催化裂化裝置富氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化研究

文/常青

本文作者供職于山東華星石油化工集團(tuán)有限公司。

CCC壓縮機(jī)控制系統(tǒng)在催化裂化裝置的富氣壓縮機(jī)組的應(yīng)用——本文分別從壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的改造方案、工藝流程優(yōu)化和投用后的節(jié)能效果等方面進(jìn)行詳細(xì)的介紹和深入的研究。

改造前現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

某公司催化裂化裝置的富氣壓縮機(jī)為沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠提供的2MCL526 離心式氣體壓縮機(jī)，用3.5 MPa蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)工作，由汽輪機(jī)拖動(dòng)離心機(jī)工作，因此蒸汽的節(jié)能方面可以充分利用。原壓縮機(jī)控制系統(tǒng)采用TS3000，富氣從入口緩沖罐來(lái)，經(jīng)壓縮機(jī)一段壓縮后由中間冷卻器進(jìn)入分液罐進(jìn)行氣液分離，氣相經(jīng)壓縮機(jī)二段壓縮去穩(wěn)定塔再吸收。壓縮機(jī)設(shè)置一個(gè)防喘振回路，由壓縮機(jī)出口經(jīng)防喘振閥返回分流塔頂入口冷卻器前。富氣壓縮機(jī)改造前如圖1所示，原富氣壓縮機(jī)運(yùn)行中存在的問(wèn)題如下。

圖1 富氣壓縮機(jī)改造前CSD圖

1.運(yùn)行過(guò)程中需要通過(guò)反飛動(dòng)閥FV-1501手動(dòng)調(diào)整分餾塔塔頂壓力，壓縮機(jī)回流閥開(kāi)度大，平均開(kāi)度大約在30%～62%，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行的能耗過(guò)高。

2.固定轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速控制在7 047 r/min左右。恒定機(jī)組轉(zhuǎn)速，通過(guò)調(diào)節(jié)防喘振閥開(kāi)度控制分餾塔頂壓力，控制精度不高調(diào)節(jié)頻繁，分餾塔塔頂壓力波動(dòng)大。

3.裝置開(kāi)工壓縮機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，需手動(dòng)操作防喘振閥進(jìn)行并機(jī)操作，人員技術(shù)水平要求高，操作難度大。

4.反應(yīng)再生系統(tǒng)壓力波動(dòng)，易造成機(jī)組喘振切除系統(tǒng)導(dǎo)致富氣放火炬，嚴(yán)重情況裝置生產(chǎn)中斷。

5.壓縮機(jī)二段的分子量和流量變化很大，一段出口氣液分離器有凝縮油排出，二段入口沒(méi)有流量測(cè)量元件，無(wú)法對(duì)壓縮機(jī)二段進(jìn)行有效的防喘振保護(hù)。

6.原控制系統(tǒng)沒(méi)有壓縮機(jī)性能調(diào)節(jié)回路，操作人員通過(guò)調(diào)整防喘振閥調(diào)節(jié)分餾塔壓力，造成能量浪費(fèi)并增加操作員工作強(qiáng)度，也使裝置整體穩(wěn)定性下降、能耗增加。

系統(tǒng)改造的理論依據(jù)

通過(guò)減少回流量達(dá)到節(jié)能效果

依據(jù)現(xiàn)在的壓縮機(jī)性能曲線、數(shù)據(jù)表及壓縮機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄，初步保守地估算在100%的壓縮機(jī)負(fù)荷下可以將一段及二段反飛動(dòng)閥基本關(guān)閉或關(guān)到很小，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)性能優(yōu)化及變轉(zhuǎn)速控制，最終達(dá)到節(jié)能目的。

通過(guò)減少維護(hù)量降低維護(hù)成本

喘振可造成壓縮機(jī)密封的損害，并且更嚴(yán)重的可造成軸瓦及轉(zhuǎn)子的損傷，造成壓縮機(jī)效率下降，防止喘振的發(fā)生意味著減少檢修工作量及減少壓縮機(jī)的內(nèi)部泄漏。目前沒(méi)有辦法量化維護(hù)成本的降低，但應(yīng)當(dāng)考慮由于使用S5 系列Vanguard冗余控制系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)維護(hù)成本的降低。

