX蒸汽過(guò)熱爐跳車(chē)

該工況是指2套POX蒸汽過(guò)熱爐運(yùn)行情況下同時(shí)跳車(chē)，主控系統(tǒng)執(zhí)行B邏輯。2套POX蒸汽過(guò)熱爐跳車(chē)后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示。

圖8 2套POX蒸汽過(guò)熱爐跳車(chē)后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時(shí)間的變化曲線示意

由圖8可知，超高壓蒸汽管網(wǎng)壓力瞬間降到10.95 MPa，40 min后恢復(fù)平穩(wěn)。高壓蒸汽管網(wǎng)壓力20 min內(nèi)降到3.5 MPa，而后開(kāi)始緩慢提升，最終穩(wěn)定。通過(guò)主控系統(tǒng)調(diào)整，蒸汽供應(yīng)量和蒸汽管網(wǎng)壓力均能夠達(dá)到要求。

2.7 1套輔助鍋爐運(yùn)行時(shí)1套燃?xì)廨啓C(jī)/余熱鍋爐跳車(chē)

該工況是指在只有1套輔助鍋爐運(yùn)行情況下，2套燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，1套燃?xì)廨啓C(jī)/余熱鍋爐跳車(chē)，主控系統(tǒng)執(zhí)行B邏輯。1套輔鍋運(yùn)行時(shí)1套燃機(jī)跳車(chē)后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示。

圖9 1套輔鍋運(yùn)行時(shí)1套燃機(jī)跳車(chē)后蒸汽管網(wǎng)壓力隨時(shí)間的變化曲線示意

由圖9可知，超高壓蒸汽管網(wǎng)壓力無(wú)問(wèn)題，在11.1～11.5 MPa內(nèi)波動(dòng)，約40 min后恢復(fù)穩(wěn)定；高壓蒸汽管網(wǎng)壓力約20 min后最低降到3.47 MPa，而后開(kāi)始提升，35 min內(nèi)恢復(fù)至3.55 MPa。通過(guò)主控系統(tǒng)調(diào)整，蒸汽供應(yīng)量和蒸汽管網(wǎng)壓力均能夠達(dá)到要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

作為公用工程島的IGCC裝置是整個(gè)煉化一體化工工程的能源中心，為其他裝置提供所需的氫氣、蒸汽以及電，是一套復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要相應(yīng)的控制系統(tǒng)才能應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜工況，保證裝置“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”運(yùn)行。本文主要從蒸汽平衡的角度闡述了Cogen裝置主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、控制邏輯以及事故工況的研究分析，以期為該類(lèi)主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

通過(guò)實(shí)例研究，采用動(dòng)態(tài)模擬的方法進(jìn)行多工況組合分析，驗(yàn)證主控系統(tǒng)控制邏輯的合理性，量化調(diào)控參數(shù)以及影響時(shí)間，發(fā)現(xiàn)主控系統(tǒng)難以解決的事故工況，并對(duì)不同工況下的生產(chǎn)操作、全廠協(xié)同控制、應(yīng)急管理措施等方面提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

將Cogen裝置內(nèi)的主要設(shè)備和蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行有機(jī)整合、統(tǒng)一控制，提出了一套切實(shí)可行的邏輯控制方案，可供實(shí)際工程設(shè)計(jì)借鑒使用。