提高工藝控制質(zhì)量

CCC壓縮機(jī)解決方案將包括解耦、壓力超馳控制（POC）、壓縮機(jī)性能優(yōu)化控制等關(guān)聯(lián)控制技術(shù)，從而可以降低控制回路間的相互關(guān)聯(lián)，優(yōu)化壓縮機(jī)及工藝網(wǎng)路的響應(yīng)時(shí)間。這意味著工藝擾動(dòng)對(duì)壓縮機(jī)的影響降至最小，并且控制系統(tǒng)可以很快地對(duì)這些擾動(dòng)做出響應(yīng)并幫助工藝消除這些擾動(dòng)。

降低工藝擾動(dòng)意味著減少下游控制設(shè)備的損耗和異動(dòng)，下游設(shè)備相關(guān)成本的降低,包括維修成本和設(shè)備更換成本。

快速可靠的壓縮機(jī)起機(jī)、停機(jī)程序

CCC專門(mén)開(kāi)發(fā)的壓縮機(jī)起機(jī)、停機(jī)程序使壓縮機(jī)起動(dòng)和停機(jī)變成一個(gè)平穩(wěn)可重復(fù)的過(guò)程。大大減少了開(kāi)停機(jī)所需時(shí)間，并且避免了開(kāi)機(jī)過(guò)程造成的停車，為生產(chǎn)裝置的迅速恢復(fù)或開(kāi)工創(chuàng)造條件。

減少操作人員的操作

CCC的壓縮機(jī)控制解決方案，使壓縮機(jī)的起停機(jī)、正常運(yùn)行實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，操作人員只需設(shè)定分餾塔塔頂壓力目標(biāo)值即可，其他操作全部由控制系統(tǒng)安全可靠地完成，極大地降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

CCC壓縮機(jī)控制系統(tǒng)允許壓縮機(jī)在更靠近機(jī)械、工藝限制區(qū)域內(nèi)安全運(yùn)行。此安全操作區(qū)域由壓縮機(jī)喘振線和限制變量（例如：與工藝有關(guān)的限制變量，如最大出口壓力、最小入口壓力等）來(lái)決定。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的起機(jī)、停機(jī)操作，并且能夠優(yōu)化壓縮機(jī)和工藝操作。通過(guò)使壓縮機(jī)在貼近這些限制條件的區(qū)域操作，可以獲得很多經(jīng)濟(jì)收益。

控制系統(tǒng)改造總體方案

整體拆除原壓縮機(jī)控制系統(tǒng)，新上CCC S5 Vanguard控制系統(tǒng)一套，機(jī)組的調(diào)速、喘振和分餾塔頂壓力控制均在新系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并在系統(tǒng)中增加約束控制和壓力超馳控制（POC）等手段，實(shí)現(xiàn)喘振預(yù)估、防止入口抽空和出口壓力超限。

控制目標(biāo)

1.喘振控制投入自動(dòng)，通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行喘振試驗(yàn)精確定義一段、二段喘振曲線，從而盡量關(guān)小或完全關(guān)閉防喘振閥，減小回流量。

2.加入性能控制，幫助降低入口壓力的波動(dòng)，穩(wěn)定工藝。

3.防喘振控制由一、二段總的防喘振回路變?yōu)橐欢?、二段兩個(gè)防喘振控制回路分別控制。

4.通過(guò)加入約束控制和POC（壓力超馳控制）控制，實(shí)現(xiàn)喘振預(yù)估、使得入口不會(huì)抽空/出口不會(huì)超壓，避免設(shè)備和工藝風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，消除放火炬。

5.提高自動(dòng)化操作水平，全自動(dòng)控制縮短開(kāi)工時(shí)間，所有控制回路投入全自動(dòng)，并且提供自動(dòng)加載/卸載功能，使操作人員工作量最小，縮短壓縮機(jī)和裝置開(kāi)工的時(shí)間。操作人員只需設(shè)定分餾塔頂壓力性能控制器目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)卡片操作。

6.結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)回路診斷和退守策略,大大提高控制系統(tǒng)的可靠性,降低故障停機(jī)率。

具體改造方案

1.用CCC最新1套 S5 冗余Vanguard系統(tǒng)構(gòu)成的CCS替代現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制、喘振控制，提高控制精度和水平。現(xiàn)有系統(tǒng)中聯(lián)鎖保護(hù)、邏輯控制和一般監(jiān)測(cè)控制功能分別由SIS系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

2.將原來(lái)一個(gè)總的喘振控制回流改為各段回流，即一段出口回一段入口，二段出口回二段入口?？刂粕喜捎脙蓚€(gè)喘振控制回路。原調(diào)節(jié)閥FV-10501廢棄，重新采購(gòu)兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥，其中一臺(tái)調(diào)節(jié)閥用于二段防喘振，由二段出口回到段間冷卻器之前。另外一臺(tái)用于一段防喘振，由一段出口回到分餾塔后冷卻器之前。一段、二段回流管線之間安裝單向閥。

3.分別增加一段出口、二段入口兩臺(tái)壓力變送器，接入到S5 Vanguard系統(tǒng)內(nèi)。

4.增加分餾塔塔頂壓力控制方案，實(shí)現(xiàn)機(jī)組入口壓力自動(dòng)控制，并與喘振控制之間協(xié)調(diào)動(dòng)作。

5.將參與喘振控制、分餾塔頂壓力控制和速度控制的信號(hào)由原來(lái)系統(tǒng)機(jī)柜端子通過(guò)一入二出安全柵分一路接到CCC系統(tǒng)中。

6.CCC控制系統(tǒng)設(shè)置1個(gè)機(jī)柜，置于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間內(nèi)。中心控制室設(shè)置1臺(tái)操作站和1臺(tái)工程師站（兼操作站），中心控制室內(nèi)的操作站和工程師站通過(guò)以太網(wǎng)與控制器連接；CCC控制系統(tǒng)及SIS系統(tǒng)之間的停機(jī)、系統(tǒng)故障、允許起動(dòng)等信號(hào)通過(guò)硬接線連接。

7. 在重新計(jì)算的基礎(chǔ)上現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行喘振測(cè)試，重新標(biāo)定一段、二段喘振曲線和性能曲線。改造后的管線修改方案流程，如圖2所示。

圖2 改造后的管線修改方案流程圖（P&ID）

投用后節(jié)能效果

實(shí)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)速根據(jù)工藝要求自動(dòng)調(diào)節(jié)、防喘振，性能控制均處于全自動(dòng)的位置，有效地克服大幅度的工藝干擾，穩(wěn)定性大大優(yōu)于操作人員的手動(dòng)操作。

在保證壓縮機(jī)不會(huì)出現(xiàn)喘振危害的前提下，壓縮機(jī)通過(guò)關(guān)閉防喘振閥、實(shí)施調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和通過(guò)壓縮機(jī)性能優(yōu)化后的卡邊操作等手段節(jié)省了3.5 MPa蒸汽的用量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，見(jiàn)表1。

表1 3.5MPa蒸汽耗用對(duì)照表

改造前：2019年1~7月噸能耗平均在22.92 kg/t。每小時(shí)耗蒸汽量33～34 t/h之間，平均耗蒸汽量33.5 t/h。

改造后：2019年10月~2020年4月份噸能耗平均在21.36 kg/t。每天耗蒸汽量在32～33 t/h，平均耗蒸汽量32.5 t/h。

改造后平均每小時(shí)節(jié)約蒸汽1 t，中壓蒸汽價(jià)格為：135元/t，則一年運(yùn)行8 400 h，估計(jì)效益約為135×8 400×1=113.4萬(wàn)元。

小結(jié)

該項(xiàng)目于2019年8月開(kāi)工建設(shè)，歷時(shí)60天于10月8日投用，項(xiàng)目運(yùn)行后在保證壓縮機(jī)不會(huì)出現(xiàn)喘振危害的前提下，壓縮機(jī)通過(guò)關(guān)閉防喘振閥、實(shí)施調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和通過(guò)壓縮機(jī)性能優(yōu)化后的卡邊操作等手段使汽輪機(jī)耗用3.5 MPa蒸汽降低1t/h，以每噸中壓蒸汽135元計(jì)算，每小時(shí)增加效益1×135=135元，按年運(yùn)行8 400 h估計(jì)節(jié)能效益約為135×8 400×1=113.4萬(wàn)元，預(yù)計(jì)2年內(nèi)能收回投資成本，節(jié)能收益比較明顯。